摘要：针对FSW(Friction Stir Welding)点焊新技术在车身铝薄板焊接中的应用进行了介绍，同时论述了其工作原理、设备构成和品质检查标准等。此外，对生产应用过程中的关键技术以及实际发生的主要品质不良问题也进行了阐述和分析，希望为今后该项技术在中国的应用提供一些参考和借鉴。

关键词：FSW摩擦点焊 铝合金 焊接工艺

1、前言

随着汽车轻量化不断发展，铝合金材料得到了广泛应用，铁-铝、铝-铝连接技术随之也得以快速发展，目前主要使用的有自冲铆接(SPR)、自攻螺钉(FDS)、铝点焊、弧焊(MIG/MAG)、激光焊接、结构胶连接等生产工艺。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding简称FSW)作为一种使用固相连接的前沿技术，以其低成本(图1)、焊接中无辅助添加物、无飞溅、无热变形以及无污染等突出优势，在国外汽车工业制造领域开始应用，但国内的汽车制造领域暂未见到应用实例。本文将详细阐述FSW点焊原理及其加工技术在日本丰田汽车公司的应用现状。

2、FSW点焊技术应用现状

2.1 FSW点焊技术概述

FSW点焊技术分为填料式和非填料式两种。以精益生产著称的丰田汽车公司结合品质、成本、生产应用等诸多因素，采用了非填料式生产工艺，并开始在全球推广使用。如图2所示，其主要工艺过程包括：第一阶段，焊枪旋转压入；第二阶段，摩擦材料软化，搅拌结合；第三阶段，焊枪拔出，焊接完成。在整个焊接过程中，只有伺服马达驱动焊枪做功，不需要冷却循环水、高压气流、大功率电流逆变器等能耗设备，与传统电阻点焊比较，降低能耗99%。

图1 丰田汽车各种焊接技术的成本比较

2.2 设备构成

FSW点焊技术目前已经在机器人自动焊接方面得到应用。FSW点焊工作站与传统自动焊接基本相同，主要由机器人本体及控制柜、FSW焊枪、夹具、工程控制柜及附属安全栅等构成。

图2 工作原理图

目前日本马自达公司在“马自达RX-8”型跑车后门框的焊接中应用了FSW点焊技术。丰田汽车公司与川崎重工联合开发了整套FSW点焊自动系统，并通过在机器人控制柜中增加扩展伺服控制单元，实现了控制柜一体化，空间集约，如图3所示

图3 设备构成图

FSW焊接系统原理图如4所示。通过在机器人控制柜内扩展FSW控制单元，对焊枪两个伺服马达进行驱动，配合机器人内部伺服单元对机器人本体驱动，实现FSW点焊。焊枪上压力传感器反馈的实际加压力与设定加压力对比，从而实现对实际加压力的修正。

图4 系统原理图

3、FSW点焊品质控制

3.1 焊点特征与材料要求

3.1.1 FSW焊点特征

如图5、图6所示，传统电阻点焊依靠板材间的熔合焊核连接，其连接强度高；而非填充式FSW焊接方式是利用板材焊点凹点四周固相连接，强度相对较低。因此，通常使用在一般焊点的地方，但在▽S焊点(安全焊点)方面一般不使用，并且限定2层板使用。

图5 传统电阻点焊截面

图6 非填充式FSW焊点截面图

表1 日本铝合金使用情况

3.1.2 FSW点焊对铝合金材料要求

FSW点焊技术对铝合金材料有要求。一般用于汽车车身铝板合金主要有2个系列，分别为5000系和6000系。日本汽车厂主要使用新日铁、神户制钢、日轻金等生产的5000、6000系列铝合金，其中5000系列非热处理合金的成型性差和加工硬化的特点，使其不适合FSW点焊；6000系列属于热处理合金，具有良好的成型性和烘烤硬化等特点，主要用于车身板件，可作为FSW点焊的主要材料。

3.2 品质保证标准

3.2.1 FSW焊点厚度管理

通过FSW点焊焊点厚度(图7左)与剪切强度关系可以发现，焊点的剪切强度与焊点厚度存在一定相关性,如图8所示。焊点切片检查固然可以直观观察到焊点固相熔合情况，但是在实际的品质检查中无法做到全部切片检查。因此在板厚一定的条件下，可通过设定FSW点焊焊点的厚度标准来间接判断焊点品质。

图7 焊点厚度与焊点结合直径示意图

图8 焊点厚度与剪切强度关系

3.2.2 FSW焊点结合直径管理

通过焊点剥离实验可以发现，焊点结合直径(图9右)与剪切强度关系基本呈线性关系，如图8所示。因此在日常管理中可同时通过焊点的剥离破坏性检查，来测量残留焊点直径，制定品质管理范围来保证强度。

3.3 日常质量检查

综上所述，品质保证体系中可通过四种方法相结合的方式进行品质检查。第一种，测量焊点厚度；第二种，进行剥离焊点，检查焊点结合直径；第三种，重要焊点切片检查；第四种，同传统电阻点焊一样，采用非破坏式凿子检查。通过制定合理的检查频率，最终维持品质的稳定，防止出现不合格品。

图9 焊点结合直径与剪切强度关系

4、生产应用关键技术

4.1 关于设备

FSW点焊焊接中，对于常见的0.8～2.5mm板材组的焊枪加压力一般在3500～6000N。焊枪在使用过程中，焊枪臂或摩擦旋转杆发生挠性形变，导致工件发生变形，引发质量问题。焊点示教时需要进行水平与上下位置修正，见图10。

图10 焊枪臂和摩擦旋转杆挠性形变导致位置偏移

在焊接过程中，在高加压力下高速旋转的摩擦杆实际会发生磨损，需要焊接前进行自动测量并进行磨损修正，图11为焊接杆图。

另外，使用中也发现旋转摩擦杆在有冷却条件下比没有冷却条件下焊点厚度以及品质更稳定，寿命更长，如图12所示。因此焊枪冷却系统的良好状态与焊枪焊接前温度监控也是必要的。

同时，制备耐高温、耐磨、端头结构合理的旋转摩擦杆也是FSW点焊技术成功的关键。

4.2 关于质量

FSW点焊常见的质量问题主要如表2所示。在日常生产中需要制定设计、生产技术和制造要件等相关标准来确保制造合格品，同时需要制定品质检查体制，来防止不合格品进入下一工序

图11 焊接杆图

图12 打点数与焊点厚度关系图

表2 主要品质不良

根据设计、生产技术和制造要件从以下各方面制定标准：a、设计合格品的条件，如焊点位置、板材材质、板材构造以及板材搭配；b，生产合格品的技术条件，优化调试出恰当的参数(焊接时间、转速、加压力)、恰当的焊接摩擦杆型号、足够的冷却时间以及合理的变形量补偿量：c、制造合格品的条件，为维持生产准备阶段所设定的设备与质量标准，需要持续监视设备相关参数、及时点检设备和更换备品，确保生产条件的一致性。

5、结束语

在节能减排、轻量化车身的大趋势下，低能耗、低环境影响的FSW点焊技术会不断发展成熟，或将成为铝合金车身制造中主流的焊接技术。通过对FSW点焊技术在实际应用过程中的经验总结以及对设备原理、品质管理方法以及相关关键技术等的阐述，希望对该项技术在国内的铝合金车身制造中得以推广应用提供一定的参考和借鉴。

来源：《汽车工艺与材料》

作者：熊容廷