汽車車身鋁合金連接工藝研究

北京汽車研究院 北京順義 100300

隨著汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，白車身輕量化是解決汽車行業(yè)節(jié)能環(huán)保的主要內(nèi)容之一。單車車身質(zhì)量減少10%，油耗減低6%～10%，尾氣釋放減少13%。在這種動力驅(qū)使下，輕量化材料和先進連接技術的優(yōu)勢集成，同時使用超輕型高強度材料已經(jīng)成為輕量化設計的重要手段。

輕型材料有碳纖維、塑料、熱成型件等新型材料，本文研究對象是鋁合金材料。作為汽車輕量化的主要材料，鋁合金具有以下優(yōu)點：能耗低，無污染，環(huán)保節(jié)能；提高結構剛性和行駛性能；提高耐腐蝕性；可以實現(xiàn)相同和不同材料連接；同樣使用條件，鋁比鋼輕60%；提高資源的回收再利用，鋁比鋼回收比例高得多；回收再生所需能源卻比鋼少得多。

奧迪Q7合金使用比例52%，傳統(tǒng)鋼板38%，熱成型10%；奧迪A8鋁合金使用比例達到了58%，蔚來車型ES8車身用鋁高達96.8%，車身質(zhì)量335kg。

鋁合金連接工藝

鋁合金連接常見的有三種工藝：無鉚連接、自沖鉚和熱熔流鉆工藝。

1.無鉚連接（TOX）

在沖壓過程中，依據(jù)板件本身材料的擠壓塑性變形，使兩個板件在擠壓處形成一個互相鑲嵌的圓形的連接過程，稱為無鉚連接。

無鉚連接的成型共分6個階段，如圖1所示：A—初壓入；B—擠壓；C—形成上部輪廓；D—充滿環(huán)形空間；E—凸模側的板件材料向側面移動；F—形成TOX連接圓點。

圖1 無鉚連接

2.自沖鉚連接（SPR）

自沖鉚連接是通過將鉚釘穿透上層材料（中間材料），鉚釘腿部的中空結構在鉚模的作用下，向下層材料擴張并刺入底層材料，但不會對下層進行沖裁，最后鉚釘與上（中）下層板材之間形成機械互鎖結構的連接過程。如圖2所示，自沖鉚連接形成分6個階段。

圖2 自沖鉚連接

3.熱熔流鉆擰緊工藝（FDS）

一種通過設備中心擰緊軸將電動機高速旋轉(zhuǎn)傳導到連接板料摩擦生熱產(chǎn)生塑性形變后，自攻絲并焊接的冷成形工藝，此工藝為單面連接技術。如圖3所示，熱熔流鉆擰緊工藝分4個階段。

圖3 熱熔流鉆擰緊工藝

試驗內(nèi)容和方法

無鉚連接TO X試驗分為六組。采用冷軋薄鋼板之間連接、鋁合金之間連接以及鋁合金與冷軋薄鋼板連接試驗，進行相同料厚和不同料厚的剪切和拉伸試驗。

自沖鉚連接采用五組試驗，每組剪切、抗拉剝離、十字拉伸各做3次。

熱熔流鉆擰緊做九組，每組剪切、抗拉剝離、十字拉伸各做3次。

1.無鉚連接試驗

選用DC01鋼板和DC01鋼板，做剪切和拉伸試驗。其中：

（1）剪切試驗 采用相關組合連接，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。各種材料組合剪切試驗對比，如圖4所示。

試驗結果說明：

表1 TOX剪切試驗數(shù)據(jù)

圖4 TOX最大剪切力對比

1）鋼板和鋼板無鉚連接比鋁合金與鋁合金連接、鋁合金鋼連接剪切力大90% 。

2）無論鋼板和鋼板無鉚連接還是鋁板和鋁板無鉚連接，隨著上層料厚的增加，剪切力增大；隨著下層料厚的增加，剪切力在減小。

（2）拉伸試驗 采用相關組合連接，拉伸試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 TOX拉伸試驗數(shù)據(jù)

各種材料組合拉伸試驗對比，如圖5所示。

圖5 TOX最大拉伸力對比

試驗結果說明：

1）鋼板和鋼板無鉚連接比鋁鋁連接、鋁鋼連接拉伸50%。

2）無論鋼板和鋼板無鉚連接還是鋁板和鋁板無鉚連接，隨著上層或下層料厚的增加，拉伸力在增大；隨著上下板料厚差值增加，拉伸力也在增大。

2.自沖鉚連接試驗

選取鋼板在鉚接壓力及速度變化各做3次鉚接，并做剪切、剝離和十字拉伸破壞試驗。

（1）剪切試驗 采用相關組合連接，做剪切試驗，數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 SPR剪切試驗數(shù)據(jù)表

剪切試驗對比如圖6所示。

圖6 SPR最大剪切力對比

試驗結果說明：

1）試驗顯示，鋼板和鋁合金自沖鉚連接和鋁鋁自沖鉚連接相比，剪切力大30%。

2）鋁合金與鋁合金鉚接試驗時，剪切強度變化不大，不因壓力降低而降低；同時不因速度增大而增大。鋁合金與鋁合金自沖鉚連接，剪切強度受速度和壓力影響小。

表4 SPR剝離試驗數(shù)據(jù)

圖7 SPR最大剝離力對比

（2）剝離試驗 采用相關組合自沖鉚鉚接并做剝離破壞試驗。剝離試驗數(shù)據(jù)詳見下表4。

剝離試驗對比，如圖7所示。

試驗結果說明：

1）剝離試驗顯示，鋼和鋁合金自沖鉚連接與鋁合金和鋁合金自沖鉚連接相比，剝離強度變化不明顯。

2）鋁合金和鋁合金自沖鉚剝離試驗顯示，隨著速度的增大，剝離強度隨著波動；剝離強度不因速度增加而增大。

（3）十字拉伸試驗 采用相關組合自沖鉚連接后，做十字拉伸試驗。

試驗數(shù)據(jù)詳見表5。

十字拉伸試驗對比結果，如圖8所示。

試驗結果說明：

1）十字拉伸試驗，鋼鋁鉚接十字拉伸強度比鋁鋁鉚接十字拉伸強度小5%～8%。

2）鋁鉚接十字拉伸試驗顯示：隨著鉚接速度的上升，十字拉伸強度下降。

3.熱熔流鉆試驗

采取相關鋼板組合，開孔、不開孔各做三次試驗，詳見表9，并進行剪切強度剝離十字拉伸試驗（鑄鋁不參與十字拉伸和剝離試驗）。

（1）剪切試驗 采取相關鋼板組合進行FDS連接，并做剪切試驗，數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 SPR十字拉伸試驗數(shù)據(jù)表

圖8 SPR最大十字拉伸力對比

表6 FDS剪切試驗數(shù)據(jù)表

剪切試驗數(shù)據(jù)對比，如圖9所示。

圖9 FDS最大剪切力對比

試驗結果說明：

1）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接比比鋁合金和鋁合金連接剪切強度大25%，高強鋼鋁熱熔流鉆連接比鋼和鑄鋁連接開孔時大28%，不開孔時大35%。就是說，高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接比鋁合金和鋁合金連接以及鋼和鑄鋁連接剪切強度大。

2）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接時，剪切強度不因速度增加而增大，即剪切強度因速度影響不大。

3）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆預開孔和不預開孔按對剪切強度影響不大；高強鋼和鑄鋁連接時，剪切強度受板材預開孔影響比鋼鋁熱熔流鉆大。

（2）剝離試驗 采取相關鋼板組合進行FDS連接，并做剝離試驗，試驗數(shù)據(jù)如表7所示。

FDS剝離數(shù)據(jù)對比，如圖10所示。

試驗結果說明：

1）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接試驗顯示：開孔對剝離試驗強度幾乎沒影響。

2）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接與鋁合金和鋁合金熱熔流鉆連接試驗相比：高強鋼和鋁合金剝離強度是鋁合金和鋁合金剝離力的2.5倍，即高強鋼鋁合金比鋁合金鋁合金熱熔流鉆連接剝離強度大很多。

3）鑄鋁熱熔流鉆連接不適用于剝離試驗。

（3）十字拉伸采取相關鋼板組合進行FDS連接，并做十字拉伸試驗。試驗數(shù)據(jù)如表8所示。

FDS剝離數(shù)據(jù)對比，如圖11所示。

試驗結果說明：

表7 FDS剝離試驗數(shù)據(jù)表

圖10 FDS最大剝離力對比圖

表8 FDS十字拉伸試驗數(shù)據(jù)表

圖11 FDS最大十字拉伸力對比

1）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接試驗顯示：預開孔對十字拉伸影響強度影響小。

2）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接比鋁合金和鋁合金連接十字拉伸強度大31%。

3）鑄鋁不適于十字拉伸試驗。

4.連接強度對比

通過鋼和鋁合金、鋁合金和鋁合金無鉚連接、自沖鉚、熱熔流鉆連接，進行剪切試驗、剝離試驗、十字拉伸試驗，總結出鋁合金連接與鋼和鋁合金連接強度對比，詳見表9。

結語

通過冷軋鋼板與鋁合金（含鑄鋁）無鉚連接、自沖鉚、熱熔流鉆連接工藝試驗研究，總結出一些鋁合金連接特點，在鋁合金白車身開發(fā)中可以作為借鑒和參考。

（1）鋼和鋼連接比鋼和鋁合金連接剪切強度大。

表9 鋁合金連接試驗強度對比表

（2）鋼和鋁合金連接比鋁合金和鋁合金連接剝離強度大。

（3）上、下層料厚變化對無鉚連接拉伸強度影響大。

（4）鋼和鋼無鉚連接比鋁合金和鋁合金連接剪切和拉伸強度大。

（5）鋼和鋁合金自沖鉚連接十字拉伸強度比鋁合金和鋁合金連接強度小。

（6）高強鋼和鋁合金熱熔流鉆連接十字拉伸強度比鋁合金和鋁合金連接強度大。

（7）預開孔對熱熔流鉆連接強度影響小。