2021车身大会 | 梁军强：多厚度组合铝合金焊接研究

2021年3月23 -24日，由加斯帕主办的“2021中国体大会”隆重举行。本次会议围绕车辆轻量化、车辆安全法规、车身结构设计、先进车身材料、仿真技术、模块化车身结构等行业焦点话题展开。并对产业发展提出建议。会议期间，石民集团高级工艺工程师梁俊强发表了“多厚度组合铝合金焊接研究”的主题演讲。

石民集团高级工艺工程师梁俊强

以下为演讲实录:

大家好！我们正在研究铝合金连接技术，包括焊接技术，冷连接技术和胶合技术。此外，我们还对新技术进行了前瞻性的理论研究。

接下来，我们来谈谈今天的主题。今天主要讲铝合金MIG焊。前期我们也和供应商、合作伙伴有很多讨论，包括我们做调研的时候经常会有一些碰撞。今天，我将与你分享一些好的想法。

今天主要讲七种施工方法。首先我们来回顾一下电池盒内部焊接有多难。事实上，铝合金电池盒的焊接难度很大。难点在于使用型材，型材厚度和截面都不一样。每个地方的厚度都有很多组合，薄板和厚板，薄板+薄板，底板和横梁。水冷板和横梁的厚度差其实很大。当厚度变化很大时，控制焊接中的热输入是非常困难的。然后，电池盒产品大，焊道多，焊道长，要求焊道小。基于这一工艺原因，我们提出开发铝合金施工方法，以及如何很好地解决这一问题。我们对焊接前端进行了研究。

为了完成这一部分，我们与许多供应商建立了良好的互动与合作，并与唐山松下建立了联合实验室。你可能听起来有点困惑。铝合金焊接我们用DC焊接，但是我们研究了一些交流焊接方法，还有P-MIX焊接法，DC脉冲往复摆动法，精确控制焊接热输入和焊缝自适应技术。我们还开发了电池盒焊接的焊接软件包，以满足不同的焊接要求，并对5系铝合金和6系铝合金做了大量的研究。最后，我们做了一个软件包。我们对应的工艺范围相当广，从0.6 mm到10 mm的厚度，各种组合都能呈现完美的解决方案，这是我们联合实验室做出的成果。

1、焊接规范同步摆动技术。我们会遇到薄板和厚板的焊接，然后我们发明了同步摆动。通过大电流和小电流的不同切换，我们考虑了不同的方法，实现了两块板都不会有大的质量问题。

我们在厚板上加200安，薄板上加100安，就是这个焊道以前不管怎么焊都是断的，焊道很难控制。今天使用这种方案可以解决不同的厚度组合，它的咬边和焊缝破损会变少，这是我们技术的优势。在这项技术中，我们需要与机器人同步移动。当机器人以弧线摆动时，焊工根据位置发出焊接指令，使动作和指令能很好地配合。

2.SAWP低热量输入技术。众所周知，铝合金焊接既要保证熔深又要有小的变形。我们要求技术焊接，保证熔深，还有热输入大，输入小。在这里，我们向供应商和实验室提出这样一个要求，就是在厚板焊接时，能否用大脉冲打开保险丝产生熔池，使焊道在焊接后得到很好的休息，使焊缝稳定，熔池凝固。所以根据这个理论，我们开发了一种新工艺，叫做SAWP工艺，前面是短路焊接，后面是双脉冲:AB电流。这种焊接方式的优点是热量输入更准确，在焊接断裂时给予冷却处理，使其焊道瞬间得到支撑，这种薄板的局部焊接成功率会更高。因为在热输入较大时，也保证了高速焊接和熔透，即焊接速度不降低，热输入解决了步进输入控制的问题。可以看到它的融化深度变好了。

3.P-Stitch鱼鳞焊技术。我们发现没有熔透，焊缝没有强度，但是电池组要求整个焊缝都有熔透。基于这一要求，我们放弃了原有的鱼鳞焊接方法，选择了新的焊接脉冲来增加热输入。此处所示的鱼鳞构造方法可用于厚度为……的焊接在一个焊接脉冲之后，电弧将在焊接之后停止，然后焊接并冷却。这样做的好处是熔池会瞬间被大电流打开，但是熔池会瞬间冷却。我们研究的部分会和别人不一样，就是我们可以用鱼鳞焊的方法把板的厚度焊到3 mm以下，这在以前是不可能的。这种方法带来的效果也很明显。鱼鳞焊时焊道中的气孔很少。因为与铝合金焊接时温度很低，里面的氢孔很难溶于其中，所以它的适用性会变得更加广泛。还有一个作用，它的焊接黑灰很少，因为焊接电流很大。基于这两部分，提出了它在电池盒中的应用价值。不像以前的自行车焊接，摸起来像鸡肋，外观也不错，但是没有穿透力。通过这种方法，我们实现了热量输入的极限控制。

4.混合焊接技术。它的方案是基于前面的方案，有两点不同。前面说鱼鳞焊是焊道的一个休息过程，这里的施工方法不让它休息，就是短路脉冲。我们和以前的施工方法不同的是，我们的焊接脉冲的宽度会很窄，脉冲的电压会很高，所以瞬间打板就能获得很大的穿透力。即电弧挺度很高，通过搅拌熔池，熔化深度变得很稳定。还有一个区别。以前常见的焊道是歪的，而我们用P-MIX做的焊道是平的，有的材料中间还有筋。铝合金碰到筋就会收缩，碰到薄板的地方就会塌陷。为了处理这样的问题，我们提出了P-MIX解决方案。其优点是外形美观，更好的电弧控制。当然这种工艺会被广泛使用，更多的是用在铸焊上。其实铸件焊接非常难的地方就是铸件在焊接的时候容易熔化，所以这里就要求控制好它的精度。这里使用的脉冲是根据数量计算的，可以给1到20个脉冲来控制热量输入的精度。这样焊接过程的温度控制会更加合理。

具体来说，脉冲部分的波形会更细更高，筋部会瞬间撞击熔池部分，短路部分会填充铝合金，提高焊接和熔覆效率。在焊接过程中，焊接标准中经常会写，如果有筋，你就不要切割，因为它没有熔深，在这里切割就可以了，而且可以保证焊接的熔深。

5.厚板高速焊接的无飞溅技术。我们将手工焊接方法移植到铝合金焊接中。焊接厚板时，经常会有许多焊接飞溅。厚板的焊接过程很慢，效率很低，而且焊缝很宽，气孔很多，焊后会产生裂纹。我们在摸厚板的时候会通过摆动来做，这样鱼鳞纹就会一次次的显示出来，外观飞溅毛孔比较小。因为熔池小，熔池的搅拌作用可能没那么大，但是整个氢气沉在里面的可能性变小了。所以我们重点研究无飞溅的焊接方案，这是与机器人相互融合的部分。虽然名为无飞溅焊接，但实际上是DC焊接和机器人摆动的方案。

还有就是高速往复摆动。我们做铝合金的时候发现是10 mm，最大电流没有穿透。我们做什么呢在同一焊道中反复来回焊接。气孔少，首要条件是焊接速度要快，零件要焊好才知道。二是充分搅拌焊道，将气孔搅拌出来。所以我们通过不同的搅拌方法来降低铝合金的孔隙率。我们直接走高速焊接反复搅拌的研究方向。不同于其他焊接工艺。

6.交流脉冲施工法。我们使用交流焊接来焊接铝，因为我们所有的铝合金都是通过DC焊接来焊接的。今天你突然出来说要用交流焊接。没人能相信。当然有优点，但是适用范围很窄，但是焊接效果明显。我们的技术来自阿布……五年前，我们做铝合金焊接的时候，用的是交流焊接。在DC脉冲的对面有一个小脉冲用于通信。它的优点是什么？交流时直接接正极时焊接能量最大，控制最大能量输入可使熔池瞬间破碎。我们经常会遇到铝合金的熔透问题，就是电弧15 mm也不要切割焊缝，电弧15 mm也不要切割，但是沟通后发现，电弧5 mm也有熔透，焊接时通过交流电使熔池破碎，破碎后可以快速焊接，具有焊接深度大，不需要太大的热输入，焊接速度更快，不需要反熔透等效果。

如果没有AC，很容易产生背透裂纹。我们用通讯的时候，背面熔深少，就是熔深小，但是焊接熔深稳定。我们过去的交流技术用在哪里？用于不锈钢焊接，事实上，铝交流焊接方法是从该理论演变而来的，使用该方案有许多优点。当然，我们这里还有其他的应用，因为还有很多其他的应用。今天只讲了一个很窄的话题，就是为了解决某个特定的环节而想到了这样的构造方法。当然，当焊接部分要求熔透时，可以采用这种方法，整个焊道都可以完全熔透。

7、1.6mm焊丝高效焊接应用。我们就这个话题和工程师吵了一年左右。我坚持做1.6mm，工程师坚持用1.2mm，因为1.2mm焊接已经很成熟了，1.6mm在业内还没用。今天说用1.6mm焊丝，做出来的效果很明显。焊接1.6mm时，产品的变形会特别小，比焊接1.2 mm时减少2/3，焊接1.2mm时，板材会拱起，焊接1.6mm时，板材是平的。现在它的焊接速度将提高50%。刚才说快速焊接可以减少气孔，这个过程也暗合了气孔少这样一个效果。更重要的是，穿透深度更加出色。可以看到1.2mm焊丝的焊接电流基本稳定在180-250，但是如果我们焊接到1.6mm的350，还是很稳定的。我们用的是高端设备，所以焊丝还是很好控制的。

下图是焊接铸件。焊接表面非常光亮，没有气孔。人家问我，你焊这么一个焊缝要多久？我说大概需要两秒钟。结果老师批评我们说你们这么快就能焊接铝合金了。我说，我不知道。反正只要两秒钟。

这里可以看到穿透力差的部分，手指穿透力，但是对于力量来说状态不好。这里手指穿透太大，会导致燃烧不充分，烟雾比较大。所以我们在做烟的这部分题目，是为了矫正脉冲形状。我们修正了脉冲宽度比，使电弧燃烧过程更加稳定。在稳定燃弧部分，我们单独做了一个曲线库。

我们可以看到两条不同的焊接曲线。一个是它具有短弧的特点。电弧通常会变得更柔和。在第二种方案中，如果我们使用标准脉冲，我们希望它是高而细的，这将比焊接声音更尖锐，其脉冲值将增加。所以我们可以在1.6毫米处焊接而不冒烟。我们看到这两个不同的手指，左边1.2毫米，右边1.6毫米。其实渗透深度不算太大，但是毛孔会变少。

最后看烟尘。焊接铝合金最大的问题是烟尘。我们尽量减少脉冲次数，然后让溅出的水花少一些，最后让镁元素尽量减少。在这里，我们实现了一个更柔和的曲线。整个焊接过程就是电弧被压缩在焊接保护气体范围内，这样我们可以看到焊接过程是光亮的，焊接过程是比较稳定的。

以上是我们在这方面的一些前瞻性研究。谢谢你。2021年3月23 -24日，由加斯帕主办的“2021中国体大会”隆重举行。本次会议围绕车辆轻量化、车辆安全法规、车身结构设计、先进车身材料、仿真技术、模块化车身结构等行业焦点话题展开。并对产业发展提出建议。在会议期间……，石民集团高级工艺工程师梁俊强发表了“多厚度组合铝合金焊接研究”的主题演讲。

石民集团高级工艺工程师梁俊强

以下为演讲实录:

大家好！我们正在研究铝合金连接技术，包括焊接技术，冷连接技术和胶合技术。此外，我们还对新技术进行了前瞻性的理论研究。

接下来，我们来谈谈今天的主题。今天主要讲铝合金MIG焊。前期我们也和供应商、合作伙伴有很多讨论，包括我们做调研的时候经常会有一些碰撞。今天，我将与你分享一些好的想法。

今天主要讲七种施工方法。首先我们来回顾一下电池盒内部焊接有多难。事实上，铝合金电池盒的焊接难度很大。难点在于使用型材，型材厚度和截面都不一样。每个地方的厚度都有很多组合，薄板和厚板，薄板+薄板，底板和横梁。水冷板和横梁的厚度差其实很大。当厚度变化很大时，控制焊接中的热输入是非常困难的。然后，电池盒产品大，焊道多，焊道长，要求焊道小。基于这一工艺原因，我们提出开发铝合金施工方法，以及如何很好地解决这一问题。我们对焊接前端进行了研究。

为了完成这一部分，我们与许多供应商建立了良好的互动与合作，并与唐山松下建立了联合实验室。你可能听起来有点困惑。铝合金焊接我们用DC焊接，但是我们研究了一些交流焊接方法，还有P-MIX焊接法，DC脉冲往复摆动法，精确控制焊接热输入和焊缝自适应技术。我们还开发了电池盒焊接的焊接软件包，以满足不同的焊接要求，并对5系铝合金和6系铝合金做了大量的研究。最后，我们做了一个软件包。我们对应的工艺范围相当广，从0.6 mm到10 mm的厚度，各种组合都能呈现完美的解决方案，这是我们联合实验室做出的成果。

1、焊接规范同步摆动技术。我们会遇到薄板和厚板的焊接，然后我们发明了同步摆动。通过大电流和小电流的不同切换，我们考虑了不同的方法，实现了两块板都不会有大的质量问题。

我们在厚板上加200安，薄板上加100安，就是这个焊道以前不管怎么焊都是断的，焊道很难控制。今天使用这种方案可以解决不同的厚度组合，它的咬边和焊缝破损会变少，这是我们技术的优势。在这项技术中，我们需要与机器人同步移动。当机器人以弧线摆动时，焊工根据位置发出焊接指令，使动作和指令能很好地配合。

2.SAWP低热量输入技术。众所周知，铝合金焊接既要保证熔深又要有小的变形。我们要求技术焊接，保证熔深，还有热输入大，输入小。在这里，我们向供应商和实验室提出这样一个要求，就是在厚板焊接时，能否用大脉冲打开保险丝产生熔池，使焊道在焊接后得到很好的休息，使焊缝稳定，熔池凝固。所以根据这个理论，我们开发了一种新工艺，叫做SAWP工艺，前面是短路焊接，后面是双脉冲:AB电流。这种焊接方式的优点是热量输入更准确，在焊接断裂时给予冷却处理，使其焊道瞬间得到支撑，这种薄板的局部焊接成功率会更高。因为在热输入较大时，也保证了高速焊接和熔透，即焊接速度不降低，热输入解决了步进输入控制的问题。可以看到它的融化深度变好了。

3.P-Stitch鱼鳞焊技术。我们发现没有熔透，焊缝没有强度，但是电池组要求整个焊缝都有熔透。基于这一要求，我们放弃了原有的鱼鳞焊接方法，选择了新的焊接脉冲来增加热输入。此处所示的鱼鳞构造方法可用于厚度为……的焊接在一个焊接脉冲之后，电弧将在焊接之后停止，然后焊接并冷却。这样做的好处是熔池会瞬间被大电流打开，但是熔池会瞬间冷却。我们研究的部分会和别人不一样，就是我们可以用鱼鳞焊的方法把板的厚度焊到3 mm以下，这在以前是不可能的。这种方法带来的效果也很明显。鱼鳞焊时焊道中的气孔很少。因为与铝合金焊接时温度很低，里面的氢孔很难溶于其中，所以它的适用性会变得更加广泛。还有一个作用，它的焊接黑灰很少，因为焊接电流很大。基于这两部分，提出了它在电池盒中的应用价值。不像以前的自行车焊接，摸起来像鸡肋，外观也不错，但是没有穿透力。通过这种方法，我们实现了热量输入的极限控制。

4.混合焊接技术。它的方案是基于前面的方案，有两点不同。前面说鱼鳞焊是焊道的一个休息过程，这里的施工方法不让它休息，就是短路脉冲。我们和以前的施工方法不同的是，我们的焊接脉冲的宽度会很窄，脉冲的电压会很高，所以瞬间打板就能获得很大的穿透力。即电弧挺度很高，通过搅拌熔池，熔化深度变得很稳定。还有一个区别。以前常见的焊道是歪的，而我们用P-MIX做的焊道是平的，有的材料中间还有筋。铝合金碰到筋就会收缩，碰到薄板的地方就会塌陷。为了处理这样的问题，我们提出了P-MIX解决方案。其优点是外形美观，更好的电弧控制。当然这种工艺会被广泛使用，更多的是用在铸焊上。其实铸件焊接非常难的地方就是铸件在焊接的时候容易熔化，所以这里就要求控制好它的精度。这里使用的脉冲是根据数量计算的，可以给1到20个脉冲来控制热量输入的精度。这样焊接过程的温度控制会更加合理。

具体来说，脉冲部分的波形会更细更高，筋部会瞬间撞击熔池部分，短路部分会填充铝合金，提高焊接和熔覆效率。在焊接过程中，焊接标准中经常会写，如果有筋，你就不要切割，因为它没有熔深，在这里切割就可以了，而且可以保证焊接的熔深。

5.厚板高速焊接的无飞溅技术。我们将手工焊接方法移植到铝合金焊接中。焊接厚板时，经常会有许多焊接飞溅。厚板的焊接过程很慢，效率很低，而且焊缝很宽，气孔很多，焊后会产生裂纹。我们在摸厚板的时候会通过摆动来做，这样鱼鳞纹就会一次次的显示出来，外观飞溅毛孔比较小。因为熔池小，熔池的搅拌作用可能没那么大，但是整个氢气沉在里面的可能性变小了。所以我们重点研究无飞溅的焊接方案，这是与机器人相互融合的部分。虽然名为无飞溅焊接，但实际上是DC焊接和机器人摆动的方案。

还有就是高速往复摆动。我们做铝合金的时候发现是10 mm，最大电流没有穿透。我们做什么呢在同一焊道中反复来回焊接。气孔少，首要条件是焊接速度要快，零件要焊好才知道。二是充分搅拌焊道，将气孔搅拌出来。所以我们通过不同的搅拌方法来降低铝合金的孔隙率。我们直接走高速焊接反复搅拌的研究方向。不同于其他焊接工艺。

6.交流脉冲施工法。我们使用交流焊接来焊接铝，因为我们所有的铝合金都是通过DC焊接来焊接的。今天你突然出来说要用交流焊接。没人能相信。当然有优点，但是适用范围很窄，但是焊接效果明显。我们的技术来自阿布……五年前，我们做铝合金焊接的时候，用的是交流焊接。在DC脉冲的对面有一个小脉冲用于通信。它的优点是什么？交流时直接接正极时焊接能量最大，控制最大能量输入可使熔池瞬间破碎。我们经常会遇到铝合金的熔透问题，就是电弧15 mm也不要切割焊缝，电弧15 mm也不要切割，但是沟通后发现，电弧5 mm也有熔透，焊接时通过交流电使熔池破碎，破碎后可以快速焊接，具有焊接深度大，不需要太大的热输入，焊接速度更快，不需要反熔透等效果。

如果没有AC，很容易产生背透裂纹。我们用通讯的时候，背面熔深少，就是熔深小，但是焊接熔深稳定。我们过去的交流技术用在哪里？用于不锈钢焊接，事实上，铝交流焊接方法是从该理论演变而来的，使用该方案有许多优点。当然，我们这里还有其他的应用，因为还有很多其他的应用。今天只讲了一个很窄的话题，就是为了解决某个特定的环节而想到了这样的构造方法。当然，当焊接部分要求熔透时，可以采用这种方法，整个焊道都可以完全熔透。

7、1.6mm焊丝高效焊接应用。我们就这个话题和工程师吵了一年左右。我坚持做1.6mm，工程师坚持用1.2mm，因为1.2mm焊接已经很成熟了，1.6mm在业内还没用。今天说用1.6mm焊丝，做出来的效果很明显。焊接1.6mm时，产品的变形会特别小，比焊接1.2 mm时减少2/3，焊接1.2mm时，板材会拱起，焊接1.6mm时，板材是平的。现在它的焊接速度将提高50%。刚才说快速焊接可以减少气孔，这个过程也暗合了气孔少这样一个效果。更重要的是，穿透深度更加出色。可以看到1.2mm焊丝的焊接电流基本稳定在180-250，但是如果我们焊接到1.6mm的350，还是很稳定的。我们用的是高端设备，所以焊丝还是很好控制的。

下图是焊接铸件。焊接表面非常光亮，没有气孔。人家问我，你焊这么一个焊缝要多久？我说大概需要两秒钟。结果老师批评我们说你们这么快就能焊接铝合金了。我说，我不知道。反正只要两秒钟。

这里可以看到穿透力差的部分，手指穿透力，但是对于力量来说状态不好。这里手指穿透太大，会导致燃烧不充分，烟雾比较大。所以我们在做烟的这部分题目，是为了矫正脉冲形状。我们修正了脉冲宽度比，使电弧燃烧过程更加稳定。在稳定燃弧部分，我们单独做了一个曲线库。

我们可以看到两条不同的焊接曲线。一个是它具有短弧的特点。电弧通常会变得更柔和。在第二种方案中，如果我们使用标准脉冲，我们希望它是高而细的，这将比焊接声音更尖锐，其脉冲值将增加。所以我们可以在1.6毫米处焊接而不冒烟。我们看到这两个不同的手指，左边1.2毫米，右边1.6毫米。其实渗透深度不算太大，但是毛孔会变少。

最后看烟尘。焊接铝合金最大的问题是烟尘。我们尽量减少脉冲次数，然后让溅出的水花少一些，最后让镁元素尽量减少。在这里，我们实现了一个更柔和的曲线。整个焊接过程就是电弧被压缩在焊接保护气体范围内，这样我们可以看到焊接过程是光亮的，焊接过程是比较稳定的。

以上是我们在这方面的一些前瞻性研究。谢谢你。

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