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        鋁合金車身連接技術(shù)及應用實例

        2019-12-10 09:08:14楊金秀呂奉陽羅培鋒陳東
        時代汽車 2019年16期
        關(guān)鍵詞:焊接鋁合金

        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.

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