車身零部件鋁合金及鋼鋁混合連接工藝應用探討

施子音

摘要：在新材料新能源的發(fā)展趨勢下，汽車工業(yè)將面臨產業(yè)升級換代，在實現(xiàn)“鋼鋁混合材料車身結構”零部件制造中，鋁合金連接及鋼鋁混合連接技術具有重要作用。文章研究分析了五種鋁合金連接新工藝-鋁弧焊、鋁點焊、鋁螺柱焊、熱熔自攻螺絲連接（FDS）、自沖鉚接（SPR），并進行了相關應用介紹，為汽車零部件鋁合金連接提供了有效方案。

關鍵詞：車身零部件；鋁合金及鋼鋁混合連接工藝；汽車工業(yè)；節(jié)能降耗；車輛結構 文獻標識碼：A

中圖分類號：U225 文章編號：1009-2374（2016）18-0046-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.024

為解決汽車節(jié)能降耗的問題，所有汽車制造商都在通過車身整體減重來降低百公里油耗。但減重同時又必須保證汽車整體結構剛度，并提高汽車安全性能，所以整車廠通過大量使用輕質、高強材料（比如各種高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等）替代傳統(tǒng)的普通鋼材以實現(xiàn)車身輕量化，達到減重目的。鋁合金由于比重小、強度高，在顯著減重的同時仍能夠大幅提高車身零部件的剛性，所以使用鋁合金代替部分鋼材是目前汽車制造的主要減重措施。達到同樣的力學性能指標，鋁比鋼輕60%，但在承受同樣沖擊時，鋁板比鋼板多吸收沖擊能50%。車身是汽車中重量最大的部件，通過在全鋼車身中引入鋁合金材料，實現(xiàn)“鋼鋁混合材料車身結構”，已成為車身零部件減重的必然趨勢。在實現(xiàn)“鋼鋁混合材料車身結構”零部件制造中，鋁合金連接及鋼鋁混合連接技術具有重要的作用。目前車身零部件鋁合金連接的工藝有鋁弧焊、鋁點焊、鋁螺柱焊、摩擦焊、激光焊、壓鉚、拉鉚、旋鉚、熱熔自攻螺絲連接（FDS）、自沖鉚接（SPR）等。而鋼鋁混合連接時為解決異金屬接觸面電化學腐蝕問題，須在連接鋼鋁零件之間涂上結構膠后再用FDS、SPR等工藝。本文重點介紹鋁弧焊、鋁點焊、鋁螺柱焊、FDS、SPR這五種使用頻率較高的連接工藝和應用。

1 鋁合金弧焊

1.1 鋁合金弧焊的特點

由于鋁合金焊接時極易氧化，生成氧化鋁（Al2O3），易造成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁表面氧化膜會吸附大量水分，易使焊縫產生氣孔。此外，鋁及其合金的線脹系數(shù)大，導熱性強，焊接時變形和應力較大，易產生裂紋。因此，一般鋁弧焊接前須進行表面清理，清除表面氧化膜，并在焊接過程采用高純氬或氬氦混合氣體保護，防止其氧化。鎢極氬弧焊時，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，去除氧化膜。采用大規(guī)范的熔化極氣體保護焊時，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。為防止熱裂紋的產生，可采用調整焊絲成分與焊接工藝的措施，對含鎂量超過3%的Al-Mg合金板焊接時，可采用含Mg量超過3.5%或超過5%的鋁鎂合金焊絲，具有較好的力學性能和耐蝕性能。若在耐蝕性允許的情況下，也可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5%時熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，熱裂傾向相應減小，當含硅5%～6%時可不產生熱裂，因而此類焊絲會有更好的抗裂性，但塑性和韌性較低，一般不用于焊鋁鎂合金。

由于鋁的導熱系數(shù)大、比熱容大，焊接同等厚度的鋁合金要比鋼消耗更多的熱量。為保證焊接接頭融合良好，應采用能量集中、功率密度大的熱源。因此最常用的鋁合金弧焊方法是鎢極惰性氣體保護焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護焊（MIG）。近年來，一種數(shù)字化自動控制的高質量弧焊技術——冷金屬過渡弧焊技術（CMT）應用越來越廣泛，并在鋁合金薄板焊接上凸顯其優(yōu)越性。

1.2 高質量鋁弧焊應用——冷金屬過渡弧焊技術（CMT）

冷金屬過渡弧焊技術（CMT）是將送絲與熔滴過渡過程進行數(shù)字化自動協(xié)調，通過焊絲的回抽將熔滴同焊絲分離，實現(xiàn)了近乎無電流狀態(tài)下的熔滴過渡，其焊接過程如圖1所示。焊接開始，焊槍伺服電機驅動，焊絲與板材電弧引燃，焊絲融化熔滴滴進熔池，當數(shù)字化控制監(jiān)測到一個短路信號，就反饋給送絲機，送絲機做出回應，迅速回抽焊絲，從而使焊絲與熔滴分離。焊絲恢復到進給狀態(tài)電弧再次引燃。循環(huán)往復到焊接結束，頻率由送絲速度決定。

CMT鋁合金弧焊整個焊接過程在冷熱交替中循環(huán)往復，大幅降低了焊接過程的熱輸入量，實現(xiàn)無飛濺焊接，并在焊接夾具的配合下，鋁合金工件熱變形小，還可以實現(xiàn)鋁合金與鍍鋅鋼板之間的異種金屬混合連接。

利用CMT焊機內置的焊接專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，輸入相應待焊材料后，焊接專家系統(tǒng)可以提供相關焊接參數(shù)，焊接電壓、電流不能隨意改動，它們與送絲速率一一對應，通過改變送絲速率，可以使焊接電壓和電流同時改變，也可以改變電弧長度和脈沖來修正并微調焊接電流和電壓，以達到滿意的焊接效果。

2 鋁合金電阻點焊

2.1 鋁合金電阻點焊的特點

鋁合金電阻點焊工藝是在電極壓力下，靠電阻熱熔化鋁材，將其連接到一起的工藝。因鋁合金熔點低、線膨脹率高、導電率高、表面易氧化等特性，鋁點焊須采用大電流、短時間、多脈沖、大電極壓力，所以鋁點焊時輸出大電流對焊機、變壓器及焊槍的供電要求高，大電流易產生強磁場，焊接工裝需防磁；大電極壓力需焊槍結構牢固可靠，并配備特殊電極頭解決鋁合金表面氧化層問題。目前鋁合金電阻點焊方式主要有美系應用WTC Tip Dressing（螺旋電極帽式鋁點焊）和德系應用Delta spot（電極帶式鋁點焊）方式。

2.2 美系鋁點焊應用——WTC Tip Dressing（螺旋電極帽鋁點焊）

美國WTC鋁點焊設備中采用Tip Dressing末端參數(shù)修正技術，并利用GM專利的鋁點焊電極帽。這種電極頭表面有特殊的環(huán)狀紋路，如圖2所示，可在鋁材表面產生不同的應力區(qū)，破碎氧化膜以得到可控制的接觸電阻，并配合WTC設備中Tip Dressing末端參數(shù)修正技術，保證焊接質量。采用這種特殊的環(huán)狀紋路電極帽，在鋁點焊生產時，還需配備相應的四刀片修磨器修出螺紋，修磨頻次為普通碳鋼點焊的5倍，約40～50點/次。

由于WTC Tip Dressing工藝中采用的環(huán)狀紋路電極帽受專利保護，因此目前此工藝僅在受保護的業(yè)內企業(yè)中應用。

2.3 德系鋁點焊應用——Delta Spot（電極帶式鋁點焊）

奧地利Fronius Delta Spot電極帶式鋁點焊工藝是在電極和工件之間增加一條全新電極帶，如圖3所示。點焊時，電極壓住電極帶接觸工件進行焊接，每個點焊后，電極帶自動移動到下一位置，這樣使得電極表面總是清潔的，解決了鋁點焊容易從母材上黏連材料的問題，保證每個焊點都有高質量的焊接工況。另外，由于電極帶的引入增加了電阻，從而增加了熱輸入量，以破碎鋁合金表面的氧化膜，保證了焊接質量。

點焊不同的材料可選用不同的電極帶，點焊鋁合金時可用銅帶或鍍鎳鋼帶。Delta Spot設備還可實現(xiàn)鋼和鋁的焊接、鋁鎂壓鑄件的焊接等，并已應用于德系高端整車廠，如寶馬、奧迪、奔馳。

3 鋁合金螺柱焊

3.1 鋁合金螺柱焊的特點

螺柱焊工藝是通過提升拉弧，熔化連接螺柱焊接面與母材接觸面的電弧焊工藝。普通鋼螺柱焊早已在汽車制造業(yè)普遍應用，而鋁合金螺柱焊是近年來隨著車身輕量化趨勢發(fā)展應運而生。與普通鋼螺柱焊不同，鋁合金螺柱焊必須采用交流螺柱焊機，以保證兩側金屬熔化比例，有效減少氣孔。焊接時，由于鋁是活潑金屬，必須使用高純氬或氬氦混合氣體保護，防止氧化。鋁材料表面須經過去氧化層和油污的處理。

3.2 鋁合金螺柱焊應用——Emhart鋁合金螺柱焊機

目前國內的鋁合金螺柱焊應用極少，主要的鋁螺柱焊設備采用德國Emhart Tucker全自動鋁螺柱焊機，如圖4（a）。由于鋁合金螺柱焊時需高純氬保護，所以在鋁螺柱焊槍頭部有一個氣體保護罩，如圖4（b），以保障鋁螺釘在螺柱焊時焊接熔池被氬氣充分保護。另外，由于鋁比鋼有更高的磁阻，鋁合金螺柱焊時，更容易受到磁偏吹影響使電弧不穩(wěn)定，因此鋁螺柱焊槍上必須使用陶瓷環(huán)并附加保護氣體屏蔽磁偏吹的影響。在鋁螺柱焊接夾具結構上，盡量使螺柱焊槍遠離兩端電極，焊槍位于兩端電極的中間對稱結構或采用其他介質進行磁偏吹補償，以平衡磁場對電弧的影響，保證鋁螺柱焊質量。

4 FDS熱融自攻螺絲連接

4.1 FDS工藝的特點

FDS工藝通過螺釘高速旋轉軟化待連接板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待連接板材，最終在板材與螺釘之間形成螺紋連接，而中心孔處的母材則被擠出并在下層板的底部形成一個環(huán)狀套管，F(xiàn)DS具體工藝過程如圖5（a）所示。此工藝可應用于鋁-鋁及鋼-鋁之間的連接。

FDS工藝優(yōu)點是：（1）可連接包括超高強鋼、鋁鎂合金、復合材料在內的任何材料及異種材料；（2）可在較小變形的情況下實現(xiàn)單邊連接，操作方便；（3）鉚釘可拆卸，回收方便。

FDS工藝缺點是：（1）因下層板要鉆穿，因此接頭的防腐蝕能力會降低，另外螺釘尺寸較長，增加車身自重，且暴露在外的螺釘前端影響車身后續(xù)裝配，設計時需考慮避讓；（2）FDS工藝單面施工，操作時對工件和機器人的沖擊力大，需要用負載能力大且穩(wěn)定的機器人，擰緊過程螺釘必須與工件垂直，夾具設計時需考慮對工件的足夠支撐。

4.2 FDS工藝應用——Weber RSF機器人輔助緊固系統(tǒng)

德國Weber公司開發(fā)了RSF系列機器人自動緊固系統(tǒng)，如圖5（b）所示。RSF系統(tǒng)實現(xiàn)了FDS工藝的自動化生產，目前RSF系統(tǒng)已普遍應用于歐美各大高端整車廠，近年國內部分車企也開始采用此設備及工藝。

5 SPR自沖鉚接

5.1 SPR工藝的特點

SPR自沖鉚接技術是一種通過特制鉚釘用于連接兩種或兩種以上金屬板材的機械冷成型連接技術。它可以連接多種不同材質的板材，如鋼板、鋁板、塑料板等，并且鉚接過程低能耗，無熱效應，不會破壞涂層。

SPR鉚接過程如圖6（a）所示，特制鉚釘穿透頂層板材之后，在鉚模的作用下鉚釘尾部的中空結構擴張刺入而并不刺穿底層板材，從而形成牢固的鉚接點。

5.2 SPR工藝應用——HENROB SPR自沖鉚接系統(tǒng)

英國HENROB公司是最早開發(fā)中空結構的自沖鉚釘及沖鉚設備，目前車企普遍采用的是電動伺服型SPR沖鉚系統(tǒng)，如圖6（b）所示。

判斷一個SPR鉚接是否合格，需將SPR鉚接點橫向剖開后，檢驗SPR接頭剖面是否符合圖6（c）所示無裂紋無間隙，還需檢測ABC三處的值是否符合客戶要求。在前期鉚釘選型和鉚接參數(shù)的設置中，必須用小樣板SPR鉚接后進行剪切力和拉脫力測試，以保證SPR鉚接力學性能符合客戶要求。汽車工業(yè)在新材料新能源的發(fā)展趨勢下，將面臨產業(yè)升級換代，在產業(yè)升級的過程中，解決鋁合金材料在車身零部件連接技術上的應用問題，將成為汽車產業(yè)發(fā)展的關鍵因素。本文研究分析了近年來五種使用頻率較高的鋁合金連接新工藝，并進行了相關應用介紹，為汽車零部件鋁合金連接提供了有效方案。

參考文獻

[1] 李永兵，李亞庭，樓銘，等.轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰(zhàn)[J].機械工程學報，2012，（18）.

（責任編輯：蔣建華）