異種金屬接合法的種類及比較

黃 露

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

從保護地球環境來看，現各國對二氧化碳的排出量限制越來越嚴格，以汽車為首的運輸機械對其輕量化的要求越來越高。但另一方面，汽車的安全性也越來越受到重視，要求減輕對搭乘者和步行者的傷害，因此增加增強材也是車身重量增加的一個原因。

為滿足兩者要求，需根據其性能選擇最佳材料，具體指運用較多的軟鋼和高強鋼以及高強度化的超高強鋼和熱沖壓鋼，或者非鐵材料鋁合金，鎂合金和碳釬維增強復合材料（CFRP）等。如上的原材料成形加工后，涉及的連接工藝實施有一定困難。例如，鋼和鋁合金熔融連接的話，鐵和鋁之間會生成金屬間化合物，此特性會產生脆硬的連接部，易脫落，實際是不可能焊接的。

另一種，固相連接與熔融連接不同的是不會生成金屬間化合物，可形成穩定的連接。在汽車上已實際運用的固相連接異種材技術有攪拌摩擦焊（FSW Friction Stir Welding）。攪拌摩擦點焊（FSSW Friction Stir Spot Welding)有實際運用在后備箱[1]，線連接形狀的FSW有實際運用在懸架[2]。使用這種固相連接鋼和鋁合金是有可能的，但是，壓力控制要非常穩定，而且在組裝成品時還要考慮到產品形狀和工業精度上的偏差，要實施還是伴隨著一定困難。對于異種材連接，歐洲國家較為常見的是鉚釘機械連接。代表性的有以SPR（Self-Pierce Riveting）為首的各種接合技術且被實施運用。本文主要是對異種金屬接合技術的種類進行調查闡述。

1 異種金屬機械接合法種類

異種金屬連接最簡單的手段就是被接合體是鋼和鋁合金用鉚釘鉚接。還有一種手段是先鉚接鋁合金，然后鋼制的鉚釘和另一層鋼板進行電阻點焊的一種接合方法。表1所示為機械接合法的種類（Ⅰ～Ⅴ）和（a）鉚釘形狀、（b）方法以及（c）截面圖。

表1 機械連接法

1.1 SPR（Self-Pierce Riveting）自沖鉚

SPR屬于一般的機械接合法，在汽車中不僅限于異種材接合部，鋁合金之間也適用[3]。帶有法蘭邊的管狀鉚釘（表中Ⅰ-(a)）驅使下層板施加壓力，使板厚內部發生塑性變形，嵌入下層板料從而形成鉚釘與板料間的機械互鎖結構（表中Ⅰ-(b)）。以前，因驅動負載不足容易造成鉚釘沒有完成嵌入進去，對連接高強度材料鉚釘容易壓彎，不能適用于超過590MPa級高強度鋼。但是，經過近幾年的不斷改善，980MPa級鋼級以上級別的材料也適用。

1.2 Tuk-Rivet?注1）

相對于SPR鉚釘空心管狀不同，Tuk-Rivet?[4]是實心圓柱帶法蘭形狀的鉚釘（表中Ⅱ-(a)）。因和SPR一樣都是自身開孔型，所以也被分類為實心鉚釘SPR。此鉚釘對材料鉆孔后，鉚釘進入孔內，如（表中Ⅱ-(b)）的構造。因此，鉚釘經常被設計成螺紋狀，通過此螺紋形狀在板之間形成鉚接構造進行接合。正面和反面在鉚接完成后板面相對平整，多用于對外觀有要求的頂蓋或者支柱周邊。

1.3 FDS?注2）（Flow Drilling Screw）流鉆螺釘

SPR和Tuk-Rivet?都是需要兩面夾緊，所謂雙面進入。以此不同，如表中Ⅲ所示FDS?，底板是不需要夾具插入，所謂單面進入[5]。此方法也適用于被接合材是方材或者管狀的斷面材料。螺釘有螺紋的形狀邊旋轉邊插入，直到完全貫穿連接。上層板材如果是高強鋼的話則很難貫穿，需要預開孔再進行FDS?連接。和SPR一樣，是目前比較廣泛應用的一種連接工藝，異種材料，鋁合金之間都可運用此連接方法。

1.4 ImpAcT（Impulse Accelerated Tacking）高速射釘

ImpAct高速射釘技術僅應用于奔馳汽車[6]，釘子型號為RIVTAC?注3）。鉚釘和釘子形狀類似（表中Ⅳ-(a)），工藝原理不是旋轉而是射入的一種簡單工藝（表中Ⅳ-(b)）7）。和FDS?一樣是單面連接，高速射釘具有很高的生產效率，超高強鋼也可以射入，不需要預開孔，從材料和強度來看適用范圍很廣，但其缺點是連接時會產生較大的噪音。

1.5 FEW（Friction Element Welding）摩擦塞鉚焊

EJOT公司開發的EJOWELD?注4）技術應用于奧迪Q7上[8]。實施方法有兩種“元件”（表中Ⅴ）[5]，一種是法蘭圓柱狀的鋼制元件邊旋轉邊向上層板鋁合金壓入，與下板鋼板面接合的雙面進入（CFF）。另外一種是前端像釘子一樣的元件邊旋轉邊貫穿上板鋁合金以及下板鋼板，鉚釘軸的周圍和鋼板接合叫單面進入（CFP）[7]。鉚釘和下鋼板的接合原理同樣也是摩擦壓接法，屬于金屬間接合所以接合部強度高。另，上板是鋁合金則不需要預開孔就可以接合，但是樹脂連接必須進行預開孔。

2 總結

異種材接合技術作為汽車輕量化技術之一本文闡述了其技術的種類以及其特征。特別是對于機械接合法調查研究了材料組合性和實施性之間的關系。本次所描述的接合技術綜合其各種優缺點，適材適所的應用于車身上。現在，歐美國家正在往材料運用的多元化方向發展，國內目前也在逐漸擴大材料的使用范圍。

注1)Tuk-Rivet?為Kerb-Konus-Vertriebs-GmbH的注冊商標。

注2)FDS?為EJOT GmbH & Co. KG的注冊商標。

注3)RIVTAC?為B?llhoff Automation GmbH的注冊商標。

注4)EJOWELD?為EJOT GmbH & Co. KG的注冊商標。