鋼鋁混合車身連接工藝的應用與發(fā)展

韓杰

(國機智駿汽車有限公司, 江蘇南京 210000)

0 引言

隨著環(huán)境保護和提升燃油經(jīng)濟性的呼聲逐漸增高，世界各國降耗減排法規(guī)的日趨嚴格，汽車輕量化成為大勢所趨。而車身輕量化是整車輕量化的核心目標之一。除了常見的結(jié)構(gòu)設計輕量化之外，最重要的是車身材料的輕量化，因此，全鋁車身被很多人認為是未來汽車的輕量化趨勢。比如首款國產(chǎn)全新捷豹XFL以75%的鋁合金材料應用而聞名，于2017年12月正式上市的蔚來ES8車身用鋁高達96.4%，還有以全鋁空間框架式車身結(jié)構(gòu)(Audi Space Frame,ASF)而聞名的奧迪A8系列、特斯拉Model S等。但鋁合金高昂的材料成本、維修成本成為全鋁車身發(fā)展的障礙。

近年來，隨著碰撞法規(guī)的日趨嚴格，以及第三代高強鋼的不斷發(fā)展，綜合考慮成本、性能、減重效果，許多車企悄然改變了看法，推出了鋼鋁混合車身。比如奧迪A8 D5摒棄了原先的全鋁空間框架式車身結(jié)構(gòu)(ASF)，采用了40%的鋼；特斯拉Model 3作為Model S、Model X的后來者，僅在車后部使用了鋁合金材料；相同選擇的還有寶馬新5系、卡迪拉克CT6等。由此可見，更為全面、更為平衡的鋼鋁混合車身正逐漸成為輕量化的重要趨勢。

由于鋁合金和鋼在導電率、導熱率、熱膨脹系數(shù)等方面的顯著差異，如何實現(xiàn)鋼鋁異種材料的可靠連接是鋼鋁混合車身發(fā)展過程中必須解決的問題。傳統(tǒng)鋼車身連接工藝中大量使用的電阻點焊應用在鋼鋁異種材料之間時，會出現(xiàn)界面硬脆相、電化學腐蝕以及零件變形的問題，因此，對于鋼鋁混合車身而言，新型連接工藝的應用勢在必行。目前，鋼鋁異種材料的主要連接工藝有FDS工藝、SPR工藝以及Clinching工藝。

1 鋼鋁混合車身連接工藝的應用與發(fā)展

1.1 熱熔自攻釘連接技術(shù)

熱融自攻釘連接技術(shù)(Flow Drill Screw，F(xiàn)DS)，也稱流鉆螺釘連接技術(shù)，1996年首次應用于蓮花轎車車身框架的連接。2000年，Audi A4使用Weber公司研發(fā)的FDS自動化設備完成了后輪罩部位的連接。現(xiàn)階段，F(xiàn)DS工藝已廣泛應用于中高級轎車的車身連接，如捷豹XK和X150，奧迪R8、A8、TT等。其中新奧迪A8上有多達740個FDS螺釘，國內(nèi)的凱迪拉克CT6車型也使用了多達750個FDS螺釘。

1.1.1 原理

FDS工藝的原理是利用特制螺釘高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱來軟化待連接材料，同時在巨大的軸向壓力下擠壓并攻絲旋入，最終形成螺紋連接。其工藝過程可分為6個步驟：定位預熱→熱熔穿透→錐孔成型→螺紋形成→螺釘擰入→緊固落座，如圖1所示。

圖1 FDS工藝過程示意圖

1.1.2 應用

FDS工藝在應用中有以下特點：(1)單面可達即可完成連接，降低了對鉚接空間的需求，設計時只需考慮鉚槍的尺寸，一般要求連接點中心距離板材邊緣大于10 mm、距離翻邊大于12 mm、連接點間距大于20 mm；(2)連接可拆卸，不合格的連接點可以更換更大直徑的螺釘進行維修；(3)可結(jié)合涂膠工藝，實現(xiàn)異種材料的連接；(4)由于下層板要穿透，因此接頭的防腐蝕能力會降低，同時由于螺釘尖端會外露，考慮到安全與美觀，F(xiàn)DS工藝只能用于空腔類結(jié)構(gòu)的連接；(5)螺釘尺寸較長，大量使用會增加車質(zhì)量。例如一個M5×20型號的FDS螺釘大約4.5 g,以CT6車型中FDS螺釘應用的數(shù)量700多個來計算，螺釘總質(zhì)量超過了3 kg；(6)設備、螺釘?shù)某杀据^高；(7)由于連接時存在強大的下壓力(可達3 500 kN)，因此連接位置需要有足夠的剛性。

1.1.3 高強鋼帶來的挑戰(zhàn)與最新進展

汽車輕量化的需求導致車身用鋼向著更強、更薄的方向發(fā)展，這就給FDS工藝帶來了新的挑戰(zhàn)：(1)下層板較薄時，它與FDS螺釘?shù)慕佑|只有1～2圈螺紋，接頭的正拉強度低；(2)當上層板材為高強度鋼(>600 MPa)時，很難被FDS螺釘穿透，目前的解決方案是在高強鋼上預制孔，但預制孔會導致3個問題：①多層板連接時，若孔數(shù)超過1個，很難實現(xiàn)多個孔的精確定位和對中，如圖2所示；②當FDS工藝與結(jié)構(gòu)膠復合使用時，膠會從預制孔中擠出，污染FDS設備的槍頭和連接件；③不同板厚帶來了不同的孔深，而FDS工藝在應用時需要使螺釘壓緊板材，因此設備設置復雜。

圖2 多層板FDS預制孔對中問題示意圖

為了解決上述問題，國內(nèi)外研究機構(gòu)積極開展研究，以下是最新進展:

(1)FPS(Flow Push Screw)工藝

針對高強鋼不易被FDS螺釘穿透的問題，德派公司在FDS工藝的基礎上，推出了一種FPS連接工藝，其原理是特制螺釘高速旋轉(zhuǎn)、熱熔穿透板材后，在巨大的軸向壓力下直接壓入板材，利用螺釘上的齒牙倒刺結(jié)構(gòu)與板材實現(xiàn)連接。該工藝與FDS工藝相比，減少了攻絲和擰入的過程，因此其工作過程可分為4個步驟：定位預熱→熱熔穿透→錐孔成型→緊固落座，如圖3所示。FPS工藝能夠用來連接強度在1 000 MPa以下的鋼材，并且工作時間縮短在了1.5 s以內(nèi)。

圖3 FPS工藝過程示意圖

FPS工藝使用的螺釘結(jié)構(gòu)與FDS工藝有很大不同。FDS鉚釘從上到下可分為5個部分，即螺釘頭部、底面槽溝、緊固螺紋、攻絲螺紋以及尖部。工作時尖部用于穿透板材，攻絲螺紋部分用于攻絲，緊固螺紋部分用于緊固，底面槽溝部分用于吸收被擠壓出來的板材。而FPS螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)從上到下依次為螺釘頭部、底面槽溝、齒牙圈、加速段以及尖部。對比可知，F(xiàn)PS工藝用齒牙圈和加速段代替了FDS工藝中的螺紋連接部和螺紋攻絲部。加速段可以在齒牙部分進入板材前，為螺釘提供足夠的加速度，用來穿透強度更高的鋼材；而齒牙圈部分則依靠倒刺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與板材的連接。二者的對比如圖4所示。

圖4 FDS螺釘與FPS螺釘結(jié)構(gòu)對比示意圖

(2)攪拌摩擦盲鉚工藝

針對下層板較薄時、FDS工藝接頭正拉強度低的問題，通用汽車公司提出了攪拌摩擦盲鉚工藝(Friction Stir Blind Riveting，F(xiàn)SBR)。該工藝將FDS工藝與抽芯鉚接工藝結(jié)合起來，使用抽芯鉚釘代替了FDS工藝中的螺釘。其原理是在巨大的軸向壓力下，使抽芯鉚釘高速旋轉(zhuǎn)，利用摩擦熱軟化板材并完成鉆孔，在鉚釘完全進入板材后，利用抽芯鉚接鎖住被連接板材，如圖5所示。目前的研究是通過數(shù)控機床實現(xiàn)鉚釘?shù)男D(zhuǎn)與進給，手動完成回抽與芯軸的移除。如何實現(xiàn)自動化并保證運行的穩(wěn)定性是亟待解決的問題。

圖5 FSBR工藝過程示意圖

(3)浮動頭技術(shù)

為了解決預制孔孔深不同的問題，Weber公司提出了一種浮動頭技術(shù)，該技術(shù)可以使FDS槍頭自動補償不同深度的預制孔。該技術(shù)已經(jīng)在第三代RSF21系統(tǒng)中實現(xiàn)了應用。

1.2 自沖鉚接工藝

自沖鉚接工藝(Self-Piercing Riveting，SPR)在1999年已經(jīng)大量使用于奧迪A8鋁制車身，鉚點數(shù)達到1 100個；隨后寶馬Z8全鋁車身也使用了該工藝，鉚點達到1 000個；奔馳SL級全鋁車身使用了1 200個鉚點，捷豹XFL使用了2 754個鉚點，其他還有凱迪拉克CT6、沃爾沃V90等。

1.2.1 原理

自沖鉚接工藝(SPR)的原理是特制鉚釘在沖頭的作用下，穿透上層和中間層板材后，在凹模的反作用下，鉚釘尾部擴張刺入但不刺穿底層板材，形成咬邊結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)板材的連接。這樣形成的連接點可以保證良好的氣密性和抗腐蝕能力。其工藝過程如圖6所示。

圖6 SPR工藝過程示意圖

1.2.2 應用

SPR工藝在應用中有以下特點：(1)適用于鋁-鋁連接(總厚度1.8～11 mm)、鋼-鋼連接(總厚度1.2～6.5 mm)、鋁-鋼連接；(2)板材搭接原則是“從薄到厚，從硬到軟”，具體要求為：兩層板搭接時，下層板的厚度至少為總厚度的1/2以上；三層板搭接時，下層板的厚度至少為總厚度的1/3以上；強度高的材料要位于沖模側(cè)，且沖模側(cè)材料強度最高不能超過1 600 MPa，強度低的材料要位于凹模側(cè)，且凹模側(cè)材料強度最高不能超過600 MPa；(3)當沖模側(cè)材料為鋁材時，鋁材的延伸率需大于12%；(4)無熱效應，不會破壞板材的鍍層；(5)可與膠粘工藝組合使用；(6)不同材質(zhì)、不同厚度的接頭需使用不同的鉚釘、鉚模組合，且鉚點需保留雙側(cè)的進槍空間，因此對板材組合形式的設計有很高的要求，特別是有共線生產(chǎn)需求的時候。

1.2.3 高強度鋼帶來的挑戰(zhàn)與最新進展

高強度鋼同樣給SPR工藝的應用帶來了挑戰(zhàn)。當高強度鋼強度大于800 MPa時，會出現(xiàn)以下問題：(1)由于鋼材變形困難，從鋼鉚向鋁時，連接點間易形成空腔，而從鋁鉚向鋼時，鉚釘尾部難以形成自鎖；(2)鉚釘易發(fā)生墩粗或開裂；(3)鉚槍因受力更大，易變形，難以保證鉚釘和凹模的同軸度，導致接頭質(zhì)量穩(wěn)定性降低。

為解決以上問題，國內(nèi)外開展了大量的研究，目前有以下幾種新型自沖鉚接技術(shù)。

(1)電輔助自沖鉚接工藝(Electrical Assisted SPR,EA-SPR)

該工藝旨在解決高強度鋼變形困難的問題，其原理是通過外部高密度電流的短時間作用，利用電致塑性效應和焦耳熱效應來降低高強度鋼的變形抗力，從而實現(xiàn)連接，如圖7所示。

圖7 EA-SPR原理示意圖

(2)熱輔助自沖鉚接工藝(Thermal Assisted SPR,TA-SPR)

該工藝同樣為了解決高強度鋼變形困難的問題，其原理是在高強度鋼一側(cè)布置蚊香式線圈，通過高頻交變電流的激勵在鋼板內(nèi)形成渦流，對局部鉚接區(qū)域進行快速加熱(感應加熱可在1 s內(nèi)將鋼板加熱到所需溫度)，來降低高強度鋼的變形抗力，如圖8所示。

圖8 TA-SPR原理示意圖

(3)自沖摩擦鉚焊技術(shù)(Friction SPR，F(xiàn)-SPR)

該工藝借鑒了FDS工藝中螺釘高速旋轉(zhuǎn)軟化板材的思路，來解決高強鋼變形困難的問題。其原理是使鉚釘在軸向進給的同時高速旋轉(zhuǎn)，通過鉚釘高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱軟化金屬，在鉚釘?shù)竭_連接位置后，在原位置進行攪拌，實現(xiàn)鉚釘與板材的固相連接，如圖9所示。與傳統(tǒng)SPR工藝相比，F(xiàn)-SPR固相連接的引入使得最終F-SPR接頭的力學性能提高了1倍。但是F-SPR對設備和鉚釘提出了較高的要求。

圖9 F-SPR原理示意圖

1.3 無鉚釘連接工藝(Clinching)

無鉚釘連接工藝，又稱為沖壓鉚接，在1994年首次運用于奧迪A8車型，實現(xiàn)了178個鉚接點鉚接。2005年奔馳S級采用全自動設備完成了645個鉚點連接。隨著輕量化的發(fā)展，北京奔馳全部車型，一汽奧迪部分車型，國內(nèi)SVW的途安、斯柯達明銳以及SGM的科魯茲、邁銳寶、君越等都采用了該工藝。

1.3.1 原理

無鉚釘連接工藝的原理是在特定沖頭和凹模的作用下，利用板件本身的冷變形能力，實現(xiàn)多層薄板的互相咬合，從而實現(xiàn)板材的連接，如圖10所示。在鋼鋁異種材料連接的情況下，通常配合涂膠工藝一起使用。

圖10 無鉚釘連接工藝示意圖

1.3.2 應用

無鉚釘連接工藝在應用中的特點是無需消耗鉚釘或螺釘，成本低廉，但無鉚釘鉚接接頭的剝離強度和疲勞強度都比較低，通常只用在引擎蓋、行李箱蓋、后輪罩等非承載部位。

1.3.3 最新進展

為了提高鋁鋼異種材料鉚接的可鉚性范圍以及接頭強度，日本豐橋科技大學提出了一種階梯沖頭無鉚釘鉚接工藝。該工藝使用階梯沖頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖頭，在從鋼鉚向鋁時，可以有效避免上層鋼板發(fā)生斷裂失效，而從鋁鉚向鋼時，可以增加上層鋁板在沖頭側(cè)的剩余壁厚，提高接頭強度。

2 結(jié)論

鋼鋁混合車身作為綜合了成本、性能、輕量化等各方面因素，更為全面平衡的車身，是未來車身輕量化發(fā)展的必然趨勢。隨著鋼鋁混合車身的發(fā)展，鋼鋁異種材料的連接工藝必將日趨成熟，推動汽車輕量化快速發(fā)展。