鞠慧　李鷹　吳小龍

摘 要：隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金在汽車車身上的應用日趨普遍，鋼-鋁混合車身是未來的發(fā)展趨勢。與之對應的連接技術也成為鋼-鋁車身制造必備的知識點。本文主要介紹了常用的5種鋼-鋁車身連接技術，闡述了其原理、應用及質量評價，為鋼-鋁車身制造評價提供參考。

關鍵詞：鋼—鋁車身;連接技術;質量評價

汽車輕量化是當前汽車發(fā)展的重要趨勢，鋁鎂合金因其密封低、比強度高，在汽車車身中得以應用。在一些豪華品牌中，甚至采用了全鋁車身以實現(xiàn)優(yōu)良的減重效果。近年來，隨著碰撞法規(guī)的日趨嚴格，許多車企悄然改變看法，擯棄原先全鋁框架車身，引入鋼零件，典型的案例如奧迪A8。綜合考慮輕量化的成本和性能，把合適的材料用在合適的地方，通過鋼-鋁材料混用有效實現(xiàn)車身輕量化與成本的平衡。

然而，鋼-鋁混用對傳統(tǒng)鋼車身焊接技術提出了挑戰(zhàn)，不同材料在性能上存在較大差異導致傳統(tǒng)點焊工藝難以實現(xiàn)可靠連接。鋼-鋁連接技術也成為車身相關技術人員必備的知識點。為此，本文對車身常用的鋼-鋁連接技術的原理、應用及質量評價進行介紹和探討，為鋼-鋁車身的制造評價提供參考。

1 鋼車身與鋁車身連接工藝對比

由于鋁合金焊接性能遠低于低碳鋼，連接工藝也不同于鋼制車身。目前主流鋁連接工藝主要有三類：

（1）機械連接：無鉚連接Clinch、自沖鉚接SPR、熱熔自攻絲FDS、高速射釘鉚ImpAcT等。

（2）焊接：鋁點焊，攪拌摩擦焊FSW、激光焊、冷金屬過渡焊CMT等。

（3）粘接：與機械連接、焊接復合使用，與傳統(tǒng)車身基本相同。

圖1為某鋼-鋁車身連接工藝，其采用了十余種連接工藝，其中Clinch、SPR、FDS、CMT是鋼-鋁車身常用的連接技術，本文對此重點介紹。

2 主要鋁連接技術介紹

2.1 Clinch無鉚連接

無鉚連接工藝原理是通過材料局部冷成型將鈑金連接在一起，兩層或多層之間會產生互鎖壓鉚。其工藝過程為：首先通過沖頭將連接材料壓入底模內。當底層材料剛接觸到底模座時，在沖頭施加的壓力作用下，底模座開始向外側滑動。底模活動部分被向外推出，材料的流動形成了按鈕狀的壓鉚點，然后沖頭返回至起始位置，取出工件，底模的外側部分在彈簧的作用下退回，如圖2。

無鉚釘鉚接工藝工藝過程簡單、成本低，在汽車車身中廣泛應用。由于其靜態(tài)強度和疲勞強度都較低，通常只應用于行李箱蓋、發(fā)動機罩、后輪罩等非承載部位。無鉚連接的鉚點質量可通過外觀和金相兩種檢測方式。外觀檢測，目視檢查連接點數量、位置、裂紋、開裂、咬合方向、表面飛濺;利用游標卡尺測量咬合點位置、外徑d、對稱性;利用測厚儀測量咬合點底厚tb。金相檢測觀察剖切面，關鍵尺寸指標如圖2。要求徑部無裂紋、凸模側無裂紋、墩頭無開裂;底厚tb在產品圖紙或焊接工藝文件的理論底厚公差范圍內，外徑d在公差范圍（-0.5mm，+2.0mm）內等。

2.2 SPR自沖鉚接

SPR（Self-Piercing Riveting）的原理是半空心鉚釘在沖頭的作用下，穿透上層板材并在底層板材形成互鎖，鉚釘在沖棒的作用力和底模的反作用下，在板材中間延展發(fā)生永久性塑性變形的鉚釘連接過程。其工藝過程主要分為定位、預壓、夾緊、沖裁、擴張和成型6個階段，工藝過程及檢測標準示意，如圖3。

SPR鉚接力學性能優(yōu)良，疲勞壽命較高，被廣泛應用于鋁/鋼等異質材料以及多層板的連接。在應用中有以下特點：（1）適用于鋁-鋁連接、鋼鋼連接、鋼-鋁連接等不同組合連接。（2）板材搭接原則是“從薄到厚，從硬到軟”，具體要求為：兩層板搭接時，下層板的厚度至少為總厚度的1/2以上;三層板搭接時，下層板的厚度至少為總厚度的1/3以上;強度高的材料要位于沖模側，強度低的材料要位于凹模側。不同材質、不同厚度的接頭需使用不同的鉚釘、底模組合。

SPR接頭的質量檢驗主要有外觀檢驗、金相檢驗、強度檢驗、CT檢驗四種方式。外觀主要有：數量、連接方向、位置、剩余底部厚度、模具壓印;卡尺測量鉚釘至邊界距離和至圓弧距離以及頂厚。金相主要評價指標：（1）互鎖值a1/a2不能過小，對于不同直徑的鉚釘，最小互鎖值不同。比如直徑為5mm的鉚釘，一般要求a1/a2值>=0.12mm。（2）鎖鉚的頂厚K（高出板材的厚度）不可過高亦不可過低（低于板材的厚度）。同樣以5mm鉚釘為例，K>=-0.2mm<=0.3mm。（3）下板材剩余底厚不能過薄或被鉚釘穿透，對于5mm鉚釘，tmin>=0.15mm。（4）板材和鉚釘的裂紋檢查，鉚釘腿部不能有裂紋，板材中裂紋不能穿透。（5）鉚接底部的旋轉對稱性檢查等。以上數值依鉚釘直徑和具體圖紙而定。此外，還可以進行拉拔力、剪切力、剝離力測試。

2.3 FDS熱融自攻釘連接

FDS（Flow Drill Screw）熱融自攻釘連接技術，也稱自旋鉆孔螺絲連接技術。其工藝原理是專用自攻釘高速旋轉軟化被連接材料，同時在巨大的軸向壓力下擠壓并攻絲旋入實現(xiàn)螺紋連接。其工藝過程分為6個

步驟：定位預熱-熱熔穿透-錐孔成型一螺紋形成一螺釘擰入一緊固落座，如圖4。

FDS工藝在應用中有以下特點：（1）單面可達即可完成連接，降低了對鉚接空間的需求，適用于板材與型材等管狀封閉結構的連接。（2）連接可拆卸，不合格的連接點可以更換更大直徑的螺釘進行返修。（3）可結合涂膠工藝，實現(xiàn)異種材料的連接。FDS在工藝應用中也存在一些挑戰(zhàn)：（1）強度，當下層連接板材料較薄時，下層板與FDS螺釘相接觸可能僅有1～2圈螺紋，從而導致接頭正拉強度較低。（2）防腐，由于下層板被穿透，材料鍍層被破壞，下層板與FDS 螺釘間的空隙容易使腐蝕介質進入，導致接頭容易出現(xiàn)電化學腐蝕問題。FDS的檢測一般通過外觀檢測和金相檢驗兩種。外觀主要有：數量、連接方向、位置、螺釘頭高出板材量（一般要求低于0.05mm），邊距等。金相主要評價指標：（1）不能有損壞螺紋（2）有效螺紋長度足夠（3）濕區(qū)有效覆蓋（4）連接板材的間隙不能過大，一般<=0.2mm（5）鉚釘對稱不偏心等。

2.4 CMT冷金屬過渡焊

CMT（Cold Metal Transfer）冷金屬過渡技術是MIG焊的一種特殊形式，工作原理是通過數字化協(xié)調送絲與熔滴過程實現(xiàn)，其工藝過程可分為4個步驟：電弧引燃、送絲一熔滴短路、電弧熄滅一焊絲回抽、熔滴脫落一向前送絲繼而循環(huán)，如圖5。

CMT冷金屬過渡焊設備成本相對低，整個焊接過程冷熱交替循環(huán)往復，可大幅降低焊接過程的熱輸入，方便實現(xiàn)無飛濺焊接，且在焊接夾具的作用下，鋁工件熱變形量小，并且可實現(xiàn)鋁合金與鍍鋅鋼板間的異種金屬混合連接。CMT工藝比較成熟，一般通過表面質量進行檢查。但CMT由于其工藝特點，焊縫表面質量不太美觀，經常伴有夾渣、咬邊、氣孔等外觀缺陷的存在，因而其一般不作為汽車外覆蓋件連接的首選工藝，一般用于地板、車身骨架、結構件的連接。有的主機廠在側圍落水槽也采用了該項技術。

3 FSW攪拌摩擦焊

除以上四種，F(xiàn)SW攪拌摩擦焊也是當前應用比較廣泛和成熟的鋁-鋁、鋼-鋁連接工藝。工作原理是高速旋轉的硬質攪拌頭壓入待焊母材，與被焊金屬摩擦生熱，使其加熱至塑性軟化區(qū)，在熱-機聯(lián)合作用下形成致密的組織結合，最終冷卻形成緊密連接的一種固相連接工藝，如圖6。攪拌摩擦焊的焊接質量比較穩(wěn)定，焊接截面金相檢測組織結構致密。攪拌摩擦焊強度基本上可以達到與母材相一致，具備高的抗拉強度;焊縫熱變形小、熱應力小，焊縫表面平整;焊縫中不存在氣孔、疏松，氣密性及水密性好;無需外加熱，生產中易控制，尺寸公差小，適合自動化操作;可以焊接長直的焊縫和復雜的樣式。攪拌摩擦焊主要用于型材或者較厚板材類零件間的連接，如高鐵車身、電動車電池托盤等。

4 結語

隨著汽車輕量化和電動化的發(fā)展，鋁合金的應用日趨廣泛。新的連接技術服務于車身材料及結構設計隨之應用，當前多數主機廠的連接技術應用還不是很成熟。只有加快連接工藝的探索和研究，克服工藝實現(xiàn)及質量檢驗的難點，才能使新材料的應用更加廣泛。

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