鋼—鋁連接技術(shù)與質(zhì)量評價(jià)探討

鞠慧　李鷹　吳小龍

摘 要：隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金在汽車車身上的應(yīng)用日趨普遍，鋼-鋁混合車身是未來的發(fā)展趨勢。與之對應(yīng)的連接技術(shù)也成為鋼-鋁車身制造必備的知識(shí)點(diǎn)。本文主要介紹了常用的5種鋼-鋁車身連接技術(shù)，闡述了其原理、應(yīng)用及質(zhì)量評價(jià)，為鋼-鋁車身制造評價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼—鋁車身;連接技術(shù);質(zhì)量評價(jià)

汽車輕量化是當(dāng)前汽車發(fā)展的重要趨勢，鋁鎂合金因其密封低、比強(qiáng)度高，在汽車車身中得以應(yīng)用。在一些豪華品牌中，甚至采用了全鋁車身以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的減重效果。近年來，隨著碰撞法規(guī)的日趨嚴(yán)格，許多車企悄然改變看法，擯棄原先全鋁框架車身，引入鋼零件，典型的案例如奧迪A8。綜合考慮輕量化的成本和性能，把合適的材料用在合適的地方，通過鋼-鋁材料混用有效實(shí)現(xiàn)車身輕量化與成本的平衡。

然而，鋼-鋁混用對傳統(tǒng)鋼車身焊接技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，不同材料在性能上存在較大差異導(dǎo)致傳統(tǒng)點(diǎn)焊工藝難以實(shí)現(xiàn)可靠連接。鋼-鋁連接技術(shù)也成為車身相關(guān)技術(shù)人員必備的知識(shí)點(diǎn)。為此，本文對車身常用的鋼-鋁連接技術(shù)的原理、應(yīng)用及質(zhì)量評價(jià)進(jìn)行介紹和探討，為鋼-鋁車身的制造評價(jià)提供參考。

1 鋼車身與鋁車身連接工藝對比

由于鋁合金焊接性能遠(yuǎn)低于低碳鋼，連接工藝也不同于鋼制車身。目前主流鋁連接工藝主要有三類：

（1）機(jī)械連接：無鉚連接Clinch、自沖鉚接SPR、熱熔自攻絲FDS、高速射釘鉚ImpAcT等。

（2）焊接：鋁點(diǎn)焊，攪拌摩擦焊FSW、激光焊、冷金屬過渡焊CMT等。

（3）粘接：與機(jī)械連接、焊接復(fù)合使用，與傳統(tǒng)車身基本相同。

圖1為某鋼-鋁車身連接工藝，其采用了十余種連接工藝，其中Clinch、SPR、FDS、CMT是鋼-鋁車身常用的連接技術(shù)，本文對此重點(diǎn)介紹。

2 主要鋁連接技術(shù)介紹

2.1 Clinch無鉚連接

無鉚連接工藝原理是通過材料局部冷成型將鈑金連接在一起，兩層或多層之間會(huì)產(chǎn)生互鎖壓鉚。其工藝過程為：首先通過沖頭將連接材料壓入底模內(nèi)。當(dāng)?shù)讓硬牧蟿偨佑|到底模座時(shí)，在沖頭施加的壓力作用下，底模座開始向外側(cè)滑動(dòng)。底模活動(dòng)部分被向外推出，材料的流動(dòng)形成了按鈕狀的壓鉚點(diǎn)，然后沖頭返回至起始位置，取出工件，底模的外側(cè)部分在彈簧的作用下退回，如圖2。

無鉚釘鉚接工藝工藝過程簡單、成本低，在汽車車身中廣泛應(yīng)用。由于其靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都較低，通常只應(yīng)用于行李箱蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后輪罩等非承載部位。無鉚連接的鉚點(diǎn)質(zhì)量可通過外觀和金相兩種檢測方式。外觀檢測，目視檢查連接點(diǎn)數(shù)量、位置、裂紋、開裂、咬合方向、表面飛濺;利用游標(biāo)卡尺測量咬合點(diǎn)位置、外徑d、對稱性;利用測厚儀測量咬合點(diǎn)底厚tb。金相檢測觀察剖切面，關(guān)鍵尺寸指標(biāo)如圖2。要求徑部無裂紋、凸模側(cè)無裂紋、墩頭無開裂;底厚tb在產(chǎn)品圖紙或焊接工藝文件的理論底厚公差范圍內(nèi)，外徑d在公差范圍（-0.5mm，+2.0mm）內(nèi)等。

2.2 SPR自沖鉚接

SPR（Self-Piercing Riveting）的原理是半空心鉚釘在沖頭的作用下，穿透上層板材并在底層板材形成互鎖，鉚釘在沖棒的作用力和底模的反作用下，在板材中間延展發(fā)生永久性塑性變形的鉚釘連接過程。其工藝過程主要分為定位、預(yù)壓、夾緊、沖裁、擴(kuò)張和成型6個(gè)階段，工藝過程及檢測標(biāo)準(zhǔn)示意，如圖3。

SPR鉚接力學(xué)性能優(yōu)良，疲勞壽命較高，被廣泛應(yīng)用于鋁/鋼等異質(zhì)材料以及多層板的連接。在應(yīng)用中有以下特點(diǎn)：（1）適用于鋁-鋁連接、鋼鋼連接、鋼-鋁連接等不同組合連接。（2）板材搭接原則是“從薄到厚，從硬到軟”，具體要求為：兩層板搭接時(shí)，下層板的厚度至少為總厚度的1/2以上;三層板搭接時(shí)，下層板的厚度至少為總厚度的1/3以上;強(qiáng)度高的材料要位于沖模側(cè)，強(qiáng)度低的材料要位于凹模側(cè)。不同材質(zhì)、不同厚度的接頭需使用不同的鉚釘、底模組合。

SPR接頭的質(zhì)量檢驗(yàn)主要有外觀檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、強(qiáng)度檢驗(yàn)、CT檢驗(yàn)四種方式。外觀主要有：數(shù)量、連接方向、位置、剩余底部厚度、模具壓印;卡尺測量鉚釘至邊界距離和至圓弧距離以及頂厚。金相主要評價(jià)指標(biāo)：（1）互鎖值a1/a2不能過小，對于不同直徑的鉚釘，最小互鎖值不同。比如直徑為5mm的鉚釘，一般要求a1/a2值>=0.12mm。（2）鎖鉚的頂厚K（高出板材的厚度）不可過高亦不可過低（低于板材的厚度）。同樣以5mm鉚釘為例，K>=-0.2mm<=0.3mm。（3）下板材剩余底厚不能過薄或被鉚釘穿透，對于5mm鉚釘，tmin>=0.15mm。（4）板材和鉚釘?shù)牧鸭y檢查，鉚釘腿部不能有裂紋，板材中裂紋不能穿透。（5）鉚接底部的旋轉(zhuǎn)對稱性檢查等。以上數(shù)值依鉚釘直徑和具體圖紙而定。此外，還可以進(jìn)行拉拔力、剪切力、剝離力測試。

2.3 FDS熱融自攻釘連接

FDS（Flow Drill Screw）熱融自攻釘連接技術(shù)，也稱自旋鉆孔螺絲連接技術(shù)。其工藝原理是專用自攻釘高速旋轉(zhuǎn)軟化被連接材料，同時(shí)在巨大的軸向壓力下擠壓并攻絲旋入實(shí)現(xiàn)螺紋連接。其工藝過程分為6個(gè)

步驟：定位預(yù)熱-熱熔穿透-錐孔成型一螺紋形成一螺釘擰入一緊固落座，如圖4。

FDS工藝在應(yīng)用中有以下特點(diǎn)：（1）單面可達(dá)即可完成連接，降低了對鉚接空間的需求，適用于板材與型材等管狀封閉結(jié)構(gòu)的連接。（2）連接可拆卸，不合格的連接點(diǎn)可以更換更大直徑的螺釘進(jìn)行返修。（3）可結(jié)合涂膠工藝，實(shí)現(xiàn)異種材料的連接。FDS在工藝應(yīng)用中也存在一些挑戰(zhàn)：（1）強(qiáng)度，當(dāng)下層連接板材料較薄時(shí)，下層板與FDS螺釘相接觸可能僅有1～2圈螺紋，從而導(dǎo)致接頭正拉強(qiáng)度較低。（2）防腐，由于下層板被穿透，材料鍍層被破壞，下層板與FDS 螺釘間的空隙容易使腐蝕介質(zhì)進(jìn)入，導(dǎo)致接頭容易出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕問題。FDS的檢測一般通過外觀檢測和金相檢驗(yàn)兩種。外觀主要有：數(shù)量、連接方向、位置、螺釘頭高出板材量（一般要求低于0.05mm），邊距等。金相主要評價(jià)指標(biāo)：（1）不能有損壞螺紋（2）有效螺紋長度足夠（3）濕區(qū)有效覆蓋（4）連接板材的間隙不能過大，一般<=0.2mm（5）鉚釘對稱不偏心等。

2.4 CMT冷金屬過渡焊

CMT（Cold Metal Transfer）冷金屬過渡技術(shù)是MIG焊的一種特殊形式，工作原理是通過數(shù)字化協(xié)調(diào)送絲與熔滴過程實(shí)現(xiàn)，其工藝過程可分為4個(gè)步驟：電弧引燃、送絲一熔滴短路、電弧熄滅一焊絲回抽、熔滴脫落一向前送絲繼而循環(huán)，如圖5。

CMT冷金屬過渡焊設(shè)備成本相對低，整個(gè)焊接過程冷熱交替循環(huán)往復(fù)，可大幅降低焊接過程的熱輸入，方便實(shí)現(xiàn)無飛濺焊接，且在焊接夾具的作用下，鋁工件熱變形量小，并且可實(shí)現(xiàn)鋁合金與鍍鋅鋼板間的異種金屬混合連接。CMT工藝比較成熟，一般通過表面質(zhì)量進(jìn)行檢查。但CMT由于其工藝特點(diǎn)，焊縫表面質(zhì)量不太美觀，經(jīng)常伴有夾渣、咬邊、氣孔等外觀缺陷的存在，因而其一般不作為汽車外覆蓋件連接的首選工藝，一般用于地板、車身骨架、結(jié)構(gòu)件的連接。有的主機(jī)廠在側(cè)圍落水槽也采用了該項(xiàng)技術(shù)。

3 FSW攪拌摩擦焊

除以上四種，F(xiàn)SW攪拌摩擦焊也是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛和成熟的鋁-鋁、鋼-鋁連接工藝。工作原理是高速旋轉(zhuǎn)的硬質(zhì)攪拌頭壓入待焊母材，與被焊金屬摩擦生熱，使其加熱至塑性軟化區(qū)，在熱-機(jī)聯(lián)合作用下形成致密的組織結(jié)合，最終冷卻形成緊密連接的一種固相連接工藝，如圖6。攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量比較穩(wěn)定，焊接截面金相檢測組織結(jié)構(gòu)致密。攪拌摩擦焊強(qiáng)度基本上可以達(dá)到與母材相一致，具備高的抗拉強(qiáng)度;焊縫熱變形小、熱應(yīng)力小，焊縫表面平整;焊縫中不存在氣孔、疏松，氣密性及水密性好;無需外加熱，生產(chǎn)中易控制，尺寸公差小，適合自動(dòng)化操作;可以焊接長直的焊縫和復(fù)雜的樣式。攪拌摩擦焊主要用于型材或者較厚板材類零件間的連接，如高鐵車身、電動(dòng)車電池托盤等。

4 結(jié)語

隨著汽車輕量化和電動(dòng)化的發(fā)展，鋁合金的應(yīng)用日趨廣泛。新的連接技術(shù)服務(wù)于車身材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨之應(yīng)用，當(dāng)前多數(shù)主機(jī)廠的連接技術(shù)應(yīng)用還不是很成熟。只有加快連接工藝的探索和研究，克服工藝實(shí)現(xiàn)及質(zhì)量檢驗(yàn)的難點(diǎn)，才能使新材料的應(yīng)用更加廣泛。

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