楊金秀　呂奉陽　羅培鋒　陳東

摘 要：為了滿足鋁合金車身零部件的連接需求，急需開發(fā)和掌握鋁合金車身連接技術(shù)。本文將鋁合金車身連接技術(shù)分為機械連接、焊接、粘接三大類，分別介紹了工藝原理、技術(shù)特點及應用實例，對后續(xù)新開發(fā)車型車身連接方式的選擇具有一定的借鑒和指導意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金;連接技術(shù);機械連接;焊接;粘接

1 前言

鋁合金目前已成為僅次于鋼材的第二大車身材料。應用鋁合金的目的是為了降低新能源應用帶來的整車重量的增加。與鋼材相比，鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、加工成形性好、比強度和比剛度較高、回收利用率高等優(yōu)點。車身用鋁合金一般分為鋁合金板材、鋁合金型材和鋁合金鑄件三類。鋁合金板材主要用于車身外覆蓋件。鋁合金型材主要用于前后防撞梁、門檻梁、縱梁、橫梁等斷面規(guī)則的簡單結(jié)構(gòu)件。鋁合金鑄件主要用于功能集成的復雜結(jié)構(gòu)件。

鋁合金的大量應用在實現(xiàn)車身輕量化的同時，也對現(xiàn)有車身連接技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，全鋁車身、鋼鋁混合車身以及多材料復合車身的零件連接，不僅涉及鋁合金的同材連接，也涉及鋁合金與鋼材、鋁合金與其它輕質(zhì)材料之間的異材連接。鋁合金車身連接技術(shù)主要有三類：機械連接、焊接和粘接[1]。

2 機械連接技術(shù)

2.1 自沖鉚接（SPR）

自沖鉚接又稱鎖鉚，英文簡稱SPR（Self-piercing Rivet），是通過鉚釘穿透上部板材并與底層板材形成可靠互鎖結(jié)構(gòu)的冷成型工藝[2]。自沖鉚接的工藝過程包括四個階段：夾緊、刺穿、擴張、成型，如圖1所示。

SPR具有對板材種類適應性強，接頭機械強度高，不會破壞表面涂層等優(yōu)點，但存在鉚釘成本較高，無法進行低塑性、低延展性板材的連接等問題。SPR的主要應用領(lǐng)域為車身板材零部件間的連接。圖2為SPR在凱迪拉克CT6車身頂蓋及側(cè)圍區(qū)域的應用。

2.2 無鉚連接（Clinch）

無鉚連接又稱壓鉚，英文簡稱Clinch或TOX，是通過模具對被連接板材施加壓力，利用板材的冷變形充盈模具型腔，從而實現(xiàn)板材間鑲嵌、互鎖的一種連接工藝。具體過程分為板料預備、壓入成形、板材塑性成形、接頭保壓、退模等階段[3]，如圖3所示。

無鉚連接不消耗鉚釘，成本較低，但接頭強度相對較低，在車身上的應用僅限于一些非承載部位，如行李箱蓋、發(fā)動機罩、包裹架等。圖4為無鉚連接在奧迪A6包裹架區(qū)域的應用。

2.3 流鉆螺釘（FDS）

流鉆螺釘，也稱為熱融自攻絲，英文簡稱FDS（Flow Drill Screw），是通過螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)摩擦生熱軟化板材，在軸向載荷作用下，自攻絲并形成緊密螺紋連接的冷成型工藝。FDS工藝過程包括六個階段：旋轉(zhuǎn)加熱、穿透、通孔、攻螺紋、擰螺紋、緊固，如圖5所示。

FDS為單面連接技術(shù)，可實現(xiàn)板件與封閉型材件的連接，可連接材料種類多，具有可拆卸性。不足之處是螺釘成本較高，單面連接需要高強度剛性支撐，連接完成后材料正反面均有較大凸起。FDS連接工藝一般用于車身板材與梁類件、型材件以及鑄鋁件間的連接，如側(cè)圍與門檻梁的連接。圖6為FDS在捷豹I-Pace門檻區(qū)域的應用。

2.4 螺紋連接

螺紋連接是通過螺紋和螺紋連接件來實現(xiàn)的機械連接工藝，通過擰緊力矩控制軸向預緊力，保證被連接件所需的夾緊力。螺紋連接具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點，缺點是緊固件選擇不當容易出現(xiàn)力矩衰減、螺紋連接失效等問題。螺紋連接主要應用于鋁合金車身型材類零件間的連接。捷豹I-Pace鋁合金前防撞梁與車身縱梁采用螺紋連接，如圖7所示。

3 焊接技術(shù)

3.1 鋁點焊

點焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩柱狀電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點的電阻焊工藝[4]。鋁點焊工藝過程如圖8所示。

鋁點焊易產(chǎn)生焊點質(zhì)量不穩(wěn)定、電極易燒損的問題，鋁點焊必須采用大電流短時間、多脈沖、大電極壓力。目前較為成熟的鋁點焊工藝有：通用MRD電極鋁點焊和伏能士Delta Spot電極帶式鋁點焊。鋁點焊工藝在車身上的應用主要集中在門蓋、側(cè)圍等外覆蓋件、車身骨架及地板類零件的連接。圖9為鋁點焊在特斯拉Model S車型A柱區(qū)域的應用。

3.2 激光焊接

激光焊接是以高能量密度的激光束為熱源，通過工件吸收激光獲得能量來加熱材料至熔化，待材料在液態(tài)下相互混合、冷卻凝固后形成熔合焊縫完成連接的一種工藝[5]。激光焊接的工藝原理如圖10所示。

激光焊接易于采用數(shù)控方式實現(xiàn)高速自動化焊接，熱影響區(qū)小，焊縫成型美觀，可用于鋼鋁異種材料的連接。缺點是成本高、對車身零件的尺寸精度要求高。激光焊接在車身上的應用主要有：頂蓋與側(cè)圍的激光焊、行李箱蓋的激光焊、毛坯板料的激光拼焊板等。圖11為激光焊接在凱迪拉克CT6頂蓋區(qū)域的應用。

3.3 冷金屬過渡弧焊（CMT）

冷金屬過渡弧焊，英文簡稱CMT（Cold Metal Transfer），是由奧地利Fronius公司研發(fā)的一種無焊渣和飛濺的新型焊接工藝技術(shù)，將送絲與熔滴過程進行數(shù)字化協(xié)調(diào)，數(shù)字式焊接控制系統(tǒng)根據(jù)電弧生成的開始時間自動降低焊接電流，直到電弧熄滅，待熔滴落下后再次升高電流，焊絲向前送出，循環(huán)往復完成連接。CMT工藝過程如圖12所示：電弧引燃，向前送絲;熔滴短路，電弧熄滅;焊絲回抽，促使熔滴脫落;向前送絲，焊接過程循環(huán)[6]。

CMT焊接電弧穩(wěn)定，焊接過程無焊渣和飛濺，焊焊接質(zhì)量高，焊縫美觀，焊接成本低于激光焊接，可實現(xiàn)鋁合金薄板及鋼鋁異種材料的焊接。主要用于車門、頂蓋等外觀要求高的部位。特斯拉Model S車身大量使用了CMT焊接工藝，如圖13所示。

3.4 攪拌摩擦焊（FSW）

攪拌摩擦焊，英文簡稱FSW（Friction Stir Welding），是英國焊接研究所于1991年提出的一種新型固相連接技術(shù)。FSW是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具壓入待焊母材，借助旋轉(zhuǎn)接觸摩擦熱將工件加熱至塑性軟化區(qū)，最終冷卻形成有效連接的一種固相連接工藝。FSW的焊縫形成工藝過程可分為旋轉(zhuǎn)、壓力插入、塑性軟化以及焊接四個階段，如圖14所示。

FSW不需要填充材料和保護氣體，焊件尺寸精度高，焊縫質(zhì)量好，焊接過程中不產(chǎn)生弧光輻射、煙塵和飛濺，噪聲低。缺點是缺乏柔性，焊接頭的磨損相對較高，焊接時的機械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性。根據(jù)焊縫的形成軌跡不同，攪拌摩擦焊可分為攪拌摩擦縫焊和攪拌摩擦點焊兩大類。攪拌摩擦縫焊主要用于型材或較厚板材類零件間的連接，如副車架、電池托盤等。攪拌摩擦點焊主要用于鋁合金薄板類零件間的連接，主要應用區(qū)域包括前圍板、后門框以及發(fā)罩內(nèi)板等。圖15為FSW在雅閣副車架上的應用。

4 粘接技術(shù)

粘接技術(shù)是使用規(guī)定的粘接劑通過一定的，受控的工藝流程及相應施工方法將兩個或多個零件，通過粘結(jié)手段長期或永久結(jié)合起來的技術(shù)措施。

粘接技術(shù)應用范圍廣，適用材料種類多，載荷分布均勻，疲勞強度高，零件變形小，具有良好的密封、隔音減振、耐腐蝕性。不足之處是粘接接頭抗剝離和抗沖擊能力差，有機粘接劑易老化、耐熱性差，無機粘接劑性能脆。粘接技術(shù)一般不單獨應用，對于鋼鋁混合車身及多材料復合車身，目前多采用粘接+機械連接或粘接+焊接的形式，如結(jié)構(gòu)膠+SPR、結(jié)構(gòu)膠+FDS、結(jié)構(gòu)膠+鋁點焊等。圖16為結(jié)構(gòu)膠在捷豹XJ上的應用。

5 結(jié)語

車身輕量化需求提高了鋁合金的應用比例，傳統(tǒng)的鋼制車身向鋼鋁混合車身及多材料復合車身發(fā)展，車身連接技術(shù)從傳統(tǒng)的鋼點焊向多元化連接技術(shù)發(fā)展。材料的多樣化對車身連接技術(shù)的選擇和應用提出了新的挑戰(zhàn)，如何將合適的材料用在合適的部位并采用合適的連接技術(shù)，需要根據(jù)輕量化技術(shù)路線、成本策略及連接技術(shù)的工藝特點、適用條件等因素進行綜合考慮。

參考文獻：

[1]崔穎，周林柱，于琪明.鋁合金車身連接技術(shù)[J].汽車工藝師，2018（12）：28-33.

[2]張林陽.全鋁及鋼-鋁混合車身輕量化連接技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2018（07）：1-8+14.

[3]段吉超，楊冰，張乙琳，秦興國.多材料車身機械點連接技術(shù)的應用[J].汽車科技，2017（06）：75-81.

[4]張琪，葉鵬程，楊中玉，任小靈.汽車輕量化連接技術(shù)的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].有色金屬加工，2019，48（01）：1-9.

[5]李巖，胡志力，于海洋，龐秋.鋁與鋼異種材料連接技術(shù)及其研究進展[J/OL].材料導報：1-31[2019-09-11].http：// kns.cnki.net/kcms/detail/50.1078.TB.20190822.1113.002.html.

[6]覃鑫，江崧，劉建.電動汽車輕質(zhì)材料連接工藝的探討[J].汽車工藝師，2017（11）：55-58.