汽車輕量化用材料連接技術(shù)研究第1頁/共40頁2輕質(zhì)高強(qiáng)材料連接技術(shù)課題組工作介紹報(bào)告內(nèi)容汽車輕量化用材發(fā)展趨勢(shì)第2頁/共40頁3汽車輕量化意義

汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是:采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和有效手段對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),或使用新材料在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下,盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量,以達(dá)到減重,降耗,環(huán)保,安全的綜合指標(biāo)。

據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；輕量化帶來的突出優(yōu)點(diǎn)就是油耗顯著降低。輕量化還會(huì)帶來車輛操控穩(wěn)定性和沖撞安全性的提升。第3頁/共40頁4汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和輕量化材料使用兩大方面,主要表現(xiàn)在：①輕質(zhì)材料的比重不斷攀升,鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、塑料、生態(tài)復(fù)合材料及陶瓷等的應(yīng)用越來越多;②結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計(jì)水平不斷提高,如采用前輪驅(qū)動(dòng)、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達(dá)到輕量化的目的,計(jì)算機(jī)輔助集成技術(shù)(CAX)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)也有所發(fā)展;③汽車輕量化促使汽車制造業(yè)在成形方法和聯(lián)接技術(shù)上不斷創(chuàng)新。第4頁/共40頁5汽車輕量化用材料高強(qiáng)度鋼高強(qiáng)度鋼是汽車用材料主要發(fā)展方向之一。有高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度>210MPa)、超高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度>550MPa)和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。目前汽車使用的高強(qiáng)度鋼主要為板材與管材，取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其它結(jié)構(gòu)件。高強(qiáng)度鋼主要在汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向系零件上有廣泛應(yīng)用。第5頁/共40頁6鋁合金

鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)良、適合多種成形方法、較易再生利用等優(yōu)點(diǎn)，是汽車工業(yè)應(yīng)用較多的金屬材料。

隨著快速凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基復(fù)合材料和泡沫鋁材等新材料的開發(fā)與應(yīng)用，未來鋁在汽車中的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，并將呈現(xiàn)鑄件、型材、板材并舉的局面。預(yù)計(jì)鋁將會(huì)成為僅次于鋼的第二大汽車材料。第6頁/共40頁7鎂合金

鎂是比鋁更輕的金屬材料,具有比強(qiáng)度高，熱傳導(dǎo)性好，對(duì)振動(dòng)、沖擊的吸收性能好等特點(diǎn)。它可在應(yīng)用鋁輕量的基礎(chǔ)上再減輕15%—20%。鑄造鎂合金主要用于車身和底盤零件，如儀表盤骨架與橫梁、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤、進(jìn)氣歧管,以及各種支架、罩蓋等。變形鎂合金主要用于車身組件（車門、行李廂、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等）的外板、車門窗框架、座椅框架、底盤框架、車身框架等。

第7頁/共40頁8鈦及鈦合金具有密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、低溫韌性好等特點(diǎn)，主要用于汽車結(jié)構(gòu)鍛件和緊固件等。近年來隨著鈦冶煉和加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，價(jià)格的降低，作為汽車用材將會(huì)有更快發(fā)展。鈦合金第8頁/共40頁9

汽車用塑料主要是通用工程塑料、塑料合金和增強(qiáng)塑料。在汽車中最早用于儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護(hù)板等內(nèi)裝件，而后逐漸向外裝件、結(jié)構(gòu)件和功能件擴(kuò)展,如車身外板、后阻流板等。今后的發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、功能件、外裝件用的高性能樹脂材料、增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、塑料共混物與塑料合金。塑料及非金屬基復(fù)合材料第9頁/共40頁10圖1第10頁/共40頁11圖2第11頁/共40頁12輕質(zhì)高強(qiáng)材料連接技術(shù)研究課題組工作介紹報(bào)告內(nèi)容汽車輕量化用材發(fā)展趨勢(shì)第12頁/共40頁13常用連接方法及存在問題常用的連接方法：（1）接觸焊（2）鎢極氬弧焊（3）熔化極氬弧焊（4）激光焊接

存在問題：屬于熔化焊接技術(shù)，焊接接頭組織、成分偏析大，強(qiáng)度較低，塑性較差，存在熱裂紋、夾雜等缺陷，焊接接頭的殘余應(yīng)力較大，焊接工藝比較復(fù)雜，表面清理困難。第13頁/共40頁14

攪拌摩擦焊接（FrictionstirWelding，簡(jiǎn)稱FSW）是基于摩擦連接技術(shù)新近開發(fā)的一種固相連接技術(shù)，最先由英國(guó)焊接研究所在1991年發(fā)明。攪拌摩擦焊接簡(jiǎn)介第14頁/共40頁15攪拌摩擦焊接簡(jiǎn)介第15頁/共40頁16攪拌摩擦焊的特點(diǎn)固相連接焊前處理簡(jiǎn)單不需要保護(hù)氣和填充材料焊接變形小接頭性能優(yōu)異第16頁/共40頁攪拌摩擦焊的特點(diǎn)

接頭靜態(tài)性能超過熔焊接頭攪拌摩擦焊接頭性能數(shù)據(jù)分散性小與熔焊接頭相比，攪拌摩擦焊接頭具有優(yōu)異的抗疲勞性能對(duì)某些材料，焊縫的斷裂韌性超過母材17焊接過程沒有凝固收縮與熔焊比，攪拌摩擦焊變形很小焊件表面污物處理要求一般不需開坡口和特殊清理可以直接對(duì)剪裁板件進(jìn)行焊接對(duì)氧化物不敏感（如陽極化層）焊縫中無氣孔缺陷無合金元素?zé)龘p無熱裂紋無凝固時(shí)元素和組織的偏析接頭顯微組織各向同性第17頁/共40頁18

攪拌摩擦焊的應(yīng)用航空、航天汽車、車輛工業(yè)船舶和海洋工業(yè)電子行業(yè)其他工業(yè)第18頁/共40頁19筆記本、手機(jī)等電子產(chǎn)品外殼發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、冰箱冷卻板、電器分封裝、天然氣、液化氣貯箱、輕合金容器、家庭裝飾制品等快艇、游船等的甲板、側(cè)板、防水隔板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)平臺(tái)、離岸水上觀測(cè)站、船用冷凍器、帆船桅桿和結(jié)構(gòu)件高速列車、軌道貨車、地鐵車廂、輕軌電車。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)引擎、汽車底盤支架、汽車輪鼓、車門預(yù)成形件、車體框架、升降平臺(tái)、燃料箱、逃生工具等運(yùn)載火箭燃料貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)承力框架、鋁合金容器、航天飛機(jī)外貯箱、載人返回倉(cāng)等飛機(jī)蒙皮、衍條、加強(qiáng)件之間連接、框架連接、飛機(jī)壁板和地板連接、飛機(jī)門預(yù)成形結(jié)構(gòu)件、起落架倉(cāng)蓋、外掛燃料箱攪拌摩擦焊的應(yīng)用第19頁/共40頁20第20頁/共40頁21輕質(zhì)高強(qiáng)材料連接技術(shù)研究課題組工作介紹報(bào)告內(nèi)容汽車輕量化用材發(fā)展趨勢(shì)第21頁/共40頁22鋁及鋁合金的攪拌摩擦焊接成功實(shí)現(xiàn)8mm厚7075-T7351鋁合金的攪拌摩擦焊,最佳工藝參數(shù)為:攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1180r/min、焊接速度為37·5mm/min;抗拉強(qiáng)度達(dá)到390MPa,是母材強(qiáng)度的78%。（a）焊件上表面

（b）焊件下表面7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面形貌

表面形貌

第22頁/共40頁237075-T7351鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織為典型攪拌摩擦焊接頭組織,分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)。連接接頭各部位金相組織

第23頁/共40頁247075鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微硬度

7075-T7351鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微硬度值分布趨勢(shì)沿焊縫中心兩側(cè)基本對(duì)稱,TMAZ/HAZ過渡區(qū)及焊核區(qū)硬度低于母材,是焊件的薄弱環(huán)節(jié)。顯微硬度

第24頁/共40頁25鎂及鎂合金的攪拌摩擦焊接表面形貌R=1500r/min,υ=90mm/min,F=1470N

R=1200r/min,υ=100mm/min,F=800N

R=1500r/min,υ=90mm/min,F=1800N

R=1000r/min,υ=180mm/min,F=1470N

焊縫表面形態(tài)

第25頁/共40頁26連接接頭各部位金相組織

全焊縫200×

焊核區(qū)300×

熱-機(jī)影響區(qū)300×熱影響區(qū)300×

第26頁/共40頁27接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織的形成機(jī)制

第27頁/共40頁28攪拌摩擦連接MB3鎂合金板時(shí)的工件表面預(yù)處理比熔焊時(shí)對(duì)表面預(yù)處理的要求簡(jiǎn)單方便，從而節(jié)省了勞動(dòng)力和勞動(dòng)時(shí)間。攪拌摩擦連接MB3鎂合金板時(shí)，連接工藝參數(shù)選擇不同，焊縫表面形態(tài)及反面成形情況不同，并可以此為依據(jù)判斷連接質(zhì)量。采用攪拌摩擦連接MB3鎂合金板時(shí)，如連接工藝參數(shù)選擇不合理會(huì)出現(xiàn)：焊縫表面溝槽、孔形通道、焊縫金屬熔化或縮孔。焊核區(qū)晶粒細(xì)化是原因可能是：連接時(shí)焊核區(qū)金屬發(fā)生了較大的應(yīng)變，可能有細(xì)晶沉淀相出現(xiàn)，從而抑制晶粒長(zhǎng)大。

第28頁/共40頁29鈦及鈦合金的攪拌摩擦焊接焊縫表面形貌鈦合金熔點(diǎn)較高，且熱強(qiáng)度高，與同規(guī)格其他有色金屬相比，鈦合金的攪拌摩擦焊接工藝規(guī)范偏小。TC4鈦合金攪拌摩擦焊接頭形貌第29頁/共40頁30由于鈦合金焊接過程中會(huì)產(chǎn)生馬氏體α’亞穩(wěn)相，其組織形貌為針狀組織。冷卻過程中馬氏體α’亞穩(wěn)相發(fā)生分解，部分α’相中直接析出β相，在α相界及α’內(nèi)部孿晶界面上下均勻形核，基體α發(fā)生再結(jié)晶，從而消除α’的針狀組織形態(tài)，形成了典型的等軸晶狀組織。TC4攪拌摩擦焊焊合區(qū)低倍組織TC4攪拌摩擦焊焊合區(qū)組織

接頭組織第30頁/共40頁31。TC4焊縫組織TC4常規(guī)鍛造組織過渡區(qū)組織第31頁/共40頁32鋁、鎂異種材料攪拌摩擦焊接攪拌頭相對(duì)接頭中心的位置

第32頁/共40頁33焊縫表面形貌

（a）焊縫上表面（b）焊縫下表面

偏移前的焊縫表面形貌

（a）焊縫上表面（b）焊縫下表面圖4-3偏移后的焊縫表面形貌（a）焊縫上表面（b）焊縫下表面

偏移后的焊縫表面形貌

注：連接工藝參數(shù)為攪拌頭轉(zhuǎn)速1500r/min，連接速度為90mm/min

第33頁/共40頁34焊接接頭的橫截面宏觀和微觀組織接頭橫截面宏觀形貌

第34頁/共40頁35（c）1060鋁母材（d）1060鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)域（e）（f）材料的流動(dòng)形貌（g）焊核區(qū)域（h）MB3鎂合金母材

第35頁/共40頁36抗拉強(qiáng)度與顯微硬度分布

接頭的顯微硬度

攪拌頭轉(zhuǎn)速1500r/min，焊接速度為60-120mm/min。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度值波動(dòng)在42MPa-52MPa范圍。

顯微硬度的最大值幾乎都是偏