輕量化鋁合金車身連接技術(shù)及其評價

崔厚學(xué)，劉昌雄，孫志強，田猛

1.東風(fēng)汽車集團有限公司科技工程部 湖北武漢 430056

2.廣州瑞松智能科技股份有限公司 廣東廣州 510760

3.天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)逸仙科學(xué)工業(yè)園 天津 301726

1 序言

得益于經(jīng)濟持續(xù)增長和人民生活水平不斷提高，2009～2020年中國汽車產(chǎn)銷量連續(xù)12年穩(wěn)居世界第一。但汽車大國遠非汽車強國，加快培育知名汽車品牌和掌控汽車核心技術(shù)及零部件供應(yīng)鏈是擺在中國汽車產(chǎn)業(yè)面前亟待破解的重大課題。目前，“節(jié)能和新能源汽車”是實現(xiàn)我國汽車產(chǎn)業(yè)升級換代的重要機遇，車身輕量化是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個主要議題，而鋁合金連接技術(shù)是輕量化車身工藝的主要瓶頸之一[1]。

2 鋁合金輕量化車身

車身輕量化材料一般有輕合金、高強度金屬材料、工程塑料、碳纖維增強復(fù)合材料和陶瓷材料等。鋁合金車身由于其顯著的輕量化效果，使整車動力性、操控性和燃油經(jīng)濟性都得到較大提升；其良好的加工工藝性能，可塑造視覺極優(yōu)美的車身曲面；由于其超強的抗腐蝕性能，故鋁合金會在表面形成一層致密的氧化層，并且與鋁基體牢固結(jié)合，從而對車身形成嚴密保護。

鋁合金車身最大的問題，一方面是鋁合金的冶煉和加工成本都比鋼更高；另一方面是加工工藝比較復(fù)雜，特別是對鋁合金連接工藝水平和自動化程度要求都遠高于傳統(tǒng)鋼制車身。

據(jù)報道，電動車車重每降低10%，電耗可降低5.5%，續(xù)航里程相應(yīng)增加5.5%，而延長相同里程所需要增加的電池成本卻遠高于此。如大眾e-Golf采用全鋁車身成功減重187kg，通過優(yōu)化電池配置后整車成本降低635歐元。特斯拉Model S/X和蔚來ES8也采用全鋁車身，而Model 3則采用成本更低的鋁/鋼混合材料[2]，希望取得性能和成本的最佳匹配。

在可預(yù)見的未來，續(xù)航里程和成本仍將是衡量純電動車的重要指標之一，鋁制車身帶來的百公斤級減重效果必然是高端電動車十分看重的突出優(yōu)勢。

3 鋁合金車身連接技術(shù)

鋁與傳統(tǒng)鋼材相比，在晶體結(jié)構(gòu)和物理屬性方面存在較大差異。鋼的熔點為1536℃，而鋁僅為660℃；鋁熱膨脹系數(shù)是鋼的2倍，熱導(dǎo)率是鋼的4倍，這些都導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接工藝難以實現(xiàn)鋁合金的可靠連接。目前，解決新能源汽車輕量化車身連接的主要技術(shù)路徑有：冷金屬過渡焊、自適應(yīng)電阻點焊、激光焊、激光-電弧復(fù)合焊、攪拌摩擦焊、沖鉚連接、自攻螺釘連接、膠粘連接，或聯(lián)合使用幾種方法完成輕量化車身連接。

車身輕量化有多種技術(shù)路徑，在材料和工藝兩個方面，各公司采取了不同的技術(shù)路徑。據(jù)報道，AUDI A8共采用了14種連接方法；奇瑞捷豹采用自沖鉚接技術(shù)完成了3700多個帶釘自沖鉚接；上海通用CT6車型使用專利電阻點焊（同心圓電極技術(shù)）、自沖鉚接、熱熔自攻螺釘和膠粘連接聯(lián)合完成了新型輕量化車身連接。

3.1 電阻點焊

電阻點焊（Resistance Spot Welding，RSW）是一種傳統(tǒng)的焊接工藝方法?，F(xiàn)階段由于車身輕量化要求，需從電源和焊槍入手來解決傳統(tǒng)鋁焊接電極壽命短、生產(chǎn)效率低的問題。

近年來，依靠伺服電動機驅(qū)動的伺服焊槍以及中頻逆變直流（MFDC）電阻點焊設(shè)備具有電極壓力精準、焊接電流平穩(wěn)及響應(yīng)快速等特點，正逐漸被推廣應(yīng)用。中頻逆變自適應(yīng)直流電阻焊具有反饋控制響應(yīng)速度快、輸出穩(wěn)定性好、熱效率高、焊接時間短、功率損耗小、節(jié)能效果明顯及設(shè)備體積小等優(yōu)點。整體而言，該設(shè)備功率因素達到95%，節(jié)約能量達30%以上，電極壽命提高1倍以上，尤其焊接鋁及鋁合金等導(dǎo)熱性高的金屬效果顯著，質(zhì)量更穩(wěn)定可靠。

上海通用CT6生產(chǎn)線應(yīng)用通用汽車集團的表面有特殊環(huán)狀紋路的螺旋狀電極鋁合金點焊技術(shù)，以及伏能士（Fronius）帶式電極鋁點焊技術(shù)，都是實現(xiàn)鋁合金車身點焊的有效技術(shù)途徑。

3.2 弧焊

由于鋁熔點低，熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率都遠高于鋼，導(dǎo)致焊接變形及焊接應(yīng)力增加，故需采用低熱輸入量或高能量密度的焊接工藝，如冷金屬過渡焊、激光焊及等離子弧焊技術(shù)。由于鋁合金吸熱后極易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，造成板件變形嚴重甚至開裂，所以冷金屬過渡焊在這方面具有獨到的優(yōu)點。通過引弧-熄弧-再引弧的重復(fù)方式減小熱量的輸入，可有效地避免變形和開裂。為滿足高能量密度弧焊對零件裝配間隙的要求，激光焊、等離子弧焊、激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)將來也有一定發(fā)展前途。

3.3 自沖鉚接

自沖鉚接（Self-Piercing Rivet，SPR）屬于機械冷連接技術(shù)，其獨特的連接方式使其可有效地克服鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕金屬材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱快，熱容小，易氧化，以及難以采用傳統(tǒng)的連接方法進行焊接等缺點。其工藝過程主要包括：定位、預(yù)壓、夾緊、沖刺、擴張及成形（見圖1）。

圖1 自沖鉚接工藝

自沖鉚接工藝優(yōu)點主要有：

1）連接高效，質(zhì)量可靠。

2）可以實現(xiàn)鋁/鎂、鋁/鋼、鎂/鋼、鋁合金/鎂合金/高強度鋼等金屬材料和高分子材料/復(fù)合材料的同質(zhì)或異質(zhì)材料的雙層及多層連接。

3）鉚接過程能耗低，無熱效應(yīng)，不破壞涂層。

自沖鉚接工藝缺點主要有：

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，沖鉗和鉚釘成本較高。

2）鉚接點平面凸起 2～3mm，2層板連接后再與第3層板連接時，對進槍的方向有要求。

3）只能使用C形鉚接槍，雙側(cè)需要預(yù)留進槍空間（無法應(yīng)用于封閉型腔）。

3.4 無鉚釘自沖鉚接

無鉚釘自沖鉚接（Clinching）是利用板件自身的冷變形能力，對板件進行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的機械連接技術(shù)。

與自沖鉚接工藝相比，無鉚釘自沖鉚接具有以下優(yōu)點：

1）無需額外鉚釘，總成本要明顯低于自沖鉚釘連接。

2）連接過程不會對零件表面造成破壞，也不會影響連接點處材料的耐蝕性及強度。

無鉚釘自沖鉚接工藝的主要缺點：由于無鉚釘部分影響了連接強度，該工藝應(yīng)用主要局限于車門、發(fā)動機罩、行李箱蓋及輪罩等強度要求相對較低的部件上，其應(yīng)用范圍不如自沖鉚接廣泛。

3.5 熱熔自攻螺釘

熱熔自攻螺釘又稱流鉆螺釘（F l o w D r i l l Screw，F(xiàn)DS）技術(shù)，它是利用螺釘高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量熔化待連接板，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環(huán)狀套管。流鉆螺釘工藝過程如圖2所示[4]。

流鉆螺釘工藝主要優(yōu)點有：

1）連接強度質(zhì)量可靠。

2）由于螺釘無需變形，因此可以用來連接包括超高強鋼、鋁鎂合金及復(fù)合材料在內(nèi)的各種同質(zhì)或異質(zhì)材料。

中國白酒是自然發(fā)酵產(chǎn)物，由天、地、人共釀，而生態(tài)釀造體現(xiàn)了白酒的天人合一、崇尚自然、順其自然、道法自然。即使現(xiàn)在出現(xiàn)部分機械化生產(chǎn)，但白酒的核心品質(zhì)還是取決于地域、氣候、水質(zhì)、糧食原料等自然因素。另外，相比于其他行業(yè)如化工、紡織，川酒生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污染要小得多，同時可以借助于新技術(shù)對白酒廢料進行回收再利用，實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展。因此，川酒行業(yè)應(yīng)該是社會主義生態(tài)文明建設(shè)的急先鋒[7]。

3）單面進槍，可用于封閉型腔結(jié)構(gòu)、壁厚或封閉腔體等無法使用自沖鉚接或無鉚釘自沖鉚接的裝配情況。

圖2 流鉆螺釘工藝過程

4）板件被加熱，板件與螺釘接觸好，連接強度大。

流鉆螺釘工藝的主要缺點有：

1）設(shè)備系統(tǒng)成本遠高于電阻點焊，鉚釘成本高。

2）單面施力，連接時需要高強度剛性支撐。

3）完成一次操作需5～8s，時間較長，影響生產(chǎn)效率。

3.6 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是一種可用于各種合金板焊接的固態(tài)連接技術(shù)。與傳統(tǒng)熔焊工藝相比，攪拌摩擦焊無飛濺、無煙塵，不需要添加焊絲和保護氣體，接頭無氣孔、裂紋；與普通摩擦焊相比，它不受軸類零件的限制，可焊接直焊縫[5，6]。此外，這種工藝方法還具有接頭力學(xué)性能好、節(jié)能、無污染及焊前準備要求低等一系列優(yōu)點。由于鋁及鋁合金熔點低，所以更適于采用攪拌摩擦焊。

另外，為滿足板材搭接要求，摩擦塞鉚焊是一種適合的連接方式，其優(yōu)點主要有：

1）可連接鋁合金（如6061）和高強鋼（熱成形硼鋼22MnB5）等新型材料。

2）接頭質(zhì)量可靠。

3）無需預(yù)開孔。

摩擦塞鉚焊的缺點主要有：

1）雙面連接，必須雙面操作。

2）需要一個額外的連接元件。

3）在需要嚴格密封的位置（如海洋環(huán)境），在釘頭處需要使用密封膠[4]。

3.7 膠粘連接

膠粘連接采用面接觸方式而非點或線接觸，與點焊及鉚接相比，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，連接強度、剛度和疲勞強度等綜合性能也相對較高，而且該連接應(yīng)用范圍較廣，可用于各種鋼、輕金屬、高分子材料以及其他不同材料的連接[7]。

新一代結(jié)構(gòu)膠粘劑接頭具有高強度、高剛度的特點，同時在承受沖擊載荷時又具有足夠的韌性和柔性，能夠滿足車身結(jié)構(gòu)的綜合性需求，使整車性能得以全面提升，特別適合車身輕量化的技術(shù)要求。目前，結(jié)構(gòu)膠粘劑在各大主機廠中的單車用量呈逐漸上升的趨勢。

4 鋁合金連接評價準則

選擇連接工藝方式主要取決于車身材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計及設(shè)備水平等。綜合考慮各種因素，目前國內(nèi)輕量化車身應(yīng)用較多的是點焊、無鉚釘自沖鉚接和自沖鉚接連接技術(shù)。連接工藝不是孤立存在的，不同的連接工藝可以通過自動工具切換系統(tǒng)來完成轉(zhuǎn)換，以滿足行業(yè)柔性化的需要。

目前，鋼鋁混合車身的設(shè)計開發(fā)、材料成形制造工藝及連接設(shè)備等還處于研發(fā)應(yīng)用推廣中，需要更多高校、科研機構(gòu)、汽車廠以及設(shè)備供應(yīng)商之間加強溝通和合作。鋁合金車身先進連接技術(shù)及其評價見表1。

表1 鋁合金車身先進連接技術(shù)及其評價

5 結(jié)束語

1）鋁合金應(yīng)用是車身輕量化的重要發(fā)展方向，鋁合金連接是其關(guān)鍵工藝。

2）由于車身造型特點和設(shè)計規(guī)范的差異，各種車型采用了不同鋁合金連接技術(shù)，從技術(shù)傳承及經(jīng)濟合理性預(yù)測，電阻點焊、冷金屬過渡焊、高能密度焊接和膠粘連接技術(shù)較有發(fā)展前途。