多參數(shù)田口穩(wěn)健性設(shè)計的鋼鋁點焊連接性能研究

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250057

Multi-Parameter Taguchi Robust Design for Performance Study ofSteel-Aluminum Spot Welding Joints

Bao Li，Wang Di （Pan Asia Technical Automotive Center，Shanghai 201216）

Abstract：This paper primarily introduces research on the process optimization of steel-aluminum spot welding jointperformanceand therobust designof welding parameters.Using the Pugh Matrix Analysis，the study compares solutionssuchasenhancedrivet materials，modifiedrivet structures，andoptimizedriveting/spotwelding parameters basedonfactorsincluding joint strength，weldnuggetdiameter，andcostefficiency，ultimatelyselectingsteelaluminum spot welding as theoptimal strategy.Subsequently，the Taguchi Methodand orthogonal experimentsare employed tostudythe influenceof weldingcurrnt，welding pressure，welding time，and electrodecapdiameteron joint strength of steel-aluminum spotwelding.Finall，asetofoptimalwelding parametersare selected from theperspective of maximizing shear strength，and steel aluminum spot welding and shear testsare conducted to verify their effectiveness and robustness.

Keywords：Stel-aluminumresistance spot welding，Pugh matrix，Taguchi method，Weldingparamters， Robustness

1前言

研究表明，整車質(zhì)量每減輕 10% ，傳統(tǒng)燃油車能耗可減少 5%～8% ，純電動車型續(xù)駛里程可提升12～13km ，而我國2025年新能源汽車滲透率預(yù)計突破 50% ，輕量化技術(shù)對突破續(xù)航瓶頸具有關(guān)鍵價值。在此驅(qū)動下，鋁合金憑借其低密度（ 2.7g/cm³ ，僅為鋼的1/3）、高比強度及循環(huán)利用特性，成為輕量化材料體系的核心支柱。當(dāng)前，單車用鋁量從2016年的 100kg 攀升至2025年的 180kg ，復(fù)合增長率達(dá) 8.5% ，并在動力電池殼體、電驅(qū)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件實現(xiàn)規(guī)模化替代。

然而，鋁合金與鋼材的物性差異催生了鋼鋁混合車身的連接技術(shù)挑戰(zhàn)。鋼鋁異質(zhì)材料界面易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕與熱應(yīng)力集中，傳統(tǒng)焊接工藝難以滿足結(jié)構(gòu)可靠性要求。為此，自沖鉚接（Self-PiercingRivet，SPR）、流鉆螺釘（FlowDrillScrew，F(xiàn)DS）與膠接復(fù)合技術(shù)快速發(fā)展，通過多物理場耦合優(yōu)化連接界面強度，使鋼鋁混合白車身減重率達(dá) 25%～40% ，同時保障碰撞安全性與NVH性能。雖然SPR和FDS能確保鋼鋁之間的高強度機械連接[-4]，但是技術(shù)專利壟斷和生產(chǎn)設(shè)備的大量投入導(dǎo)致工藝成本較高且通用性受限。并且，SPR尾部形成約 2～3mm 的凸起“鉚扣”，F(xiàn)DS釘頭釘尾凸起、反面刺破，這些凸起影響裝配精度與美觀性，以及與其他部件空間干涉、FDS的熱軟化、降低連接點疲勞強度的風(fēng)險。

本文設(shè)計一種新型汽車用鋼鋁連接的點焊技術(shù)，對選擇合適鋼鋁點焊工藝方案的原則和方法進(jìn)行介紹，并研究焊接工藝參數(shù)對連接性能的影響。

2鋼鋁點焊連接方式介紹

該鋼鋁點焊連接的具體實施步驟為：

a.鉚嵌互鎖結(jié)構(gòu)：通過自動化輸送系統(tǒng)將特制鋼鉚釘精準(zhǔn)導(dǎo)入鉚模工位，通過鋼鉚釘和鉚模的協(xié)同作用，在鋁板預(yù)連接區(qū)域完成無預(yù)制孔沖壓，最終將鋼鉚釘嵌鉚入鋁板，并將沖孔廢料排出，實現(xiàn)穩(wěn)定的鉚嵌機械互鎖結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

b.膠接防腐協(xié)同：在鋼板預(yù)連接面定量噴涂結(jié)構(gòu)膠，抑制鋼鋁界面電偶腐蝕，并提高連接強度（后續(xù)經(jīng)電泳烘房烘烤，使結(jié)構(gòu)膠固化，實現(xiàn)其連接強度提高的作用）；

c.鋼鋁點焊：配置自適應(yīng)電阻點焊系統(tǒng)，在鋼鉚釘和鋼板界面完成點焊，形成焊核，實現(xiàn)鋁鋼連接，如圖2所示。

如圖3所示，該鋼鉚點焊完成后主要產(chǎn)生3個連接功能區(qū)：鋼鉚釘頭部與下層鋼板的焊接熔核區(qū)、鋼鉚釘桿與鋁板之間的形成的鉚接鎖正區(qū)以及鋼板、鋁板和結(jié)構(gòu)膠之間形成的膠接增強區(qū)。IntelligenceWelding（IW）為自研的新型鋼鋁連接方式命名。

3鋼鋁點焊連接評判標(biāo)準(zhǔn)確定

參考鋼鋁混合車身已廣泛應(yīng)用的連接方式SPR和FDS，對比在相同鈑材和料厚條件下的連接強度和失效位移。文中引入的鋼鋁點焊工藝更適合應(yīng)用于受剪切載荷的區(qū)域，對比3種連接工藝在剪切試驗下的最大剪切載荷和對應(yīng)的剪切失效位移，剪切試驗方法如圖4所示。鈑材和板厚按照最常用的組合選取：上層鋁板選取 5xxx 系，料厚1.4mm ；下層鋼板選取CR340，料厚 1.0mm 。

由圖5、圖6可知： 1.4mm 鋁板和 1.0mm 鋼板的SPR連接剪切載荷均值為 12596.01N ，平均失效位移為 3.78mm;1.4mm 鋁板和 1.0mm 鋼板的FDS連接剪切載荷均值為12980.25N，平均失效位移為 3.92mm 。

因此，要求IW的剪切強度不低于SPR和FDS，失效位移不高于SPR和FDS，制定鋼鋁點焊連接的工程評判標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

4鋼鋁點焊工藝方案設(shè)計

4.1 方案確定

如圖7所示鋼鉚釘主要特征尺寸包括：鉚桿長度A，鉚頭長度 B ，法蘭盤直徑L，鉚頭直徑 N

首先，采用普氏矩陣方法比較鋼鋁點焊工藝方案，其核心思想是通過對比備選方案與基準(zhǔn)方案的差異，量化分析各方案，最終實現(xiàn)最優(yōu)決策或方案融合。

基于現(xiàn)有設(shè)計，可提升連接性能的備選方案如表2所示，主要是增強鉚釘材料、增強鉚釘結(jié)構(gòu)、優(yōu)化沖鉚和點焊工藝參數(shù)。

從連接強度、焊核直徑、成本、外觀質(zhì)量、制造柔性、開發(fā)周期等維度，針對各方案比較分析，結(jié)果如表3所示。標(biāo)準(zhǔn)“ + ”代表優(yōu)于基準(zhǔn)，“-\"代表差于基準(zhǔn)，“S”代表與基準(zhǔn)相當(dāng)，“∑”代表求和。每個方案的得分是通過簡單地在每一列中加上加號和減號的數(shù)量得到的。凈得分最高的產(chǎn)品概念被認(rèn)為是首選的產(chǎn)品概念。

其中，鉚釘材料強度提升，剪切強度基本一致；鉚釘法蘭盤增大，外觀質(zhì)量下降；鉚釘法蘭盤增大，設(shè)計空間減小，成本高，開發(fā)周期長；增強結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沖鉚后鋁板出現(xiàn)凸起；焊接工藝參數(shù)優(yōu)化可使焊核增大，連接強度增大。由表3可見，P5在連接強度、焊核直徑、制造柔性和開發(fā)周期方面均具有優(yōu)勢，凈得分為4，故最終選擇優(yōu)化點焊工藝參數(shù)作為研究方案。

4.2鋼鋁點焊連接工藝參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用田口法的非動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行提高鋼鋁點焊連接性能的研究[5，模型如圖8所示。

控制因子選取鋼鋁點焊連接工藝在實際生產(chǎn)可操作調(diào)整的4個參數(shù)：焊接電流、焊接壓力、焊接時間和電極帽直徑。為簡化試驗，每個控制因子選擇3個水平，如表4所示；噪聲因素是指影響系統(tǒng)響應(yīng)但不受控制的因素，選擇電極帽位置度為噪音因子N，選擇2個水平，如表5所示。

為獲取最優(yōu)解，采用正交試驗方法，根據(jù)L9（34）正交列表試驗?zāi)Ｐ停琋1和N2的剪切強度通過正交試驗獲得，如表6所示。

分別計算剪切強度均值 M 和信噪比 S/N ，結(jié)果如表6所示。根據(jù)表6中試驗數(shù)據(jù)，分別繪制剪切強度均值響應(yīng)點圖及信噪比響應(yīng)點圖，如圖9、圖10所示。

本系統(tǒng)響應(yīng)連接剪切強度望大，最佳控制因子選取原則為：選擇最大化影響均值和信噪比的因子設(shè)定。由圖11、圖12可知：B和D因子對均值和影響最大，A和C因子影響其次；從均值和信噪比最大化考慮，最佳參數(shù)組合選擇A2、B2、C2、D2。

4.3穩(wěn)健性確認(rèn)

按照選定的最佳參數(shù)組合進(jìn)行鋼鋁點焊試焊和剪切試驗：

a.連續(xù)焊接500點，每50個點抽取1個點進(jìn)行破檢試驗，測量焊核尺寸，如圖11所示，結(jié)果顯示均大于 4mm ，滿足目標(biāo)要求；

b.剪切強度均值達(dá)到 13.9kN ，剪切失效位移為 3.76mm ，如圖12所示，均滿足設(shè)定的工程指標(biāo)要求。

對比基準(zhǔn)組合方案，穩(wěn)健性確認(rèn)結(jié)果如表7所示。

穩(wěn)健性評估分析：

a.最佳組合方案的剪切強度均值預(yù)測值增加了685.2N，相比于基準(zhǔn)組合提升了 5.20% ，均值試驗值增加了 686.8N ，相比于基準(zhǔn)提升了 5.20%

b.最佳組合方案的剪切強度信噪比預(yù)測值增加了 0.5dB ，減少了約 5.61% 的變化，信噪比試驗值0.7dB 的增加等于減少約 7.77% 的變化，系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

5 結(jié)束語

本文最終選擇的優(yōu)化點焊工藝參數(shù)使焊核直徑更大、綜合連接強度更高、制造柔性更大且可操作性強，開發(fā)周期更短，符合項目對鋼鋁點焊的要求。在選定參數(shù)范圍內(nèi)，焊接壓力和電極帽直徑對剪切強度影響最大，焊接電流和焊接時間其次。最佳組合方案的試驗結(jié)構(gòu)顯示，鋼鋁點焊連接性能均滿足設(shè)定的工程指標(biāo)要求，系統(tǒng)更加穩(wěn)健。本文鋼鋁點焊工藝方案選擇和研究工藝參數(shù)對連接性能穩(wěn)健性影響的思路和方法，也可為其他零件提供參考。

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