全鋁與鋼－鋁混合車身輕量化的連接技術(shù)探討

劉宇哲

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，陜西咸陽 712000）

在車身中鋁合金的有效應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個方面，即鋁板、鋁型材、鋁鑄件。國外一些汽車廠家已經(jīng)開發(fā)了鋼-鋁混合車身與全鋁車身。而國內(nèi)大多數(shù)自主汽車制造廠商只應(yīng)用了少數(shù)鋁合金材料進一步實現(xiàn)汽車輕量化。全鋁與鋼-鋁混合車身的零部件之間的有效連接，與鋁合金之間的同材連接相關(guān)聯(lián)，并且涉獵鋁合金、高強度鋼-鋁合金與輕質(zhì)材料之間的異材連接。在大量使用鋁合金，以實現(xiàn)車身輕量化的基礎(chǔ)上，對既有車身連接工藝提出了新要求，所以，進一步開發(fā)并熟練掌握全鋁、鋼-鋁連接的新型工藝，在很大程度上為車身輕量化設(shè)計與制造奠定了堅實的基礎(chǔ)[1]。

1 車身輕量化技術(shù)

1.1 新材料

在汽車材料中，主要包括陶瓷、復(fù)合材料、鋁、塑料、鑄鐵、鋼等等。而在車身輕量化技術(shù)中，合理利用新型材料，進一步減輕車身重量已經(jīng)成為必然趨勢。目前，大部分汽車企業(yè)已經(jīng)開始開發(fā)并研制新型鋼板，即適度增加鋼板的強度，并降低其厚度。高強度的新型鋼合理應(yīng)用可以在一定程度降低振動與噪聲，保證汽車的燃油效率與穩(wěn)定性、安全性，從而降低汽車重量。鋁及合金材料重量比鋼要輕大約2/3，在發(fā)生碰撞的時候，可以多吸收一半能量，而且也不需做防銹處理，所以，在車身輕量化技術(shù)中備受青睞。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在車身結(jié)構(gòu)上，主要的發(fā)展趨勢是空間框架式結(jié)構(gòu)和無骨架式結(jié)構(gòu)。當前，大部分利用的是鋁擠壓型材料。選擇車身空間框架式結(jié)構(gòu)，采用改進斷面的方式，降低車身的質(zhì)量大約48%，車身的抗扭抗彎能力也得到顯著提升。此外，采取減少零部件數(shù)量的方式，實現(xiàn)車身的輕量化。在部分車型中，把數(shù)百零部件縮減到百個以內(nèi)，能夠減重大約1/3。與此同時，在減少零部件連接的基礎(chǔ)上，還能夠提高車身剛度[2]。

2 全鋁與鋼-鋁混合車身輕量化的連接技術(shù)

現(xiàn)階段，最常用的鋁合金相同材料、鋼-鋁異類材料的連接技術(shù)主要劃分為三種，即焊接、機械連接、粘接。焊接是熱連接工藝，常用的是鋁合金電阻點焊、激光焊、融化極惰性氣體保護焊、冷金屬過渡電弧焊、摩擦焊等。機械連接是冷連接工藝，常用的是自沖鉚接、熱熔自攻絲鉚接、無鉚釘鉚接、高強抽芯拉鉚、螺栓連接等。而粘接是基于結(jié)構(gòu)膠粘接+SPR 復(fù)合連接工藝，純粘接工藝應(yīng)用并不廣泛[3]。五種連接工藝的實際應(yīng)用現(xiàn)狀如表1所示。

表1 五種連接工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀

3 焊接工藝

3.1 鋁合金電阻點焊

鋁合金電阻點焊是受電極壓力作用，在母材雙側(cè)通電流，依賴電阻熱把鋁材熔化并連接起來。但是鋁合金的物理化學(xué)屬性，造就了其焊接性較差的結(jié)果。鋁合金與碳鋼的物理化學(xué)屬性對比，具體如表2所示。

表2 鋁合金與碳鋼物理化學(xué)屬性比較

鋁合金點焊連接技術(shù)采取大功率中頻焊機加自適應(yīng)技術(shù)，配置具備破除表面氧化膜功能的同心圓環(huán)電極頭或利用隔絕電極與母材之間接觸的電極帶。在電極的巨大壓力之下，同心圓環(huán)電極頭表面出現(xiàn)圓環(huán)，會將鋁合金氧化膜刺穿，有助于焊接回路的穩(wěn)定性，并獲取接觸電阻，以獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。在焊接時，電極帶的位置可以隨著焊接頭的位置變化自動隨意轉(zhuǎn)換，以確保電極和母材接觸面的整潔。對此，在母材和上、下電極中間添加連續(xù)電極帶，既可以實現(xiàn)上下電極兩端的熱平衡，又可以防止電極與鋁板直接性接觸，在提高焊縫水平質(zhì)量的基礎(chǔ)上，防止銅電極被燒損。鋁合金電阻點焊工藝在汽車中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在門蓋、側(cè)圍等外覆蓋件、內(nèi)骨架、地板范圍內(nèi)板類間之間的有效連接上。

3.2 激光焊接

在全鋁與鋼-鋁混合車身快速發(fā)展的趨勢下，激光焊接得以在鋁合金零部件連接中廣泛應(yīng)用，就焊接原理不同，劃分成兩種，即激光釬焊、激光深熔焊。其中，激光釬焊是基于聚焦之后的激光束作為熱源，通過熔化熔點低于母材的焊絲，以焊絲溶液浸潤尚未熔化的母材，填充連接位置的縫隙，從而實現(xiàn)可靠連接。因為焊接時變形不突出，焊縫的表面質(zhì)量比較美觀，且密封性良好，所以，主要應(yīng)用于汽車外表面覆蓋件連接。

激光深熔焊過程中，不必非增加填充材料，焊縫利用試件吸收高能量和高密度的激光束實現(xiàn)熔化，然后依靠母材溶液之間的擴散與凝固得以形成，其不僅自動化程度高，焊接效率高、速度快，而且具備良好的適應(yīng)性。另外，其焊接水平良好穩(wěn)定，搭接量較小，有助于實現(xiàn)車身輕量化與制造低成本。但是，需要針對鋁合金表面噴砂，陽極氧化或者把激光束傾斜到一定角度入射，以此保證表面激光的吸收率。深熔焊工藝在車門和側(cè)圍門口等位置的應(yīng)用比較廣泛。

3.3 熔化極惰性氣體保護焊

鋁合金焊接工藝主要是通過電弧熱把專用焊絲和母材熔化、擴散、凝固形成焊接接頭以此連接，一般利用氬氣或富氬氣體保護焊接熔池，以獲取焊接接頭。此方式的焊接質(zhì)量良好可靠，比較適合鋁合金中厚板連接，生產(chǎn)效率也較高。由于電弧屬于明弧，焊接過程中的參數(shù)比較穩(wěn)定，容易進行檢測和控制。一般情況下，在氬氣中添加大約1%氧氣，有助于改善電弧穩(wěn)定性。在全鋁與鋼-鋁混合車身設(shè)計時，型材類的零件連接經(jīng)常會選擇此焊接工藝。

3.4 冷金屬過渡電弧焊接

此焊接技術(shù)是新型低能耗連接工藝，具體工藝流程為四環(huán)節(jié)，即電弧引燃時焊絲進行進給運動；熔滴到熔池過渡時電弧熄滅，電流縮??；熔滴需要以焊絲回抽為載體進行脫落，電流依舊保持較小值；焊絲回抽到最初進給狀態(tài)，熔滴過渡遵循以上流程循環(huán)，通過精確化數(shù)字化工藝進行控制，效率可達到90次/s。此焊接技術(shù)可以在無電流狀態(tài)下進行熔滴過渡，以此減少了電弧輸入熱量的時間，降低了輸入量，能夠焊接0.3 mm 左右的鋁合金板材，這樣一來，在有效控制變形量的基礎(chǔ)上，還能夠提升焊接質(zhì)量的重復(fù)性。此焊接工藝可以實現(xiàn)鋼-鋁異材之間的連接，其穩(wěn)定性較高，焊接質(zhì)量良好，而且適用性非常強。

3.5 攪拌摩擦焊接

攪拌摩擦焊接是把高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具擠壓到母材中去，以此旋轉(zhuǎn)接觸摩擦熱為輔助，進行工件加熱，直到塑性軟化區(qū)域，然后冷卻形成有效連接。攪拌摩焊焊縫金屬不需要熔化和凝固，所以幾乎不存在缺陷。所以，其連接接頭的強度較高。就焊縫軌跡不同，可以劃分成攪拌摩擦縫焊與攪拌摩擦點焊。其中，摩擦縫焊的焊縫形成過程具體如圖1所示。

圖1 摩擦縫焊的焊縫形成過程示意圖

摩擦焊是綠色環(huán)保連接工藝，在焊接時，不會產(chǎn)生輻射和煙塵等，節(jié)能環(huán)保。在連接時，不需要填充材料，保護氣體，加工焊接坡口，也不需要針對母材進行表面氧化膜處理。所以，其是鋁合金焊接的一種優(yōu)選連接工藝。鋁合金攪拌摩擦縫焊在型材或厚板材類零件連接中的應(yīng)用比較廣泛，除全鋁連接外，攪拌摩擦縫焊在鋼-鋁異材連接中也實現(xiàn)了一定發(fā)展，且表面連接質(zhì)量良好。而點焊在鋁合金薄板類零件連接中的應(yīng)用更廣泛，但是因為其影響因素過多，技術(shù)難度較大，導(dǎo)致無法大規(guī)模推廣應(yīng)用[4-5]。

4 機械連接工藝

4.1 自沖鉚接

通過半空心的鉚釘刺穿上層板，和下層板通過塑性大變形形成機械自鎖加以實現(xiàn)。其工藝流程具體如圖2所示。

圖2 自沖鉚接工藝過程

當前，鉚接方法已經(jīng)實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，接頭疲勞強度幾乎能達到電阻點焊的兩倍?？傊?，因為不存在熱輸入，已演變成最具潛質(zhì)多材料車身連接方式。但是，高強鋼的利用導(dǎo)致此工藝面臨著嚴峻考驗。高強鋼很難發(fā)生變形，從鋼朝向鋁鉚的時候，鉚釘內(nèi)部會形成空腔，但是相反鉚釘?shù)耐炔亢茈y導(dǎo)致下層的鋼板產(chǎn)生充足塑性變形以促使自鎖形成。對此，可以進行預(yù)熱，以改善鋼鉚接的性能，但是想要應(yīng)用到生產(chǎn)中難度依舊很大。

4.2 熱熔自攻絲鉚接

熱熔自攻絲鉚接可以基于高速旋轉(zhuǎn)螺釘，實現(xiàn)板材軟化，并在軸向力作用下，擠壓旋轉(zhuǎn)進入板材，然后在兩者之間形成螺紋連接。中心位置的母材被擠出來，在下層板底部構(gòu)成環(huán)狀套管。由于螺釘不需變形，所以可以連接任何材料和異型材料。螺釘高速旋轉(zhuǎn)能夠促使金屬被軟化，所以，可以在微變形的狀況下單向連接，十分便捷。鉚釘還可以拆卸，便于回收循環(huán)利用。

4.3 無鉚釘鉚接

無鉚釘連接技術(shù)也就是所謂的沖壓鉚接，通過板件冷變形作用的發(fā)揮，對板件進行壓力加工，促使其產(chǎn)生局部變形，從而把板件連接起來。由于成本較低，其備受國外汽車工業(yè)青睞。無鉚釘鉚接分為兩種方式，即直壁整體下模和分體下模。直壁整體下模模具是整體的，結(jié)構(gòu)比較簡單。而分體下模結(jié)構(gòu)比較繁雜，其中存在一定的活動部分，在連接的時候，受金屬作用，會朝向側(cè)面滑動，導(dǎo)致金屬材料可以充分形成塑性鑲嵌，因此強度比較高。無鉚釘鉚接的接頭強度受頸厚值與嵌入量所影響，前者與抗剪強度相關(guān)，后者與剝離強度相關(guān)，而且接頭底厚也與強度緊密相聯(lián)?？傊瑹o鉚釘鉚接接頭的剝離強度與疲勞強度相對偏低。

4.4 高強抽芯拉鉚

高強抽芯拉鉚以鉚為輔助拉動釘芯，使得釘頭逐漸外擴，構(gòu)成凸緣，使母材鎖緊于頭尾的凸緣間，然后，再次施加拉力，促使釘芯斷裂。此工藝實現(xiàn)了單面操作，簡單易行。而且沒有噪聲，工件不會發(fā)生損壞，強度與環(huán)保性能突出，其已經(jīng)在一定程度上實現(xiàn)了在全鋁與鋼-鋁混合車身設(shè)計與制造中的有效應(yīng)用，主要是板與板、型材的連接。

4.5 螺栓連接

螺栓連接十分常見，結(jié)構(gòu)簡單，連接比較可靠，裝拆也非常方便。而鋁合金部件相連接的螺栓可以制作成為三種類型，即鋁合金螺栓、普通鋼制螺栓、不銹鋼螺栓。由于使用條件不同，應(yīng)選擇與之相適應(yīng)的螺栓。在受力比較大的時候，可以選擇高強度鋼螺栓。在連接時，鋼制螺栓還需要先對表面進行鍍鋅處理，防止接觸電化學(xué)腐蝕。此連接在鋁合金車身型材零件連接中的使用比較頻繁[6]。

5 粘接工藝

粘接工藝就是基于膠粘劑與被連接件的化學(xué)反應(yīng)或物理凝固等，把材料連接起來。此方式是面連接，應(yīng)力的分布也十分均勻，抗振和密封性非常好，且利于提高被連接件疲勞強度。此工藝比較合適應(yīng)用到相同或不同材料連接中去。結(jié)構(gòu)膠的作用是防止異種金屬直接性發(fā)生接觸，以此緩解電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。但是，純粘接工藝，不同板材的熱膨脹系數(shù)存在非常大的差異，很容易發(fā)生固化變形和脫膠等現(xiàn)象，所以并不適合單獨使用。在汽車發(fā)生碰撞時，結(jié)構(gòu)膠還可以有效緩沖并吸能。結(jié)構(gòu)膠粘接+自沖鉚接形成的粘鉚復(fù)合連接工藝在車身制造中的應(yīng)用比較常見[7]。

6 結(jié) 論

總之，為了保證汽車性能與質(zhì)量，車身輕量化與全鋁、鋼-鋁混合技術(shù)充分發(fā)揮著重要作用。通過此技術(shù)能夠有效縮減車身質(zhì)量，保證車身的堅固性，大大降低燃油消耗。而車身設(shè)計需要根據(jù)自身的區(qū)域要求，選擇使用性能不同，且滿足要求的鋁合金材料與連接技術(shù)，從而實現(xiàn)車身功能、材料、工藝的最佳配合。只有進一步開發(fā)新型連接技術(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金在車身中多元化應(yīng)用，進而為車身輕量化設(shè)計提供更高的可行性與科學(xué)性。