孔塞焊方法在鋁合金車門導軌連接處的應用

宋小雨，李井泉，毛曉東，劉慶永，李秀磊，徐志強

（中鋁材料應用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

汽車輕量化的發展給鋁合金材料在汽車上的應用帶來了巨大機遇。由于鋁合金材料具有導熱率高、導電性好、氧化性強以及線膨脹率系數大等特點，使用傳統電阻點焊容易在焊縫區域出現氣孔、變形以及裂紋等問題，難以保證鋁合金車門結構件的牢固連接[1-2]。目前鋁合金車門主要采用SPR 工藝、FDS 工藝與膠接工藝結合的方式[3]，連接強度可靠，可以滿足鋁合金車門的連接性能要求。

車門窗框造型及尺寸對駕駛員的視野、乘客的舒適感有較大影響，所以傳統車門內板和窗框導軌搭接邊長度通常設計較小，約為8~10 mm。受材料性能影響，鋁合金車門主要采用膠鉚連接，但車門窗框導軌處的搭接邊寬度無法滿足自沖鉚接SPR工藝要求（大于20 mm），容易發生鉚接失效，因而無法保證連接點強度。同時，采用自沖鉚接在導軌外側會存在1~2 mm 高的鉚接凸點，導致玻璃尼槽的唇邊安裝不平順，存在影響車門玻璃平順運行及損害玻璃尼槽使用壽命等問題。

基于以上問題，本文探討了在某鋁合金車門窗框導軌與車門內板搭接處采用孔塞焊的形式，不僅解決了由于搭接邊寬度小，鉚接質量無法保證的問題，同時也解決了鉚釘凸點影響車門玻璃平順運行及損害玻璃尼槽使用壽命的問題。

1 鋁合金車門玻璃導軌連接處結構設計

車門內板與玻璃導軌連接處的設計要考慮側視野的開闊性、玻璃尼槽的安裝、導軌連接處的強度等因素。某鋁合金車門玻璃導軌連接處的結構由車門內板和鋼制玻璃導軌組成（見圖1（a）），且此處通常采用自沖鉚接和膠粘配合連接。經過測量現有車門數據，發現車門內板與導軌連接處的有效搭接邊尺寸L無法滿足SPR工藝操作的空間要求，如圖1（b）所示。因此，在不改變窗框尺寸和搭接邊長度的情況下，如何實現玻璃導軌處的有效連接是當前需要解決的關鍵問題

圖1 窗框結構及斷面示意圖

2 鋁合金車門玻璃導軌處鉚接連接

若鋁合金車門玻璃導軌處采用膠鉚連接工藝，需要滿足的最小搭接邊為20 mm。而現有窗框搭接尺寸L 為10 mm，無法滿足SPR 連接工藝要求，如圖2（a）所示；若直接加大搭接邊寬度L，窗框開口尺寸會相應減小從而影響側視野范圍；L向空腔方向加大，斷面空腔面積減小會降低窗框結構剛度。由此可見，二者任一結構上的改動都會影響整車舒適性和安全性[4-6]。

圖2 鉚接工藝示意圖

3 鋁合金塞焊形式的應用

基于玻璃窗框搭接邊寬度不能滿足鉚接SPR工藝要求，同時又不能更改窗框開口尺寸和窗框斷面空腔面積的情況下，本文利用孔塞焊連接形式替代鋁合金膠鉚連接，不僅解決了窗框結構空間受限問題，同時保證了連接強度，實現車門整體安裝強度的安全。

3.1 窗框導軌處塞焊位置及強度要求

塞焊的一般布置間距為（80±10） mm，結構設計完成后根據性能分析適當微調，具體參見圖3。

圖3 塞焊位置示意圖

建立車門總成分析模型，見圖4。車門可靠性強度分析標準見表1。利用Hypermesh 軟件進行可靠性強度分析，獲得車門窗框導軌處塞焊位置的應力值分布，如圖5所示。

表1 可靠性強度分析標準

圖4 車門總成分析模型

圖5 塞焊位置應力分析結果

結合車門窗框導軌處的受力工況，選取最大載荷進行分析，最終獲得車門窗框導軌塞焊位置處的最大應力值為31 MPa，應力較小。

3.2 塞焊強度試驗驗證

為了進一步驗證采用塞焊工藝的可行性，按照該車門所用的板材材質和厚度設計試驗方案：采用鋼板DC01-0.7 mm和鋁板AL5182-1.5 mm試樣進行塞焊連接，試樣尺寸為120 mm×40 mm；通過改變塞焊孔的形狀尺寸及塞焊方向，獲得不同參數對接頭強度的影響規律。采用圖6所示的兩種連接形式測試連接點的抗剪強度和抗拉強度。

圖6 強度試驗

結合表2 和圖7 可以看出，塞焊孔形狀采用長圓孔時連接強度較高，而長方孔在尖角處存在應力集中，鉚點處板材脫落現象明顯，對連接強度有削弱影響。

表2 塞焊孔形狀尺寸對接頭強度影響的試驗結果

圖7 塞焊孔形狀尺寸對接頭強度的影響

結合表3 和圖8 可以看出，采用鋁板開孔而鋼板不開孔的塞焊方式時，失效形式均為焊點脫落，連接強度較差，應避免采用。這主要是因為鋼板與鋁板的熔點差異較大，出現了鋁合金熔化時鋼板未焊透的情況。當采用鋼板開孔與鋁板不開孔的塞焊方式時，失效形式均為板材撕裂，連接位置性能良好，且在塞焊孔邊緣出現了自鎖凸起，進一步增加了強度。

表3 塞焊開孔方式對接頭強度影響的試驗結果

圖8 塞焊開孔方式對接頭強度的影響

4 結論

通過對塞焊孔形狀尺寸、塞焊開孔方式對連接強度的影響規律進行系統研究及試驗，由試驗結果可見，二者對連接強度的影響較大。

（1）通過對圓形、長圓形、長方形塞焊孔的連接強度試驗分析，塞焊孔的形狀應優先采用長圓孔。結合連接強度試驗結果及鋁合金焊接熱變形的情況，在車門窗框導軌搭接邊只有10 mm 的長度下，最終確定長圓孔的尺寸為6 mm×8 mm。

（2）采用鋁板開孔與鋼板不開孔的塞焊方式時，失效形式均為焊點脫落；采用鋼板開孔與鋁板不開孔的塞焊方式時，失效形式均為板材撕裂；根據連接強度試驗對比結果，最終采用鋼板開孔與鋁板不開孔的塞焊方式。

（3）在鋁合金車門窗框處的有效搭接邊只有10 mm的前提下，采用孔塞焊方法不僅實現了鋁合金車門內板與鋼制玻璃導軌的有效連接，保證連接強度，同時也為鋁合金車門在鉚接空間不足的位置提供了一種新的連接方法。