宋小雨，李井泉，毛曉東，劉慶永，李秀磊，徐志強(qiáng)

（中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

汽車輕量化的發(fā)展給鋁合金材料在汽車上的應(yīng)用帶來了巨大機(jī)遇。由于鋁合金材料具有導(dǎo)熱率高、導(dǎo)電性好、氧化性強(qiáng)以及線膨脹率系數(shù)大等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊容易在焊縫區(qū)域出現(xiàn)氣孔、變形以及裂紋等問題，難以保證鋁合金車門結(jié)構(gòu)件的牢固連接[1-2]。目前鋁合金車門主要采用SPR 工藝、FDS 工藝與膠接工藝結(jié)合的方式[3]，連接強(qiáng)度可靠，可以滿足鋁合金車門的連接性能要求。

車門窗框造型及尺寸對(duì)駕駛員的視野、乘客的舒適感有較大影響，所以傳統(tǒng)車門內(nèi)板和窗框?qū)к壌罱舆呴L(zhǎng)度通常設(shè)計(jì)較小，約為8~10 mm。受材料性能影響，鋁合金車門主要采用膠鉚連接，但車門窗框?qū)к壧幍拇罱舆厡挾葻o法滿足自沖鉚接SPR工藝要求（大于20 mm），容易發(fā)生鉚接失效，因而無法保證連接點(diǎn)強(qiáng)度。同時(shí)，采用自沖鉚接在導(dǎo)軌外側(cè)會(huì)存在1~2 mm 高的鉚接凸點(diǎn)，導(dǎo)致玻璃尼槽的唇邊安裝不平順，存在影響車門玻璃平順運(yùn)行及損害玻璃尼槽使用壽命等問題。

基于以上問題，本文探討了在某鋁合金車門窗框?qū)к壟c車門內(nèi)板搭接處采用孔塞焊的形式，不僅解決了由于搭接邊寬度小，鉚接質(zhì)量無法保證的問題，同時(shí)也解決了鉚釘凸點(diǎn)影響車門玻璃平順運(yùn)行及損害玻璃尼槽使用壽命的問題。

1 鋁合金車門玻璃導(dǎo)軌連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車門內(nèi)板與玻璃導(dǎo)軌連接處的設(shè)計(jì)要考慮側(cè)視野的開闊性、玻璃尼槽的安裝、導(dǎo)軌連接處的強(qiáng)度等因素。某鋁合金車門玻璃導(dǎo)軌連接處的結(jié)構(gòu)由車門內(nèi)板和鋼制玻璃導(dǎo)軌組成（見圖1（a）），且此處通常采用自沖鉚接和膠粘配合連接。經(jīng)過測(cè)量現(xiàn)有車門數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)車門內(nèi)板與導(dǎo)軌連接處的有效搭接邊尺寸L無法滿足SPR工藝操作的空間要求，如圖1（b）所示。因此，在不改變窗框尺寸和搭接邊長(zhǎng)度的情況下，如何實(shí)現(xiàn)玻璃導(dǎo)軌處的有效連接是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題

圖1 窗框結(jié)構(gòu)及斷面示意圖

2 鋁合金車門玻璃導(dǎo)軌處鉚接連接

若鋁合金車門玻璃導(dǎo)軌處采用膠鉚連接工藝，需要滿足的最小搭接邊為20 mm。而現(xiàn)有窗框搭接尺寸L 為10 mm，無法滿足SPR 連接工藝要求，如圖2（a）所示；若直接加大搭接邊寬度L，窗框開口尺寸會(huì)相應(yīng)減小從而影響側(cè)視野范圍；L向空腔方向加大，斷面空腔面積減小會(huì)降低窗框結(jié)構(gòu)剛度。由此可見，二者任一結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)都會(huì)影響整車舒適性和安全性[4-6]。

圖2 鉚接工藝示意圖

3 鋁合金塞焊形式的應(yīng)用

基于玻璃窗框搭接邊寬度不能滿足鉚接SPR工藝要求，同時(shí)又不能更改窗框開口尺寸和窗框斷面空腔面積的情況下，本文利用孔塞焊連接形式替代鋁合金膠鉚連接，不僅解決了窗框結(jié)構(gòu)空間受限問題，同時(shí)保證了連接強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)車門整體安裝強(qiáng)度的安全。

3.1 窗框?qū)к壧幦肝恢眉皬?qiáng)度要求

塞焊的一般布置間距為（80±10） mm，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后根據(jù)性能分析適當(dāng)微調(diào)，具體參見圖3。

圖3 塞焊位置示意圖

建立車門總成分析模型，見圖4。車門可靠性強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)見表1。利用Hypermesh 軟件進(jìn)行可靠性強(qiáng)度分析，獲得車門窗框?qū)к壧幦肝恢玫膽?yīng)力值分布，如圖5所示。

表1 可靠性強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)

圖4 車門總成分析模型

圖5 塞焊位置應(yīng)力分析結(jié)果

結(jié)合車門窗框?qū)к壧幍氖芰r，選取最大載荷進(jìn)行分析，最終獲得車門窗框?qū)к壢肝恢锰幍淖畲髴?yīng)力值為31 MPa，應(yīng)力較小。

3.2 塞焊強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證采用塞焊工藝的可行性，按照該車門所用的板材材質(zhì)和厚度設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案：采用鋼板DC01-0.7 mm和鋁板AL5182-1.5 mm試樣進(jìn)行塞焊連接，試樣尺寸為120 mm×40 mm；通過改變?nèi)缚椎男螤畛叽缂叭阜较?，獲得不同參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。采用圖6所示的兩種連接形式測(cè)試連接點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

圖6 強(qiáng)度試驗(yàn)

結(jié)合表2 和圖7 可以看出，塞焊孔形狀采用長(zhǎng)圓孔時(shí)連接強(qiáng)度較高，而長(zhǎng)方孔在尖角處存在應(yīng)力集中，鉚點(diǎn)處板材脫落現(xiàn)象明顯，對(duì)連接強(qiáng)度有削弱影響。

表2 塞焊孔形狀尺寸對(duì)接頭強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖7 塞焊孔形狀尺寸對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

結(jié)合表3 和圖8 可以看出，采用鋁板開孔而鋼板不開孔的塞焊方式時(shí)，失效形式均為焊點(diǎn)脫落，連接強(qiáng)度較差，應(yīng)避免采用。這主要是因?yàn)殇摪迮c鋁板的熔點(diǎn)差異較大，出現(xiàn)了鋁合金熔化時(shí)鋼板未焊透的情況。當(dāng)采用鋼板開孔與鋁板不開孔的塞焊方式時(shí)，失效形式均為板材撕裂，連接位置性能良好，且在塞焊孔邊緣出現(xiàn)了自鎖凸起，進(jìn)一步增加了強(qiáng)度。

表3 塞焊開孔方式對(duì)接頭強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖8 塞焊開孔方式對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

通過對(duì)塞焊孔形狀尺寸、塞焊開孔方式對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究及試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可見，二者對(duì)連接強(qiáng)度的影響較大。

（1）通過對(duì)圓形、長(zhǎng)圓形、長(zhǎng)方形塞焊孔的連接強(qiáng)度試驗(yàn)分析，塞焊孔的形狀應(yīng)優(yōu)先采用長(zhǎng)圓孔。結(jié)合連接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及鋁合金焊接熱變形的情況，在車門窗框?qū)к壌罱舆呏挥?0 mm 的長(zhǎng)度下，最終確定長(zhǎng)圓孔的尺寸為6 mm×8 mm。

（2）采用鋁板開孔與鋼板不開孔的塞焊方式時(shí)，失效形式均為焊點(diǎn)脫落；采用鋼板開孔與鋁板不開孔的塞焊方式時(shí)，失效形式均為板材撕裂；根據(jù)連接強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，最終采用鋼板開孔與鋁板不開孔的塞焊方式。

（3）在鋁合金車門窗框處的有效搭接邊只有10 mm的前提下，采用孔塞焊方法不僅實(shí)現(xiàn)了鋁合金車門內(nèi)板與鋼制玻璃導(dǎo)軌的有效連接，保證連接強(qiáng)度，同時(shí)也為鋁合金車門在鉚接空間不足的位置提供了一種新的連接方法。