鋁合金車身結構的連接方式分析

江西江鈴集團新能源汽車有限公司 曹 振

鋁合金車身結構的連接方式分析

江西江鈴集團新能源汽車有限公司 曹 振

文章對鋁合金車身結構的連接方式進行分析和探討，旨在為鋁合金汽車的研究提供理論支持。

鋁合金；汽車；車身連接；連接方式

引言

隨著人們的節能和環保意識不斷增強，汽車行業的創新發展越來越快，各種技術日新月異，汽車車身輕量化是未來汽車行業發展的主要趨勢和方向，當汽車的車身重量降低10%，燃油的經濟性會提高3.8%左右，一氧化碳的排放量也會逐漸減少，剎車距離減少5%左右，輪胎壽命可以提高7%左右。因此可以看出車身輕量化的重要性，達到車身輕量化目的的主要方法就是對車身結構的材質進行改變，鋁合金是一種質量較輕的材料，比傳統的鋼材要輕很多，采用鋁合金替代傳統的鋼材是最有效的方法。但是鋁合金材料應用過程中有一個十分棘手的問題，即車身的連接，常規車身的連接主要采用電焊連接，電阻點焊是最主要的方式，但是由于鋁合金材料的電阻率較低，導熱率很高，所以采用傳統的電阻點焊很難達到焊接牢固的目的，也很難形成合格的熔核，因此在鋁合金材料應用過程中必須要解決車身連接問題。在鋁合金材料應用過程中最常用的是連接，本文對兩種常見的連接方式進行介紹，并且對連接的優勢進行了分析。

一、鋁合金電阻點焊的問題

鋁合金材料與傳統的鋼材相比，最大的特點就是質量輕，在汽車制造行業中鋁合金的優勢越來越明顯。鋁合金材料的特點主要有幾點：密度低，強度很高，鋁合金的強度接近或超過優質鋼；塑性好，可以對鋁合金進行各種加工，形成不同的型材；鋁合金的導電性、導熱性以及抗腐蝕性較好，在工業制造領域中的應用十分廣泛，使用量很大，僅次于鋼。雖然鋁合金材料具有十分明顯的優勢，在工業上的應用也十分廣泛，但是鋁合金材料應用過程中遇到的問題也越來越多，比如在汽車制造行業中使用鋁合金材料，鋁合金車身的連接就是一個亟待解決的問題，傳統的電阻電焊模式就不適用。主要有幾個方面的問題：

第一，鋁合金容易形成低熔點共晶物，并且這種低熔點共晶物的電阻率比較大，如果采用電阻點焊的方式，在接觸面上會產生較大的熱量，促使電極和工件的接觸面上出現局部熔化的現象，并發生較為劇烈的共晶反應，導致電極和工件之間出現粘連，焊點表面的質量較差。

第二，熔核尺寸波動大。對鋁合金材料進行電阻電焊的時候，電極和工件接觸面上的局部熔化、電極與工件的粘連，會導致電極表面的連續性被破壞，在連續點焊的過程中電極表面的不連續性具有很強的隨機性，所以導致電極與工件之間以及工件之間的接觸狀態不穩定，連續點焊中熔核直徑波動較大，焊接不牢固。

第三，鋁合金點焊質量控制難度大。由于鋁合金材料的電阻率較低，阻溫系數也比較小，從常規室溫到熔化溫度，鋁合金材料的電阻率的變化幅度僅為3倍左右，所以對鋁合金材料采用電阻點焊的方式進行焊接時很難用焊接電參量的變化來描述焊接質量，導致鋁合金電阻點焊過程中的閉環控制難度較大。在鋁合金點焊過程中出現的問題不僅有熔核尺寸的波動，而且還有焊接過程中的飛濺和噴濺現象嚴重、焊接縫連接不嚴密等問題，所以采用點焊的方式對鋁合金進行連接，遠比鋼材焊接的質量控制難度大。

二、鋁合金連接方法

電阻點焊不適用于鋁合金材料，針對鋁合金材料的特點研發出連接方法，連接是一種適用于鋁合金材料的連接方法，連接牢固。常用的連接方法有以下兩種：

（一）半空心自沖連接

半空心自沖連接是通過外力作用在SPR鉚釘上，穿透第一層材料和中間材料，并在底層材料中進行流動和延展，在各層結構中形成一個相互鑲嵌的塑性變形的鉚釘連接過程。這種連接方式中連接點是一個十分關鍵的部位，連接點的抗拉強度、抗剪切強度很高，還可以與粘膠工藝結合使用，實現防水、隔音和降噪等功能，在板材與板材之間的連接過程中十分使用。半空心自沖連接的方法如下：第一，使壓邊圈向下運動，對連接材料進行預壓緊，在預壓的過程中要防止材料在鉚釘的作用下向凹模內流動，注意控制預壓的力度。第二，使用沖頭推動鉚釘向下穿刺上層材料。第三，在凹模與沖頭的共同作用下，繼續對鉚釘進行施力，使得鉚釘尾部在下層金屬中張開，形成一個喇叭口的形狀，達到連接牢固的效果。半空心自沖連接的動態疲勞強度高，可以重復生產，而且可以實現無損連接，不同厚度的材料、不同硬度的材料之間都可以組合，而且半空心自沖連接方法的成本較低，操作過程簡單，能耗較低，所以當前在鋁合金車身連接過程中的應用最為廣泛。

（二）高速穿刺連接

高速穿刺鉚也是通過外力對鉚釘進行加壓，然后促使鉚釘高速穿透被連接材料，在瞬間高溫和擠壓作用下使得底層金屬發生流動，最終流動到鉚釘的螺牙制種，永久鑲嵌和永久塑性。高速穿刺連接的一個最大的特點就是速度快，具有較高的抗拉強度以及抗剪切強度，是一種單側連接工藝，在板材與型材之間進行連接的時候十分常用。高速穿刺連接主要分為定位、沖擊、刺穿、成型四個步驟，成型的關鍵在于要給鉚釘一個瞬時巨大的沖擊力，能夠實現一次成型。高速穿刺連接的原則是從薄板沖到厚板，從硬板沖到軟板。在鋁合金車身的連接過程中也比較常用，比如車門洞內外板與A柱、B柱之間的連接就可以采用高速穿刺連接方式，連接效果良好。

三、鋁合金MIG焊接

焊接雖然質量控制難度較大，但是在鋁合金車身的連接過程中也有應用，在焊接過程中要加強對焊接過程的控制，做好精密焊接，提高焊接點的牢固性。對鋁合金車身進行焊接的時候，要根據車身結構而定，目前全鋁車身有一種結構形式為鋁型材組成承力框架然后再用鋁板密封，而鋁型材與鋁型材的連接方式主要為MIG連接。MIG是使用熔化電極，再外加氣體作為電弧介質，并且對金屬熔滴、焊接熔池和焊接區高溫金屬進行保護的一種電弧焊方法，稱為熔化極氣體保護電弧焊。這種焊接方法相對于傳統的點焊，其效果更好一些，開展鋁型材MIG焊的性能研究也是當前鋁合金車身連接研究的重點。MIG焊接中使用金屬絲對傳統的鎢電極進行替代，其他的材料都和TIG焊一樣。因此，在焊接的過程中，焊絲由電弧熔化之后再送入到焊接區，焊接過程中采用的熱源也是直流電弧，但極性和TIG焊接時使用的極性相反。在MIG焊接過程中使用的保護氣體也不相同，通常在氬氣內加入1%氧氣，改善電弧的穩定性。

四、結語

鋁合金是一種質量較輕的工業材料，相對于傳統的鋼材而言，其質量很輕，強度高，塑性高，在現代汽車制造領域中的應用十分廣泛。鋁合金材料具有節能、節約成本的功能，采用鋁合金材料進行汽車制造時，對于鋁合金車身的焊接質量控制是一個難點，傳統的點焊過程質量控制難度較大，很多參數不易掌握。基于鋁車身的結構設計，可以采用連接方式和MIG焊接方式進行車身結構的連接，其中半空心自沖連接主要適用于板材與板材之間的連接，高速穿刺連接主要適用于板材與型材之間的連接，這兩種連接方式都比傳統的點焊連接效果好。MIG焊可以應用于型材與型材的對接或者使用連接無法完成連接目標的時候，但是焊接過程中熱影響區的材料性能有一定下降。

[1]康潔,陳瑋,張鐵.基于鋁合金車身結構的連接方法研究[J].汽車科技,2017(02).

[2]宋筠毅,劉東陽,張正林.鋁合金在輕量化車身中的應用及連接技術[J].上海汽車,2016(06).

曹振（1983－），江西南昌人，工程師，現職于江西江鈴集團新能源汽車有限公司，研究方向：焊裝工藝技術。