連接技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用

李小飛 魏建

（浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司）

汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，鋼鋁混合車(chē)身的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)已經(jīng)在部分汽車(chē)公司開(kāi)始研究和實(shí)施應(yīng)用。研究表明：鋼鋁連接接頭成本約為白車(chē)身成本的10%～20%，連接技術(shù)的正確使用對(duì)車(chē)身降成本意義重大。積累鋼鋁混合連接技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)/CAE/Safety/同步工程經(jīng)驗(yàn)，有利于支持后續(xù)類(lèi)似新車(chē)型開(kāi)發(fā)。文章介紹了鋼鋁混合車(chē)身連接技術(shù)，并通過(guò)案例講述各種連接技術(shù)在車(chē)型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和制造中的典型應(yīng)用。

1 連接技術(shù)介紹及應(yīng)用

1.1 鋁合金點(diǎn)焊

焊接接頭形式，如圖1所示。鋁合金熔點(diǎn)低、熱膨脹率及導(dǎo)電率高，表面易氧化，鋁點(diǎn)焊需大電流、短時(shí)間、多脈沖、大電極壓力，對(duì)焊機(jī)、變壓器及焊槍的供電要求高，大電極壓力需要焊槍結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠[1]。因此，鋁合金點(diǎn)焊設(shè)備費(fèi)用很高，國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造廠(chǎng)應(yīng)用較少。通用汽車(chē)在量產(chǎn)車(chē)型中應(yīng)用，由于焊鉗體積較大，無(wú)法手持，需要機(jī)器人自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。圖2示出鋁合金點(diǎn)焊焊鉗。

圖1 鋁合金點(diǎn)焊接頭形式

圖2 鋁合金點(diǎn)焊焊鉗

1.2 鋁弧焊（MIG）

焊接接頭形式，如圖3所示。鋁熔點(diǎn)低，550～660℃，熱膨脹系數(shù)是鋼的2倍，導(dǎo)熱性是鋼的4倍，因此，焊接變形及焊接應(yīng)力增加，需要采用低熱輸入量焊接工藝（如CMT技術(shù)）。由于鋁合金吸熱后極容易熱應(yīng)力集中，造成板件開(kāi)裂。目前主要采用2種方式減少M(fèi)IG焊時(shí)所產(chǎn)生的熱量，即機(jī)械截?cái)嗍胶碗娫唇財(cái)嗍?，通過(guò)引弧-熄弧-再引弧的重復(fù)方式減小熱量的輸入。

圖3MIG接頭形式

目前，MIG在車(chē)身上應(yīng)用比較廣泛，如全鋁前防撞梁、吸能盒等碰撞安全關(guān)鍵零部件；另外，鋁鑄件與鋁型材之間也可以通過(guò)MIG進(jìn)行連接，圖4示出MIG產(chǎn)品。

圖4MIG產(chǎn)品

1.3 自穿釘鉚接（SPR）

SPR（Self-piercing rivet）屬于冷連接技術(shù)，接頭形式，如圖5所示。其獨(dú)特的連接方式，使其可以有效克服鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕金屬材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱性快，熱容小，易氧化，難以采用傳統(tǒng)的連接方法進(jìn)行焊接的缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)電焊相比，自沖鉚接的強(qiáng)度能增加30%。圖6示出SPR連接工作原理圖。

圖5 SPR接頭形式

圖6 SPR工作原理圖

SPR工藝優(yōu)點(diǎn)：1）不僅適于同種材料之間的連接，而且能夠?qū)崿F(xiàn)鋁/鎂、鋁/鋼、鎂/鋼、鋁合金/鎂合金/高強(qiáng)度鋼等金屬材料和高分子材料/復(fù)合材料的同質(zhì)和異質(zhì)材料的雙層及多層連接；2）鉚接過(guò)程能耗低，無(wú)熱效應(yīng)，不會(huì)破壞涂層。

SPR工藝缺點(diǎn)：1）不同材質(zhì)、厚度及硬度的接頭組合需要不同的鉚釘、沖頭及沖模，鉚釘成本較貴；2）設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于電阻點(diǎn)焊，鉚接點(diǎn)的平面凸起2～3mm，2層板連接后再與第3層板連接時(shí)，對(duì)進(jìn)槍的方向有限制；3）只能使用C型鉚接槍?zhuān)鐖D7所示，連接點(diǎn)處的雙側(cè)需要預(yù)留進(jìn)槍空間（無(wú)法應(yīng)用于封閉型腔）。

圖7C型SPR鉚槍

目前，SPR已廣泛應(yīng)用于奧迪、寶馬、捷豹、沃爾沃、通用、福特和菲亞特克萊斯勒等公司鋁合金車(chē)身的制造，接頭疲勞強(qiáng)度可達(dá)電阻點(diǎn)焊的2倍。國(guó)內(nèi)奇瑞捷豹路虎、凱迪拉克CT6車(chē)身普遍采用的連接工藝就是SPR。

1.4 無(wú)鉚釘自沖鉚接（Clinching）

Clinching屬于壓力連接的一種，利用板件本身的冷變形能力，對(duì)板件進(jìn)行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的機(jī)械連接技術(shù)。圖8示出Clinching接頭形式。

圖8 Clinching接頭形式

Clinching與SPR工藝相比，優(yōu)點(diǎn)：1）它不需要額外的鉚釘，在大規(guī)模生產(chǎn)制造中，壓力連接的總成本要明顯低于SPR連接；2）在連接形成過(guò)程中，板件的防銹鍍層或漆層也隨之一起塑性變形流動(dòng)而無(wú)撕裂損傷，因此，不會(huì)對(duì)零件表面造成破壞，也不會(huì)影響連接點(diǎn)處材料的抗腐蝕性及強(qiáng)度[2]。缺點(diǎn)：目前其在車(chē)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用主要局限于車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、輪罩等強(qiáng)度要求相對(duì)較低的部件上，如圖9所示，其應(yīng)用范圍并不如SPR廣泛，主要原因在于其連接強(qiáng)度不如鋼鋁混合車(chē)身，而鋼鋁混合車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)連接點(diǎn)強(qiáng)度的要求更高。

圖9 Clinching車(chē)身外覆蓋件的應(yīng)用

1.5 熱熔自攻螺釘（FDS）

FDS接頭形式，如圖10所示。FDS工藝通過(guò)螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)軟化待連接板，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(gè)環(huán)狀套管。圖11示出FDS工作原理圖。

圖10 FDS接頭形式

FDS工藝的優(yōu)點(diǎn)有：1）因?yàn)槁葆敳恍枰冃?，因此可以用?lái)連接包括超高強(qiáng)鋼、鋁鎂合金、復(fù)合材料在內(nèi)的異種材料，如圖12所示；2）單面進(jìn)槍?zhuān)捎糜诜忾]型腔結(jié)構(gòu)、壁厚或封閉腔體，無(wú)法使用SPR或Clinching；3）板件被加熱，板件與螺釘接觸好，連接強(qiáng)度大。

FDS工藝的缺點(diǎn)有：1）設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于電阻點(diǎn)焊，鉚釘成本高；2）單面施力，連接時(shí)需要高強(qiáng)度剛性支撐；3）操作時(shí)間長(zhǎng)，約為 5～8 s；4）工藝完成后，材料正反面均有較大凸起，螺釘尺寸較長(zhǎng)，如果大量使用會(huì)增加車(chē)身自重，同時(shí)過(guò)長(zhǎng)的露出部分也會(huì)對(duì)車(chē)身的設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)生影響；5）因?yàn)橄聦右@穿，接頭的防腐能力會(huì)下降。

目前，F(xiàn)DS作為單面進(jìn)入多層板材連接技術(shù)中最常見(jiàn)的應(yīng)用，設(shè)備主要由國(guó)外廠(chǎng)家提供。

1.6 壓力穿刺鉚(Rivet）

圖13示出壓力穿刺鉚釘。

圖13 壓力穿刺鉚釘

壓力穿刺鉚主要特點(diǎn)有：1）輔料成本高，Rivet比FDS的價(jià)格要貴1倍，因此設(shè)備壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于FDS，造成設(shè)備成本較高，同時(shí)導(dǎo)致設(shè)備笨重；2）噪聲大，必須建設(shè)單獨(dú)廠(chǎng)房，對(duì)生產(chǎn)廠(chǎng)房空間要求高；3）連接時(shí)相對(duì)熱變形小，板件匹配效果好；4）無(wú)法拆卸，相對(duì)FDS返修更加困難。壓力穿刺鉚工作原理，如圖14所示。

圖14 應(yīng)力穿刺鉚連接過(guò)程示意圖

目前，該技術(shù)只在少數(shù)公司試用，如：奔馳、特斯拉等。

1.7 結(jié)構(gòu)膠(Adhesive）

膠粘連接在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，與其他連接方法相比，膠粘連接有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：粘接采用面接觸，而非點(diǎn)或線(xiàn)接觸。與點(diǎn)焊及鉚接相比，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，連接強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度也相對(duì)較高，而且連接范圍廣，應(yīng)用于各種輕金屬、鋼材以及其他不同材料的連接。

膠粘劑在車(chē)身上的應(yīng)用，最初是以防腐和密封為目的，后來(lái)逐步發(fā)展到對(duì)連接的剛度和強(qiáng)度也提出較高的要求。新一代結(jié)構(gòu)膠粘劑具有高強(qiáng)度、高剛度，同時(shí)在沖擊載荷的作用下，又具有足夠的韌性和柔性，能夠滿(mǎn)足車(chē)身結(jié)構(gòu)的需求，擴(kuò)大了膠粘連接的應(yīng)用范圍。圖15示出結(jié)構(gòu)膠在車(chē)身上使用的區(qū)域。

圖15 結(jié)構(gòu)膠在車(chē)身上使用的區(qū)域

目前，結(jié)構(gòu)膠在各大主機(jī)廠(chǎng)中的單車(chē)用量呈逐漸上升的趨勢(shì)，以提升車(chē)身的整體性能。

2 結(jié)論

連接工藝不是孤立存在的，不同的連接工藝可以通過(guò)自動(dòng)工具切換系統(tǒng)來(lái)完成，以滿(mǎn)足行業(yè)柔性化的需要。連接工藝方式主要取決于車(chē)身材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

綜合各種因素，在汽車(chē)制造中，國(guó)內(nèi)輕量化車(chē)身應(yīng)用較多的是Clinching和SPR連接技術(shù)。國(guó)內(nèi)鋼鋁混合車(chē)身的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、材料成型工藝、制造工藝及連接設(shè)備等并不是很成熟，需要更多高校、科研機(jī)構(gòu)、汽車(chē)廠(chǎng)以及設(shè)備供應(yīng)商加強(qiáng)溝通和合作，人們會(huì)很快掌握輕量化車(chē)身連接技術(shù)并逐漸推廣應(yīng)用。