汽车轻量化用材料连接技术研究.ppt

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1汽车轻量化用材料连接技术20092009年年66月月44日日报告人：

王快社报告人：

王快社2轻质高强材料连接技术课题组工作介绍报报告告内内容容汽车轻量化用材发展趋势3汽车轻量化意义汽车轻量化的技术内涵是:

采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计,或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下,尽可能降低汽车产品自身重量,以达到减重,降耗,环保,安全的综合指标。

据统计,汽车重量降低10%，燃油效率可提高6%8%；轻量化带来的突出优点就是油耗显著降低。

轻量化还会带来车辆操控稳定性和冲撞安全性的提升。

4汽车轻量化技术发展现状汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料使用两大方面,主要表现在：

轻质材料的比重不断攀升,铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多;结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高,如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的,计算机辅助集成技术（CAX）和结构分析等技术也有所发展;汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。

5汽车轻量化用材料高强度钢高强度钢是汽车用材料主要发展方向之一。

有高强度钢（屈服强度210MPa）、超高强度钢（屈服强度550MPa）和先进高强度钢。

目前汽车使用的高强度钢主要为板材与管材，取代普钢、铸铁用于车身零件和其它结构件。

高强度钢主要在汽车车身、底盘、悬架和转向系零件上有广泛应用。

6铝合金铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、适合多种成形方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料。

随着快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发与应用，未来铝在汽车中的应用范围将进一步扩大，并将呈现铸件、型材、板材并举的局面。

预计铝将会成为仅次于钢的第二大汽车材料。

7镁合金镁是比铝更轻的金属材料,具有比强度高，热传导性好，对振动、冲击的吸收性能好等特点。

它可在应用铝轻量的基础上再减轻15%20%。

铸造镁合金主要用于车身和底盘零件，如仪表盘骨架与横梁、座椅骨架、转向盘、进气歧管,以及各种支架、罩盖等。

变形镁合金主要用于车身组件（车门、行李厢、发动机罩等）的外板、车门窗框架、座椅框架、底盘框架、车身框架等。

8钛及钛合金具有密度小、质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀、低温韧性好等特点，主要用于汽车结构锻件和紧固件等。

近年来随着钛冶炼和加工技术的不断进步，价格的降低，作为汽车用材将会有更快发展。

钛合金9汽车用塑料主要是通用工程塑料、塑料合金和增强塑料。

在汽车中最早用于仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板等内装件，而后逐渐向外装件、结构件和功能件扩展,如车身外板、后阻流板等。

今后的发展方向是开发结构件、功能件、外装件用的高性能树脂材料、增强塑料复合材料、塑料共混物与塑料合金。

塑料及非金属基复合材料10图111图212轻质高强材料连接技术研究课题组工作介绍报报告告内内容容汽车轻量化用材发展趋势13常用连接方法及存在问题常用的连接方法：

（1）接触焊

（2）钨极氩弧焊（3）熔化极氩弧焊（4）激光焊接存在问题：

属于熔化焊接技术，焊接接头组织、成分偏析大，强度较低，塑性较差，存在热裂纹、夹杂等缺陷，焊接接头的残余应力较大，焊接工艺比较复杂，表面清理困难。

14搅拌摩擦焊接（FrictionstirWelding，简称FSW）是基于摩擦连接技术新近开发的一种固相连接技术，最先由英国焊接研究所在1991年发明。

搅拌摩擦焊接简介15搅拌摩擦焊接简介16搅拌摩擦焊的特点固相连接固相连接焊前处理简单焊前处理简单不需要保护气和填充材料不需要保护气和填充材料焊接变形小焊接变形小接头性能优异接头性能优异搅拌摩擦焊的特点u接头静态性能超过熔焊接头u搅拌摩擦焊接头性能数据分散性小u与熔焊接头相比，搅拌摩擦焊接头具有优异的抗疲劳性能u对某些材料，焊缝的断裂韧性超过母材17u焊接过程没有凝固收缩u与熔焊比，搅拌摩擦焊变形很小u焊件表面污物处理要求一般u不需开坡口和特殊清理u可以直接对剪裁板件进行焊接u对氧化物不敏感（如阳极化层）u焊缝中无气孔缺陷u无合金元素烧损u无热裂纹u无凝固时元素和组织的偏析u接头显微组织各向同性18搅拌摩擦焊的应用航空、航天航空、航天汽车、车辆工业汽车、车辆工业船舶和海洋工业船舶和海洋工业电子行业电子行业其他工业其他工业19u笔记本、手机等电子产品外壳u发动机壳体、冰箱冷却板、电器分封装、天然气、液化气贮箱、轻合金容器、家庭装饰制品等u快艇、游船等的甲板、侧板、防水隔板、船体外壳、主体结构件、直升机平台、离岸水上观测站、船用冷冻器、帆船桅杆和结构件u高速列车、轨道货车、地铁车厢、轻轨电车。

u汽车发动机引擎、汽车底盘支架、汽车轮鼓、车门预成形件、车体框架、升降平台、燃料箱、逃生工具等u运载火箭燃料贮箱、发动机承力框架、铝合金容器、航天飞机外贮箱、载人返回仓等u飞机蒙皮、衍条、加强件之间连接、框架连接、飞机壁板和地板连接、飞机门预成形结构件、起落架仓盖、外挂燃料箱搅拌摩擦焊的应用2021轻质高强材料连接技术研究课题组工作介绍报报告告内内容容汽车轻量化用材发展趋势22铝及铝合金的搅拌摩擦焊接成功实现8mm厚7075-T7351铝合金的搅拌摩擦焊,最佳工艺参数为:

搅拌头旋转速度为1180r/min、焊接速度为375mm/min;抗拉强度达到390MPa,是母材强度的78%。

（a）焊件上表面（b）焊件下表面7075铝合金搅拌摩擦焊接头表面形貌表面形貌237075-T7351铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织为典型搅拌摩擦焊接头组织,分为焊核区、热机影响区、热影响区及母材区。

连接接头各部位金相组织247075铝合金搅拌摩擦焊接头显微硬度7075-T7351铝合金搅拌摩擦焊接头显微硬度值分布趋势沿焊缝中心两侧基本对称,TMAZ/HAZ过渡区及焊核区硬度低于母材,是焊件的薄弱环节。

显微硬度25镁及镁合金的搅拌摩擦焊接表面形貌R=1500r/min,=90mm/min,F=1470NR=1200r/min,=100mm/min,F=800NR=1500r/min,=90mm/min,F=1800NR=1000r/min,=180mm/min,F=1470N焊缝表面形态焊缝表面形态26连接接头各部位金相组织全焊缝200焊核区300热-机影响区300热影响区30027接头焊核区等轴再结晶组织的形成机制28搅拌摩擦连接MB3镁合金板时的工件表面预处理比熔焊时对表面预处理的要求简单方便，从而节省了劳动力和劳动时间。

搅拌摩擦连接MB3镁合金板时，连接工艺参数选择不同，焊缝表面形态及反面成形情况不同，并可以此为依据判断连接质量。

采用搅拌摩擦连接MB3镁合金板时，如连接工艺参数选择不合理会出现：

焊缝表面沟槽、孔形通道、焊缝金属熔化或缩孔。

焊核区晶粒细化是原因可能是：

连接时焊核区金属发生了较大的应变，可能有细晶沉淀相出现，从而抑制晶粒长大。

29钛及钛合金的搅拌摩擦焊接焊缝表面形貌焊缝表面形貌钛合金熔点较高，且热强度高，与同规格其他有色金属相比，钛合金的搅拌摩擦焊接工艺规范偏小。

TC4钛合金搅拌摩擦焊接头形貌30由于钛合金焊接过程中会产生马氏体亚稳相，其组织形貌为针状组织。

冷却过程中马氏体亚稳相发生分解，部分相中直接析出相，在相界及内部孪晶界面上下均匀形核，基体发生再结晶，从而消除的针状组织形态，形成了典型的等轴晶状组织。

TC4搅拌摩擦焊焊合区低倍组织TC4搅拌摩擦焊焊合区组织接头组织31。

TC4焊缝组织TC4常规锻造组织过渡区组织32铝、镁异种材料搅拌摩擦焊接搅拌头相对接头中心的位置33焊缝表面形貌（a）焊缝上表面（b）焊缝下表面偏移前的焊缝表面形貌（a）焊缝上表面（b）焊缝下表面图4-3偏移后的焊缝表面形貌（a）焊缝上表面（b）焊缝下表面偏移后的焊缝表面形貌注：

连接工艺参数为搅拌头转速1500r/min，连接速度为90mm/min34焊接接头的横截面宏观和微观组织接头横截面宏观形貌35（c）1060铝母材（d）1060铝侧热机影响区域（e）（f）材料的流动形貌（g）焊核区域（h）MB3镁合金母材36抗拉强度与显微硬度分布接头的显微硬度搅拌头转速1500r/min，焊接速度为60-120mm/min。

焊接接头的抗拉强度值波动在42MPa-52MPa范围。

显微硬度的最大值几乎都是偏离焊缝中心的，大约距焊缝中心13mm左右，在横坐标为-5至5范围内硬度值变化明显。

此外强化相的分布状态也是产生硬度突变的主要因素，强化相的分布状态与搅拌头的参数有很大关系。

37焊接接头断口的扫描电镜形貌焊接接头断口的扫描电镜形貌38焊缝扫描电镜形貌焊缝扫描电镜形貌39谢谢!