鋁合金車身連接技術及應用實例

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，急需開發和掌握鋁合金車身連接技術。本文將鋁合金車身連接技術分為機械連接、焊接、粘接三大類，分別介紹了工藝原理、技術特點及應用實例，對后續新開發車型車身連接方式的選擇具有一定的借鑒和指導意義。

關鍵詞：鋁合金;連接技術;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、橫梁等斷面規則的簡單結構件。鋁合金鑄件主要用于功能集成的復雜結構件。

鋁合金的大量應用在實現車身輕量化的同時，也對現有車身連接技術提出了挑戰，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、鋁合金與其它輕質材料之間的異材連接。鋁合金車身連接技術主要有三類：機械連接、焊接和粘接[1]。

2 機械連接技術

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構的冷成型工藝[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車身頂蓋及側圍區域的應用。

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、發動機罩、包裹架等。圖4為無鉚連接在奧迪A6包裹架區域的應用。

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），是通過螺釘的高速旋轉摩擦生熱軟化板材，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，可實現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，如側圍與門檻梁的連接。圖6為FDS在捷豹I-Pace門檻區域的應用。

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。螺紋連接具有結構簡單、連接可靠、裝拆方便等優點，缺點是緊固件選擇不當容易出現力矩衰減、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

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。

鋁點焊易產生焊點質量不穩定、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控方式實現高速自動化焊接，熱影響區小，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公司研發的一種無焊渣和飛濺的新型焊接工藝技術，將送絲與熔滴過程進行數字化協調，數字式焊接控制系統根據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[6]。

CMT焊接電弧穩定，焊接過程無焊渣和飛濺，焊焊接質量高，焊縫美觀，焊接成本低于激光焊接，可實現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。FSW是通過高速旋轉的攪拌工具壓入待焊母材，借助旋轉接觸摩擦熱將工件加熱至塑性軟化區，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、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，焊縫質量好，焊接過程中不產生弧光輻射、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，需要焊接設備具有很好的剛性。根據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，主要應用區域包括前圍板、后門框以及發罩內板等。圖15為FSW在雅閣副車架上的應用。

4 粘接技術

粘接技術是使用規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，通過粘結手段長期或永久結合起來的技術措施。

粘接技術應用范圍廣，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，如結構膠+SPR、結構膠+FDS、結構膠+鋁點焊等。圖16為結構膠在捷豹XJ上的應用。

5 結語

車身輕量化需求提高了鋁合金的應用比例，傳統的鋼制車身向鋼鋁混合車身及多材料復合車身發展，車身連接技術從傳統的鋼點焊向多元化連接技術發展。材料的多樣化對車身連接技術的選擇和應用提出了新的挑戰，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，需要根據輕量化技術路線、成本策略及連接技術的工藝特點、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[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[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的應用現狀與發展趨勢[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.電動汽車輕質材料連接工藝的探討[J].汽車工藝師，2017（11）：55-58.