江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司 曹 振

鋁合金車身結(jié)構(gòu)的連接方式分析

江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司 曹 振

文章對(duì)鋁合金車身結(jié)構(gòu)的連接方式進(jìn)行分析和探討，旨在為鋁合金汽車的研究提供理論支持。

鋁合金；汽車；車身連接；連接方式

引言

隨著人們的節(jié)能和環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，汽車行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展越來越快，各種技術(shù)日新月異，汽車車身輕量化是未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)和方向，當(dāng)汽車的車身重量降低10%，燃油的經(jīng)濟(jì)性會(huì)提高3.8%左右，一氧化碳的排放量也會(huì)逐漸減少，剎車距離減少5%左右，輪胎壽命可以提高7%左右。因此可以看出車身輕量化的重要性，達(dá)到車身輕量化目的的主要方法就是對(duì)車身結(jié)構(gòu)的材質(zhì)進(jìn)行改變，鋁合金是一種質(zhì)量較輕的材料，比傳統(tǒng)的鋼材要輕很多，采用鋁合金替代傳統(tǒng)的鋼材是最有效的方法。但是鋁合金材料應(yīng)用過程中有一個(gè)十分棘手的問題，即車身的連接，常規(guī)車身的連接主要采用電焊連接，電阻點(diǎn)焊是最主要的方式，但是由于鋁合金材料的電阻率較低，導(dǎo)熱率很高，所以采用傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊很難達(dá)到焊接牢固的目的，也很難形成合格的熔核，因此在鋁合金材料應(yīng)用過程中必須要解決車身連接問題。在鋁合金材料應(yīng)用過程中最常用的是連接，本文對(duì)兩種常見的連接方式進(jìn)行介紹，并且對(duì)連接的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。

一、鋁合金電阻點(diǎn)焊的問題

鋁合金材料與傳統(tǒng)的鋼材相比，最大的特點(diǎn)就是質(zhì)量輕，在汽車制造行業(yè)中鋁合金的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。鋁合金材料的特點(diǎn)主要有幾點(diǎn)：密度低，強(qiáng)度很高，鋁合金的強(qiáng)度接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼；塑性好，可以對(duì)鋁合金進(jìn)行各種加工，形成不同的型材；鋁合金的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及抗腐蝕性較好，在工業(yè)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，使用量很大，僅次于鋼。雖然鋁合金材料具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)上的應(yīng)用也十分廣泛，但是鋁合金材料應(yīng)用過程中遇到的問題也越來越多，比如在汽車制造行業(yè)中使用鋁合金材料，鋁合金車身的連接就是一個(gè)亟待解決的問題，傳統(tǒng)的電阻電焊模式就不適用。主要有幾個(gè)方面的問題：

第一，鋁合金容易形成低熔點(diǎn)共晶物，并且這種低熔點(diǎn)共晶物的電阻率比較大，如果采用電阻點(diǎn)焊的方式，在接觸面上會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，促使電極和工件的接觸面上出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象，并發(fā)生較為劇烈的共晶反應(yīng)，導(dǎo)致電極和工件之間出現(xiàn)粘連，焊點(diǎn)表面的質(zhì)量較差。

第二，熔核尺寸波動(dòng)大。對(duì)鋁合金材料進(jìn)行電阻電焊的時(shí)候，電極和工件接觸面上的局部熔化、電極與工件的粘連，會(huì)導(dǎo)致電極表面的連續(xù)性被破壞，在連續(xù)點(diǎn)焊的過程中電極表面的不連續(xù)性具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，所以導(dǎo)致電極與工件之間以及工件之間的接觸狀態(tài)不穩(wěn)定，連續(xù)點(diǎn)焊中熔核直徑波動(dòng)較大，焊接不牢固。

第三，鋁合金點(diǎn)焊質(zhì)量控制難度大。由于鋁合金材料的電阻率較低，阻溫系數(shù)也比較小，從常規(guī)室溫到熔化溫度，鋁合金材料的電阻率的變化幅度僅為3倍左右，所以對(duì)鋁合金材料采用電阻點(diǎn)焊的方式進(jìn)行焊接時(shí)很難用焊接電參量的變化來描述焊接質(zhì)量，導(dǎo)致鋁合金電阻點(diǎn)焊過程中的閉環(huán)控制難度較大。在鋁合金點(diǎn)焊過程中出現(xiàn)的問題不僅有熔核尺寸的波動(dòng)，而且還有焊接過程中的飛濺和噴濺現(xiàn)象嚴(yán)重、焊接縫連接不嚴(yán)密等問題，所以采用點(diǎn)焊的方式對(duì)鋁合金進(jìn)行連接，遠(yuǎn)比鋼材焊接的質(zhì)量控制難度大。

二、鋁合金連接方法

電阻點(diǎn)焊不適用于鋁合金材料，針對(duì)鋁合金材料的特點(diǎn)研發(fā)出連接方法，連接是一種適用于鋁合金材料的連接方法，連接牢固。常用的連接方法有以下兩種：

（一）半空心自沖連接

半空心自沖連接是通過外力作用在SPR鉚釘上，穿透第一層材料和中間材料，并在底層材料中進(jìn)行流動(dòng)和延展，在各層結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)相互鑲嵌的塑性變形的鉚釘連接過程。這種連接方式中連接點(diǎn)是一個(gè)十分關(guān)鍵的部位，連接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度很高，還可以與粘膠工藝結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)防水、隔音和降噪等功能，在板材與板材之間的連接過程中十分使用。半空心自沖連接的方法如下：第一，使壓邊圈向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)連接材料進(jìn)行預(yù)壓緊，在預(yù)壓的過程中要防止材料在鉚釘?shù)淖饔孟孪虬寄?nèi)流動(dòng)，注意控制預(yù)壓的力度。第二，使用沖頭推動(dòng)鉚釘向下穿刺上層材料。第三，在凹模與沖頭的共同作用下，繼續(xù)對(duì)鉚釘進(jìn)行施力，使得鉚釘尾部在下層金屬中張開，形成一個(gè)喇叭口的形狀，達(dá)到連接牢固的效果。半空心自沖連接的動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度高，可以重復(fù)生產(chǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)無損連接，不同厚度的材料、不同硬度的材料之間都可以組合，而且半空心自沖連接方法的成本較低，操作過程簡(jiǎn)單，能耗較低，所以當(dāng)前在鋁合金車身連接過程中的應(yīng)用最為廣泛。

（二）高速穿刺連接

高速穿刺鉚也是通過外力對(duì)鉚釘進(jìn)行加壓，然后促使鉚釘高速穿透被連接材料，在瞬間高溫和擠壓作用下使得底層金屬發(fā)生流動(dòng)，最終流動(dòng)到鉚釘?shù)穆菅乐品N，永久鑲嵌和永久塑性。高速穿刺連接的一個(gè)最大的特點(diǎn)就是速度快，具有較高的抗拉強(qiáng)度以及抗剪切強(qiáng)度，是一種單側(cè)連接工藝，在板材與型材之間進(jìn)行連接的時(shí)候十分常用。高速穿刺連接主要分為定位、沖擊、刺穿、成型四個(gè)步驟，成型的關(guān)鍵在于要給鉚釘一個(gè)瞬時(shí)巨大的沖擊力，能夠?qū)崿F(xiàn)一次成型。高速穿刺連接的原則是從薄板沖到厚板，從硬板沖到軟板。在鋁合金車身的連接過程中也比較常用，比如車門洞內(nèi)外板與A柱、B柱之間的連接就可以采用高速穿刺連接方式，連接效果良好。

三、鋁合金MIG焊接

焊接雖然質(zhì)量控制難度較大，但是在鋁合金車身的連接過程中也有應(yīng)用，在焊接過程中要加強(qiáng)對(duì)焊接過程的控制，做好精密焊接，提高焊接點(diǎn)的牢固性。對(duì)鋁合金車身進(jìn)行焊接的時(shí)候，要根據(jù)車身結(jié)構(gòu)而定，目前全鋁車身有一種結(jié)構(gòu)形式為鋁型材組成承力框架然后再用鋁板密封，而鋁型材與鋁型材的連接方式主要為MIG連接。MIG是使用熔化電極，再外加氣體作為電弧介質(zhì)，并且對(duì)金屬熔滴、焊接熔池和焊接區(qū)高溫金屬進(jìn)行保護(hù)的一種電弧焊方法，稱為熔化極氣體保護(hù)電弧焊。這種焊接方法相對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)焊，其效果更好一些，開展鋁型材MIG焊的性能研究也是當(dāng)前鋁合金車身連接研究的重點(diǎn)。MIG焊接中使用金屬絲對(duì)傳統(tǒng)的鎢電極進(jìn)行替代，其他的材料都和TIG焊一樣。因此，在焊接的過程中，焊絲由電弧熔化之后再送入到焊接區(qū)，焊接過程中采用的熱源也是直流電弧，但極性和TIG焊接時(shí)使用的極性相反。在MIG焊接過程中使用的保護(hù)氣體也不相同，通常在氬氣內(nèi)加入1%氧氣，改善電弧的穩(wěn)定性。

四、結(jié)語(yǔ)

鋁合金是一種質(zhì)量較輕的工業(yè)材料，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼材而言，其質(zhì)量很輕，強(qiáng)度高，塑性高，在現(xiàn)代汽車制造領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。鋁合金材料具有節(jié)能、節(jié)約成本的功能，采用鋁合金材料進(jìn)行汽車制造時(shí)，對(duì)于鋁合金車身的焊接質(zhì)量控制是一個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊過程質(zhì)量控制難度較大，很多參數(shù)不易掌握?；阡X車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以采用連接方式和MIG焊接方式進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的連接，其中半空心自沖連接主要適用于板材與板材之間的連接，高速穿刺連接主要適用于板材與型材之間的連接，這兩種連接方式都比傳統(tǒng)的點(diǎn)焊連接效果好。MIG焊可以應(yīng)用于型材與型材的對(duì)接或者使用連接無法完成連接目標(biāo)的時(shí)候，但是焊接過程中熱影響區(qū)的材料性能有一定下降。

[1]康潔,陳瑋,張鐵.基于鋁合金車身結(jié)構(gòu)的連接方法研究[J].汽車科技,2017(02).

[2]宋筠毅,劉東陽(yáng),張正林.鋁合金在輕量化車身中的應(yīng)用及連接技術(shù)[J].上海汽車,2016(06).

曹振（1983－），江西南昌人，工程師，現(xiàn)職于江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，研究方向：焊裝工藝技術(shù)。