鋁合金車身用緊固件技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例

顧洋?楊金秀?羅培鋒?陳東

摘 要：為滿足日益增長的鋁合金車身開發(fā)過程中的零部件安裝點(diǎn)需求，急需開發(fā)和掌握鋁合金車身緊固件技術(shù)。本文將鋁合金車身緊固件技術(shù)分為機(jī)械連接、焊接兩大類，分別介紹了工藝原理、技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例，對后續(xù)新開發(fā)鋁車身部件緊固件的選型具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金車身 緊固件 機(jī)械連接 焊接

Fastener Technology and Application Examples for Aluminum Alloy Body

Gu Yang Yang Jinxiu Luo Peifeng Chen Dong

Abstract：In order to meet the increasing demand for parts installation points in the development of aluminum alloy body， it is urgent to develop and master aluminum alloy body fastener technology. This article divides aluminum alloy body fastener technology into two major categories： mechanical connection and welding. It introduces the process principle， technical characteristics， and application examples respectively， and has certain reference and guidance for the selection of the subsequent newly developed aluminum body part fasteners.

Key words：aluminum alloy body， fasteners， mechanical connection， welding

1 前言

在汽車輕量化的發(fā)展趨勢下，鋁合金目前已成為僅次于鋼材的第二大車身材料。目前有20%汽車品牌已經(jīng)有各自全鋁車身，或者高占比鋁部件車身在售。車身作為汽車骨架，不僅提供了安全可靠的乘員艙空間，還需滿足絕大部分零部件的安裝功能。因此為沖壓鋁板件，擠壓鋁件，鑄鋁件三類鋁合金車身部件選擇安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)件的尤為重要和迫切。

車身標(biāo)準(zhǔn)件提供的安裝點(diǎn)大概分兩類，一類為可滿足目標(biāo)需求扭矩的標(biāo)準(zhǔn)件，二類為僅滿足卡接需求不滿足扭矩需求的緊固件。鋁合金車身常用的緊固件按材質(zhì)種類可分為鋼制和鋁制標(biāo)準(zhǔn)件兩種。按與車身連接形式可分為機(jī)械連接類和焊接類兩種。

2 機(jī)械連接類

2.1 自穿式

自穿式螺栓或螺母又稱自沖鉚螺栓或螺母，其中自穿式標(biāo)準(zhǔn)件是通過端部翻邊結(jié)構(gòu)穿透板材并與之形成可靠互鎖結(jié)構(gòu)的冷成型工藝。其結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2所示。

自穿式標(biāo)準(zhǔn)件的工藝過程包括四個(gè)階段：夾緊、刺穿、成型，放開。自穿式標(biāo)準(zhǔn)件有可承受標(biāo)準(zhǔn)力矩，板材不需開孔，其中螺栓密封良好等優(yōu)點(diǎn)，但存在標(biāo)準(zhǔn)件成本較高，僅適用于厚度低于2.0的薄壁鋁板件。

圖3為自穿式螺栓在埃安LX車身前壁板及地板區(qū)域的應(yīng)用。自穿式標(biāo)準(zhǔn)件可廣泛應(yīng)用于鋁合金車身鋁沖壓零部件。

2.2 鉚接

鉚接又稱壓鉚，又叫自扣緊，是一種與板材通過法向結(jié)構(gòu)或者徑向結(jié)構(gòu)互鎖的標(biāo)準(zhǔn)件連接形式。主要有齒狀互鎖壓鉚和折邊互鎖壓鉚兩種。可廣泛應(yīng)用于鋁合金車身的沖壓件，擠出件和鑄造件各類零部件上。以下內(nèi)容分別介紹上述兩種常見類型的鉚接標(biāo)準(zhǔn)件。

一、齒狀互鎖壓鉚標(biāo)準(zhǔn)件主要是通過標(biāo)準(zhǔn)件根部的齒狀結(jié)構(gòu)與開孔板材圓柱面擠壓過盈配合，形成互鎖結(jié)構(gòu)，完成標(biāo)準(zhǔn)件與板材的連接。其結(jié)構(gòu)形式如下圖4和圖5所示。工藝過程包括三個(gè)階段：上件配合，施作用力，合模成型。此類壓鉚標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，下模只需要一個(gè)平面即可。但是推出力較小，推薦用于開口截面，精度要求較低的安裝點(diǎn)，對于重要硬點(diǎn)，建議謹(jǐn)慎使用。

二、折邊類互鎖壓鉚標(biāo)準(zhǔn)件主要是通過標(biāo)準(zhǔn)件底部的翻邊結(jié)構(gòu)與開孔板材面在壓頭作用下，固有模具下擠壓翻邊折彎成型互相嵌套，形成互鎖結(jié)構(gòu)，完成標(biāo)準(zhǔn)件與板材的連接。其結(jié)構(gòu)形式如下圖6和圖7所示。工藝過程包括三個(gè)階段：上件配合，施作用力，合模成型。此類壓鉚標(biāo)準(zhǔn)件，推出力較強(qiáng)，連接可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，需要特定的下模配合成型。一般用于重要硬點(diǎn)或者重要安裝點(diǎn)。

圖8為壓鉚螺母和螺栓在埃安V車型門檻和前防撞梁連接板上的應(yīng)用。壓鉚類標(biāo)準(zhǔn)件可廣泛應(yīng)用于各類鋁合金車身部件上。

2.3 拉鉚

拉鉚是通過標(biāo)準(zhǔn)件頭部拉壓變形膨脹，與端部法蘭面上下夾住板材開孔，形成一種穩(wěn)定可靠的標(biāo)準(zhǔn)件連接形式。用于各類金屬板材、管材等制造工業(yè)的緊固領(lǐng)域;在鋁車身上應(yīng)用廣泛。其結(jié)構(gòu)形式如下圖9、圖10所示。

拉鉚標(biāo)準(zhǔn)件工藝過程包括四個(gè)階段：自動(dòng)上料、插入安裝孔、拉鉚、反轉(zhuǎn)旋出。如下圖11所示。

拉鉚具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、裝拆方便、單向操作等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是大部分拉鉚標(biāo)準(zhǔn)件端部法蘭面會(huì)凸出板材，不利于安裝件與車身板材的直接貼合。拉鉚螺栓螺母主要應(yīng)用于鋁合金車身型材類，鑄件類，薄壁件;為管路、線束，飾件附件等重要安裝點(diǎn)提供安裝結(jié)構(gòu)。

圖12為拉鉚螺母和拉鉚螺栓蔚來ES8等車型上的應(yīng)用。拉鉚類標(biāo)準(zhǔn)件廣泛應(yīng)用于封閉截面的鋁型材，開口截面的鑄鋁零部件上。

3 焊接技術(shù)

3.1 鋁焊接螺柱

鋁螺柱焊是將鋁合金螺柱端部與鋁板件表面接觸，通電引弧，待接觸面熔化后，給螺柱一定壓力完成焊接的方法。其結(jié)構(gòu)形式如下圖13所示。

鋁螺柱焊工藝過程主要包括上件，預(yù)緊，熔合，退出四個(gè)階段。鋁螺柱焊具有低成本，快捷靈活的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是連接強(qiáng)度弱，同類型同規(guī)格鋁螺柱焊連接強(qiáng)度比鋼螺柱焊弱，一般用于沖壓鋁板上固定線束，管路等卡接結(jié)構(gòu)。

圖14為鋁螺柱焊在捷豹XE等車型應(yīng)用，鋁螺柱可廣泛應(yīng)用于鋁沖壓板部件上。

4 其他類

4.1 螺紋套

螺紋套通過外螺紋與鋁合金鑄件嚙合并通過自身的內(nèi)螺紋為外部連接件提供可嚙合螺紋的一種標(biāo)準(zhǔn)件形式。其結(jié)構(gòu)形式如圖15所示。螺紋套實(shí)現(xiàn)了低強(qiáng)度的金屬材料進(jìn)行高強(qiáng)度連接這一目標(biāo)，40多年的使用實(shí)踐已經(jīng)驗(yàn)證了它的可行性。螺紋套由優(yōu)質(zhì)的不銹鋼材料制成，安裝嵌入車身鑄鋁部件后形成可靠內(nèi)螺紋，在切口處（預(yù)設(shè)斷開點(diǎn)）可斷開安裝尾柄。

螺紋套有普通型和自鎖型。普通型的螺紋套是由具有精確成型的菱形截面的線圈卷繞而成，從而形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)螺紋，兩邊可用。自鎖型具有和普通型螺紋套相同的技術(shù)優(yōu)點(diǎn);此外，其內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)螺紋鎖定區(qū)域，通過一匝或多匝多邊形線圈固定住安裝螺絲的螺紋，來實(shí)現(xiàn)螺絲的鎖定。

螺紋套廣泛應(yīng)用于鑄鋁件，為副車架等底盤硬點(diǎn) ，動(dòng)力電池，車身本體等重要零部件提供安裝點(diǎn)。圖16為螺紋套在蔚來ES6前縱梁接頭處的應(yīng)用，為縱梁接頭和門檻之間的連接加強(qiáng)板提供安裝點(diǎn)。

4.2 鋁合金筒螺母

鋁合金套筒螺母一般采用7系特制鋁，內(nèi)制螺紋，具有較高連接強(qiáng)度，基于兩倍螺紋長度，保載可滿足PC10級的受力要求。套筒采用冷連接的方式連接型材兩個(gè)端面，使型材兩個(gè)端面共同承擔(dān)負(fù)載。其結(jié)構(gòu)形式如圖17所示。

鋁合金套筒螺母有著連接可靠，可承受高力矩要求，裝配簡單的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是成本較高，且對型材梁截面尺寸需配合應(yīng)用。鋁合金套筒螺母主要應(yīng)用于鋁型材車身部件上的重要安裝點(diǎn)，如副車架，懸架，電機(jī)總成，動(dòng)力電池等重要硬點(diǎn)，安全帶安裝點(diǎn)。圖18為鋁合金套筒螺母在上CT6前縱梁上的應(yīng)用，為副車架提供安裝點(diǎn)。

5 結(jié)語

車身是汽車承載的本體，為大部分零部件在汽車上的固定提供安裝結(jié)構(gòu)，隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金，復(fù)合材料車身零部件的應(yīng)用逐漸增多，傳統(tǒng)的鋼制車身廣泛應(yīng)用的凸焊，植焊標(biāo)準(zhǔn)件技術(shù)對鋁制車身，多元材料車身不適用，在滿足標(biāo)準(zhǔn)件的連接性能情況下，鋁車身部件，復(fù)合材料部件更多的轉(zhuǎn)向機(jī)械連接類的標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)用技術(shù)。材料的多樣化對車身標(biāo)準(zhǔn)件技術(shù)的選擇和應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)，如何將合適的標(biāo)準(zhǔn)件用在合適的車身零部件基材上并保證連接性能，需要將標(biāo)準(zhǔn)件特性、成本策略、車身部件材料屬性等因素進(jìn)行綜合考慮。

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