淺談異種材料間的連接方法

制造與工

摘 要：近年來，隨著國家的綜合實力以及生產制造水平的不斷提高，越來越多的新概念進入到人們的視野中，現在的重點已不僅在意生產產量，相反的，生產過程中的環保健康越來越被重視。汽車行業作為近年來的重要發展產業之一，為實現綠色制造和節能減排，汽車輕量化技術逐漸得到重視。目前實現輕量化的方法主要有結構優化、使用輕量化材料以及采用先進的制造技術。隨著鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質材料性能的逐漸提升，異種材料間的連接是現階段制造業的重點研究內容之一。本文將對常見的異種材料間的連接方法進行介紹，為異種材料連接的研究提供理論基礎。

關鍵詞：綠色制造;節能減排;異種材料

1 引言

汽車行業作為國家工業重要組成部分，近年來為了響應國家可持續發展的戰略以及緩解愈來愈嚴重的環境污染問題，汽車輕量化技術受到了越來越多的重視。據相關資料顯示，汽車自身重量每減輕100kg，油耗將節約0.6升/100公里。對于傳統的汽車材料而言，多以鋼結構為主，但鋼的密度較大，使得車身重量得不到減輕，油耗增大，對環境的污染程度也較高。近年來，隨著對鎂、鋁、鈦等密度較小材料性能的深入研究，輕質材料的應用途徑不斷擴大，尤其在汽車行業中體現得更為明顯。基于此，汽車中采用的材料結構發生變化，不再僅以鋼材作為主要材料，更多的是將輕質材料與鋼材等異種材料進行整合使用。因此，如何實現異種材料之間的有效連接就成為了研究的重點。

2 連接方法

隨著輕量化技術地位的不斷提升，異種材料間的連接方法也在不斷地進行更新，目前主要采用的連接方法包含焊接、膠接等常用傳統的連接技術以及自沖鉚接和無鉚連接技術等新型連接技術。

2.1 焊接

焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝及技術，而焊接主要是通過熔焊、壓焊和釬焊三種途徑來達到接合的目的。在焊接方式中，攪拌摩擦焊作為一種較為新型的焊接技術，廣泛應用于異種材料之間的連接。

攪拌摩擦焊是利用攪拌針，使其一邊旋轉一邊前進，通過攪拌針與工件之間的不斷摩擦，從而產生熱量，通過摩擦而產生的摩擦熱會使該部位的金屬狀態發生變化，從固體變為熱塑性狀態，且在攪拌針的作用下，狀態發生變化的金屬從前端向后部進行塑性的流動，從而將其壓焊為一個整體。攪拌摩擦焊以其焊縫質量好、焊件尺寸精度高和綠色焊接等優點廣泛應用于鋁及其合金、銅合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料的焊接，現階段對于該種連接方式的研究已日趨成熟。但同時攪拌摩擦焊也有其不足之處[1]，如攪拌針與工件分離時，焊縫的端頭處會形成一定的工藝匙孔，從而使得接頭處的力學性能降低;對于熔點存在較大差異的材料之間，無法發生有效的熔合;攪拌針由于高速旋轉，磨損情況嚴重，且該材料價格較高，使得該技術在日常的工業生產中難以推廣。因此，對該技術的應用還需進行深入地研究及分析。

2.2 膠接

膠接是利用結構膠與被連接材料間經相互作用而產生的三種力，即機械結合力、物理吸附力和化學鍵合力，從而來實現有效連接的一種工藝方法。

膠接技術憑借其在同種材料及異種材料之間均能產生有效連接，從而得到了廣泛的關注及應用。利用膠接技術對材料進行連接時，整體連接處的應力分布較為均勻、密封性能好、抗振性能高。由于不同材料間的熱膨脹系數會存在一定差異，因此將膠接技術用于異種材料連接時，會出現不好的問題，如固化變形和脫膠等，力學性能得不到保障;利用膠接技術連接材料前需對材料的表面進行處理，表面質量需達到一定標準，因為膠接質量的高低會受到膠接表面狀況的影響;單獨使用膠接工藝無法得到理想的連接效果，需將其它工藝與膠接工藝進行組合，從而得到質量較高的連接，不利于快速掌握及應用[2]。

2.3 自沖鉚接

自沖鉚接是利用鉚釘和被連接板料在冷塑性變形下使其快速實現自鎖的連接技術。該種技術可以有效實現多組異種材料的連接，如鎂、鋁等輕量金屬和非金屬之間的連接、有色金屬和有色金屬或與黑色金屬的連接。現階段常見的自沖鉚接工藝類型包含兩種，即實心鉚釘自沖鉚接工藝和半空心鉚釘自沖鉚接工藝[3]。

自沖鉚接技術具有能耗小、壽命高、密封性能好等優點，但在對鋼板進行連接時，接頭處的抗拉強度較小，連接效果不佳;由于在自沖鉚接過程中，板料不僅與凸模發生接觸，同時與模具也發生接觸，因此對于單面鉚接的連接效果，該技術不能實現。

2.4 無鉚連接

無鉚連接技術是在常溫下對板料施加壓力，金屬在一定形狀的模具中發生塑性變形，通過金屬的流動，從而使兩層或者多層板料形成自鎖而連接在一起[4]。

無鉚連接技術從開始到最終的成形過程主要包含五個階段，即板料定位階段、鉚接初始成形階段、鉚接形成階段、鉚接鐓鍛保壓階段以及鉚接退模階段，金屬材料通過這五個階段的變形過程，從而實現同種材料或者異種材料之間的有效連接。無鉚連接技術作為新型連接技術的代表，具有其自身的特點[5]：無鉚連接技術的應用范圍較廣，無論是對同種材料或異種材料、兩層或多層板料以及中間有夾層的板料均可通過該技術實現有效連接;利用無鉚連接技術處理表面有鍍層或漆層的板料時，不會影響其抗腐蝕性能，因此該技術對板料表面質量的要求較低;利用無鉚連接技術處理鋁合金、鎂合金等輕質材料時，連接接頭處的力學性能較好;通過實驗發現利用無鉚連接技術獲得的連接點強度與接頭參數，如頸厚值和自鎖值有一定關系，因此為了保障在使用該技術時能夠獲得較高的連接點強度，可通過調整其參數值來控制及改善連接效果;無鉚連接技術的連接過程耗時短，效率高，自動化程度較高，設備簡單輕便，可單獨進行操作，不需任何的附加件及其它工序的配合;在對動態疲勞強度要求較高的汽車領域，無鉚連接技術憑借其能夠實現單點或多點連接而得到廣泛應用;對于抗拉極限一般在1500 MPa以上的先進高強度鋼，利用現有的無鉚連接裝置無法實現其連接，因此在實現先進高強度鋼與鋁合金之間的連接方面還需要再進行深入地研究，以便擴展無鉚連接技術的應用場合。

3 結論

異種材料的相互連接技術在近幾十年內得到了快速發展，隨著輕量化技術的不斷推進，對于異種材料間連接的性能要求會越來越高，對其連接方式的研究亦會逐漸深入。本文對常用的連接方式以及新型連接技術進行整理及表達，希望能對研究異種材料間連接的學者提供一定的幫助。

參考文獻：

[1]劉會杰，潘慶，孔慶偉，等.攪拌摩擦焊焊接缺陷的研究[J].焊接，2007，（2）：17-21.

[2]ZHU X B，LI Y B，CHEN G L，et al. Curing-Induced Distortion Mechanism in Adhesive Bonding of Aluminum AA6061-T6 and Steels[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering Transactions of the Asme， 2013，135（5）：1-11.

[3]劉瑞軍，李雙義，張連洪，等.自沖鉚接技術在汽車車身輕量化中的應用[J].汽車技術，2004，（11）：45-46.

[4]楊欣怡.板材無鉚連接機理研究[D].西安：西安建筑科技大學，2018.

[5]胡亞民，李紅，李文艷.一種先進的板料沖壓連接技術─TOX連接技術[J]. 鍛壓裝備與制造技術，2000，35（5）：15-17.