驾乘世界
的应用现状及发展趋势
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文/胥鑫 刘成财 张珈硕近年来，随着新能源技术的推进与发展，新能源汽车的制造水平也在提高。
作为汽车制造业的重要一环，新能源汽车制造业也已不再满足于传统的焊
接技术，取而代之的是新技术的注入。为此，针对搅拌摩擦焊、冷金属过
渡焊接、激光焊接等新兴焊接技术在新能源汽车行业的应用进行分析，并
展望了在新能源汽车产业中焊接技术的发展趋势。
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在当下全球实现碳达峰和碳中和的大目标下，没有传统燃油车汽车的尾气排放，使用清洁能源的新能源汽车作为可持续发展的重要组成部分，其发展与实现低碳经济、能源结构调整、环境保护等目标密切相关。同时，新能源汽车的发展需要各种技术的创新，如电动机、电池、充电技术等，这些技术的发展和应用将会推动制造业的技术进步和多种产业转型升级。在此背景下，我国也将新能源汽车的研发列入战略性产业，并为新能源汽车投入市场提供足够的宣传和政策补贴，从而促进汽车产业升级和发展。
焊接技术的重要意义
新能源汽车与传统燃油车相比，具有较高的安全性、能效和环保性能，其制造涉及多种材料和结构，其中包括铝合金、碳纤维、玻璃钢等轻量化材料和各种电气元件。在新能源汽车的生产制造过程中，焊接技术是至关重要的一环。所谓焊接，又称熔接，指通过加热或加压或两者并用使金属间或非金属间或金属与非金属间达到原子间结合的加工工艺。作为新能源汽车制造中关键的环节，选择合适的焊接工艺对新能源汽车生产有着重要的意义。
结合现代科技发展数据化，自动化，综合化的大趋势，各类新型焊接技术出现并被应用，这极大地提高了焊接水平，使更为优质的焊接产品的出现成为可能。目前，国内外使用的冷金属转移焊接，激光焊接等新技术促进了新能源汽车制造业的长足进展。
搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊是固相连接工艺中的一种，也称为摩擦搅拌焊或摩擦搅拌连接，其利用摩擦工具以一定的转速和压力施加于工件表面，产生强烈的摩擦热和塑性变形，使金属表面在高温下流动和交错，达到焊接的目的，是一种高效、环保和节能的焊接技术。在1991年，英国焊接研究所（发明了搅拌摩擦焊并于次年申请发明专利。2002年，搅拌摩擦焊技术正式引进中国；2003年，第一台搅拌摩擦焊设备引入哈尔滨工业大学，这是搅拌摩擦焊正式进入中国市场的标志。随后国内各大高校与研究所也相继引
进搅拌摩擦焊设备并对其理论进行研究。江苏科技大学使用超高转速（rpm>10000r/min），机器人搅拌摩擦焊辅助水冷措施实现了2024铝合金薄板的焊接；哈尔滨工业大学威海分校周利等人采用摩擦堆焊预制铝/钢界面，再进行铝/钢搭接搅拌摩擦焊，为解决异质材料搅拌摩擦焊提供了新思路。
搅拌摩擦焊工作可以分为三个阶段：加热阶段、搅拌阶段和焊接阶段。首先，加热阶段通过旋转和下压作用将两个需要连接的金属件紧密贴合，并施加一定的轴向力，使它们产生摩擦热，随着摩擦热的增加，金属材料表面产生塑性变形，并形成一层摩擦热润滑层，此时，金属表面接触面积的减小和摩擦热的增加会导致焊缝处温度快速升高。当温度达到一定程度时，金属材料表面开始熔化，产生局部熔化区域。接着，搅拌阶段开始，通过施加旋转和搅拌力，可以将两个金属件混合在一起，使它们的组织均匀混合。同时，搅拌还可以促进金属材料中的氧化物、气体等杂质排出，从而提高接头的强度和密封性。最后，焊接阶段，当金属材料的温度达到一定程度时，施加的力量就会使得金属材料发生形变，将材料彼此连接。在搅拌摩擦焊过程中，焊接区域的塑性变形会促进金属原子间的扩散和互相交错，从而使得接头的强度得到提高。焊接完成后，焊缝处会发生冷却和固化，从而形成一个坚固的固态连接。
搅拌摩擦焊由于其无需填充材料且焊接温度较低，对材料的物理和化学性能产生影响小，而且不需要进行保护气体或者保护措施，不易产生气孔、裂纹等缺陷，从而提高焊接质量。而且因为不需要焊接材料，且易自动化操作，可以降低生产成本。但随着技术的应用，搅拌摩擦焊接的流程较长，工艺要
求严格等缺点也逐渐暴露出来。
新能源汽车轻量化的发展方向决定了搅拌摩擦焊技术在其制造应用中的重要性。在当前新能源汽车制造业中，搅拌摩擦焊技术具体应用主要包括：铝合金轮毂、发动机与底盘的托架、空间构件、电池下壳体、传动装置、汽车底盘等。随着搅拌摩擦焊技术的发展，其必然会再新能源汽车领域有更进一步的发展。
冷金属过渡技术
冷金属过渡技术是电弧焊的一种，其特点是在焊接过程中通过快速切断电弧并对电弧重新激发，实现了金属材料的低热输入、无飞溅的焊接，从而避免了传统焊接过程类似如氧化、变形、裂纹等问题。在2000年，奥地利Fronius推向世界市场，2002年开发CMT焊接系统并将改技术应用于生产。Feng等使用CMT技术对纯铝板进行焊接，得到了性能良好且接头美观的接头，并发现低热输入对接头的性能更加有利；Mezrag等发现短路频率较高时，同等沉积率下，传递到金属的热低。
CMT焊技术在焊接过程中，将熔滴金属向焊接熔池过渡过程和送丝机构的送丝运动相结合。于焊接开始时向前送丝引燃电弧，焊丝受热熔化以熔滴形式向熔池过渡，随着熔滴进入熔池，电弧熄弧，电流不断减小，最终导致短路。当短路发生时，短路信号被CMT焊机电源的DSP处理器检测到，同时将信号传递到送丝机构，送丝机构收到信号后即刻进行响应，进行焊丝回抽运动使熔滴与焊丝段脱离保证
熔滴在无电流条件下进入焊接熔池。接着，送丝机构继续向前送丝，重新引燃电弧进行焊接，以此往复，最终实现焊接过程。
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CMT焊接基于其独特的性能，在异种金属焊接中有着独特的优势，其中铝钢合金应用范围最广，不仅材料性能好，而且重量相较传统合金还低，常常应用在新能源汽车的车身制造。CMT焊接低热输入的特点在增材制造方面也有很广的应用前景，虽然CMT焊接出现时间较短，研究较少，但其潜在的应用和经济效益极大，发展前景出，有关的基础和应用研究在未来必然有一席之地。
激光焊接技术
激光焊接技术是一种高能电子束焊接方法，其热源为具有高能量密度的激光束，激光作为一种高能量密度的电磁波，具有高聚焦度、高直线度和高可控性等特点。在激光焊接过程中，首先将激光能量聚焦到工件表面的焊接区域，将工件表面加热至熔点或汽化点，从而形成熔池。随后，将需要焊接的工件对准焊接位置，通过合适的加压力和保护气体等条件，将两个工件熔池熔合在一起。由于其激光对被加工对象的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度都很大。激光的空间控制性和时间控制性容易控
制，使得其适合自动化操作，而且基于激光的高能量密度和高聚焦度，激光焊接可以实现高速、高精度、高质量的焊接效果。目前，激光焊接技术在全世界都有着极高的关注度，无数企业和机构投入相关研究，技术水平发展迅速。
1960年，梅曼发明了首台激光机；1962年，激光被首次应用于焊接，但由于其功率较低，焊接质量不理想，导致激光焊接技术未被广泛接受。20世纪70年代，连续波CO_2激光机被发明并投入市场，随后美国，日本，英国等发达国家便开始对连续波CO_2激光机在焊接上的使用开始了研究和改进，并发现激光束的功率、聚焦度、扫描速度、工件的材质和厚度、保护气体等参数都会在很大程度上影响焊接质量。随着研究的加深，各个焊接参数与焊接质量间的关联性已经被分析出来，通过调整焊接参数即可获得所需要的焊接接头。在政府的引导下，激光焊接进入高速发展期，直到现在各种机械制造业都可以看到激光焊接的影子。在中国，激光焊接技术方面的研究起步较晚。于20世纪90年代开始，在将传统焊接技术与其结合研究后，国内也发展出了一套属于中国的激光焊接道路，而在诸多机构中，哈尔滨焊接研究所独占鳌头。
如今，激光焊接技术在中国也已被应用于各个制造产业，其中，激光焊接新能源汽车制造业尤为重要。
电池包制造：新能源汽车的电池包通常采用铝合金、镁合金、钛合金等难以用传统的焊接方法进行连接的材料制造，而激光焊接可以实现高强度、高精度的连接，提高电池包的性能和安全性。
电机制造：新能源汽车的电动机通常需要使用激光焊接进行制造，以实现高精度、高质量的连接。激光焊接可以在电机部件的连接处产生极小的变形和残留应力，从而提高电机的效率和性能。
车灯制造：激光焊接可以用于汽车前灯、尾灯等部件的制造。激光焊接可以实现高精度、高质量的连接，并且可以减少材料的使用量和生产成本。但是激光焊接也存在着设备昂贵，参数调节困难，对夹具精度要求高等一系列问题，这使其在实际生产中具有一定的局限性。
激光增材技术
增材制造技术，是利用高能量激光束熔化金属粉末成形复杂结构金属零件的技术，分为激光选区熔化（SLM）和激光直接沉淀两种。激光选区熔化是基于分层叠加制造原理，利用高能量激光束逐层熔化金属粉末成形复杂结构金属零件。在零件已有的3D数据基础上，生成扫描路径，设备按照扫描路径，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维零件。而激光直接沉积则是激光从焊接接头顶部沿轴线方向向下射出，射在粉末聚焦点附近，将同步出射的粉末熔化。同时，焊接接头按每层零件的扫描轨迹移动，熔化的金属液就在基体或上一层凝固层基础上完成一层实体的成形，计算机继续调入下一层图形扫描数据，重复上述动作，如此逐层堆积，最终成形出一个具有完全冶金结合的金属零件。
由于激光增材具有无需摸具，尺寸限制小，可不同材料混合加工，成形组织均匀等特点，其在直接修
复组织和加固结构等方面具先天的优势。虽然该方法成形时热应力较大，成形精度不高，所得金属零件尺寸精度和表面粗糙度都较差，需较多的机械加工后处理才能使用的缺点，但具体条件不同，激光增材也会在新能源汽车产业占有一席之地。
新能源汽车产业作为新兴的制造产业，在加工制造方面综合利用国内制造技术的先进技术，在电池，车身，电机等诸多部件中都被需要焊接作为连接工序。因此，为了新能源汽车产业能有更高效、更优质的产品产出，先进的焊接技术是不可替代的。
目前，诸多新兴焊接技术改进了传统焊接技术中的诸多如气孔较多，异种金属难以焊接等不足，让焊接工艺的适应性更加广泛。但焊接技术仍有缺陷，在不同工况选择不同的焊接技术可以让焊接技术在新能源汽车制造领域有着更广泛的应用，也将使新能源产业更上一层楼。（本文作者为沈阳航空航天大学学生）
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