輕量化鋁合金車身連接技術及其評價

崔厚學，劉昌雄，孫志強，田猛

1.東風汽車集團有限公司科技工程部 湖北武漢 430056

2.廣州瑞松智能科技股份有限公司 廣東廣州 510760

3.天津經濟技術開發區逸仙科學工業園 天津 301726

1 序言

得益于經濟持續增長和人民生活水平不斷提高，2009～2020年中國汽車產銷量連續12年穩居世界第一。但汽車大國遠非汽車強國，加快培育知名汽車品牌和掌控汽車核心技術及零部件供應鏈是擺在中國汽車產業面前亟待破解的重大課題。目前，“節能和新能源汽車”是實現我國汽車產業升級換代的重要機遇，車身輕量化是新能源汽車產業發展的一個主要議題，而鋁合金連接技術是輕量化車身工藝的主要瓶頸之一[1]。

2 鋁合金輕量化車身

車身輕量化材料一般有輕合金、高強度金屬材料、工程塑料、碳纖維增強復合材料和陶瓷材料等。鋁合金車身由于其顯著的輕量化效果，使整車動力性、操控性和燃油經濟性都得到較大提升；其良好的加工工藝性能，可塑造視覺極優美的車身曲面；由于其超強的抗腐蝕性能，故鋁合金會在表面形成一層致密的氧化層，并且與鋁基體牢固結合，從而對車身形成嚴密保護。

鋁合金車身最大的問題，一方面是鋁合金的冶煉和加工成本都比鋼更高；另一方面是加工工藝比較復雜，特別是對鋁合金連接工藝水平和自動化程度要求都遠高于傳統鋼制車身。

據報道，電動車車重每降低10%，電耗可降低5.5%，續航里程相應增加5.5%，而延長相同里程所需要增加的電池成本卻遠高于此。如大眾e-Golf采用全鋁車身成功減重187kg，通過優化電池配置后整車成本降低635歐元。特斯拉Model S/X和蔚來ES8也采用全鋁車身，而Model 3則采用成本更低的鋁/鋼混合材料[2]，希望取得性能和成本的最佳匹配。

在可預見的未來，續航里程和成本仍將是衡量純電動車的重要指標之一，鋁制車身帶來的百公斤級減重效果必然是高端電動車十分看重的突出優勢。

3 鋁合金車身連接技術

鋁與傳統鋼材相比，在晶體結構和物理屬性方面存在較大差異。鋼的熔點為1536℃，而鋁僅為660℃；鋁熱膨脹系數是鋼的2倍，熱導率是鋼的4倍，這些都導致傳統焊接工藝難以實現鋁合金的可靠連接。目前，解決新能源汽車輕量化車身連接的主要技術路徑有：冷金屬過渡焊、自適應電阻點焊、激光焊、激光-電弧復合焊、攪拌摩擦焊、沖鉚連接、自攻螺釘連接、膠粘連接，或聯合使用幾種方法完成輕量化車身連接。

車身輕量化有多種技術路徑，在材料和工藝兩個方面，各公司采取了不同的技術路徑。據報道，AUDI A8共采用了14種連接方法；奇瑞捷豹采用自沖鉚接技術完成了3700多個帶釘自沖鉚接；上海通用CT6車型使用專利電阻點焊（同心圓電極技術）、自沖鉚接、熱熔自攻螺釘和膠粘連接聯合完成了新型輕量化車身連接。

3.1 電阻點焊

電阻點焊（Resistance Spot Welding，RSW）是一種傳統的焊接工藝方法?，F階段由于車身輕量化要求，需從電源和焊槍入手來解決傳統鋁焊接電極壽命短、生產效率低的問題。

近年來，依靠伺服電動機驅動的伺服焊槍以及中頻逆變直流（MFDC）電阻點焊設備具有電極壓力精準、焊接電流平穩及響應快速等特點，正逐漸被推廣應用。中頻逆變自適應直流電阻焊具有反饋控制響應速度快、輸出穩定性好、熱效率高、焊接時間短、功率損耗小、節能效果明顯及設備體積小等優點。整體而言，該設備功率因素達到95%，節約能量達30%以上，電極壽命提高1倍以上，尤其焊接鋁及鋁合金等導熱性高的金屬效果顯著，質量更穩定可靠。

上海通用CT6生產線應用通用汽車集團的表面有特殊環狀紋路的螺旋狀電極鋁合金點焊技術，以及伏能士（Fronius）帶式電極鋁點焊技術，都是實現鋁合金車身點焊的有效技術途徑。

3.2 弧焊

由于鋁熔點低，熱導率、電導率都遠高于鋼，導致焊接變形及焊接應力增加，故需采用低熱輸入量或高能量密度的焊接工藝，如冷金屬過渡焊、激光焊及等離子弧焊技術。由于鋁合金吸熱后極易產生熱應力集中，造成板件變形嚴重甚至開裂，所以冷金屬過渡焊在這方面具有獨到的優點。通過引弧-熄弧-再引弧的重復方式減小熱量的輸入，可有效地避免變形和開裂。為滿足高能量密度弧焊對零件裝配間隙的要求，激光焊、等離子弧焊、激光-電弧復合焊接技術將來也有一定發展前途。

3.3 自沖鉚接

自沖鉚接（Self-Piercing Rivet，SPR）屬于機械冷連接技術，其獨特的連接方式使其可有效地克服鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕金屬材料導電、導熱快，熱容小，易氧化，以及難以采用傳統的連接方法進行焊接等缺點。其工藝過程主要包括：定位、預壓、夾緊、沖刺、擴張及成形（見圖1）。

圖1 自沖鉚接工藝

自沖鉚接工藝優點主要有：

1）連接高效，質量可靠。

2）可以實現鋁/鎂、鋁/鋼、鎂/鋼、鋁合金/鎂合金/高強度鋼等金屬材料和高分子材料/復合材料的同質或異質材料的雙層及多層連接。

3）鉚接過程能耗低，無熱效應，不破壞涂層。

自沖鉚接工藝缺點主要有：

1）不同材質、厚度及硬度的接頭組合需要不同的鉚釘、沖頭及沖模，沖鉗和鉚釘成本較高。

2）鉚接點平面凸起 2～3mm，2層板連接后再與第3層板連接時，對進槍的方向有要求。

3）只能使用C形鉚接槍，雙側需要預留進槍空間（無法應用于封閉型腔）。

3.4 無鉚釘自沖鉚接

無鉚釘自沖鉚接（Clinching）是利用板件自身的冷變形能力，對板件進行壓力加工，使板件產生局部變形而將板件連接在一起的機械連接技術。

與自沖鉚接工藝相比，無鉚釘自沖鉚接具有以下優點：

1）無需額外鉚釘，總成本要明顯低于自沖鉚釘連接。

2）連接過程不會對零件表面造成破壞，也不會影響連接點處材料的耐蝕性及強度。

無鉚釘自沖鉚接工藝的主要缺點：由于無鉚釘部分影響了連接強度，該工藝應用主要局限于車門、發動機罩、行李箱蓋及輪罩等強度要求相對較低的部件上，其應用范圍不如自沖鉚接廣泛。

3.5 熱熔自攻螺釘

熱熔自攻螺釘又稱流鉆螺釘（F l o w D r i l l Screw，FDS）技術，它是利用螺釘高速旋轉產生的熱量熔化待連接板，并在巨大的軸向壓力下，擠壓并旋入待連接板，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狀套管。流鉆螺釘工藝過程如圖2所示[4]。

流鉆螺釘工藝主要優點有：

1）連接強度質量可靠。

2）由于螺釘無需變形，因此可以用來連接包括超高強鋼、鋁鎂合金及復合材料在內的各種同質或異質材料。

中國白酒是自然發酵產物，由天、地、人共釀，而生態釀造體現了白酒的天人合一、崇尚自然、順其自然、道法自然。即使現在出現部分機械化生產，但白酒的核心品質還是取決于地域、氣候、水質、糧食原料等自然因素。另外，相比于其他行業如化工、紡織，川酒生產過程產生的污染要小得多，同時可以借助于新技術對白酒廢料進行回收再利用，實現資源可持續發展。因此，川酒行業應該是社會主義生態文明建設的急先鋒[7]。

3）單面進槍，可用于封閉型腔結構、壁厚或封閉腔體等無法使用自沖鉚接或無鉚釘自沖鉚接的裝配情況。

圖2 流鉆螺釘工藝過程

4）板件被加熱，板件與螺釘接觸好，連接強度大。

流鉆螺釘工藝的主要缺點有：

1）設備系統成本遠高于電阻點焊，鉚釘成本高。

2）單面施力，連接時需要高強度剛性支撐。

3）完成一次操作需5～8s，時間較長，影響生產效率。

3.6 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是一種可用于各種合金板焊接的固態連接技術。與傳統熔焊工藝相比，攪拌摩擦焊無飛濺、無煙塵，不需要添加焊絲和保護氣體，接頭無氣孔、裂紋；與普通摩擦焊相比，它不受軸類零件的限制，可焊接直焊縫[5，6]。此外，這種工藝方法還具有接頭力學性能好、節能、無污染及焊前準備要求低等一系列優點。由于鋁及鋁合金熔點低，所以更適于采用攪拌摩擦焊。

另外，為滿足板材搭接要求，摩擦塞鉚焊是一種適合的連接方式，其優點主要有：

1）可連接鋁合金（如6061）和高強鋼（熱成形硼鋼22MnB5）等新型材料。

2）接頭質量可靠。

3）無需預開孔。

摩擦塞鉚焊的缺點主要有：

1）雙面連接，必須雙面操作。

2）需要一個額外的連接元件。

3）在需要嚴格密封的位置（如海洋環境），在釘頭處需要使用密封膠[4]。

3.7 膠粘連接

膠粘連接采用面接觸方式而非點或線接觸，與點焊及鉚接相比，不易產生應力集中，連接強度、剛度和疲勞強度等綜合性能也相對較高，而且該連接應用范圍較廣，可用于各種鋼、輕金屬、高分子材料以及其他不同材料的連接[7]。

新一代結構膠粘劑接頭具有高強度、高剛度的特點，同時在承受沖擊載荷時又具有足夠的韌性和柔性，能夠滿足車身結構的綜合性需求，使整車性能得以全面提升，特別適合車身輕量化的技術要求。目前，結構膠粘劑在各大主機廠中的單車用量呈逐漸上升的趨勢。

4 鋁合金連接評價準則

選擇連接工藝方式主要取決于車身材料、結構設計及設備水平等。綜合考慮各種因素，目前國內輕量化車身應用較多的是點焊、無鉚釘自沖鉚接和自沖鉚接連接技術。連接工藝不是孤立存在的，不同的連接工藝可以通過自動工具切換系統來完成轉換，以滿足行業柔性化的需要。

目前，鋼鋁混合車身的設計開發、材料成形制造工藝及連接設備等還處于研發應用推廣中，需要更多高校、科研機構、汽車廠以及設備供應商之間加強溝通和合作。鋁合金車身先進連接技術及其評價見表1。

表1 鋁合金車身先進連接技術及其評價

5 結束語

1）鋁合金應用是車身輕量化的重要發展方向，鋁合金連接是其關鍵工藝。

2）由于車身造型特點和設計規范的差異，各種車型采用了不同鋁合金連接技術，從技術傳承及經濟合理性預測，電阻點焊、冷金屬過渡焊、高能密度焊接和膠粘連接技術較有發展前途。