汽車車身鋁合金連接工藝研究

北京汽車研究院 北京順義 100300

隨著汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，白車身輕量化是解決汽車行業(yè)節(jié)能環(huán)保的主要內(nèi)容之一。單車車身質(zhì)量減少10%，油耗減低6%～10%，尾氣釋放減少13%。在這種動(dòng)力驅(qū)使下，輕量化材料和先進(jìn)連接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)集成，同時(shí)使用超輕型高強(qiáng)度材料已經(jīng)成為輕量化設(shè)計(jì)的重要手段。

輕型材料有碳纖維、塑料、熱成型件等新型材料，本文研究對(duì)象是鋁合金材料。作為汽車輕量化的主要材料，鋁合金具有以下優(yōu)點(diǎn)：能耗低，無(wú)污染，環(huán)保節(jié)能；提高結(jié)構(gòu)剛性和行駛性能；提高耐腐蝕性；可以實(shí)現(xiàn)相同和不同材料連接；同樣使用條件，鋁比鋼輕60%；提高資源的回收再利用，鋁比鋼回收比例高得多；回收再生所需能源卻比鋼少得多。

奧迪Q7合金使用比例52%，傳統(tǒng)鋼板38%，熱成型10%；奧迪A8鋁合金使用比例達(dá)到了58%，蔚來(lái)車型ES8車身用鋁高達(dá)96.8%，車身質(zhì)量335kg。

鋁合金連接工藝

鋁合金連接常見(jiàn)的有三種工藝：無(wú)鉚連接、自沖鉚和熱熔流鉆工藝。

1.無(wú)鉚連接（TOX）

在沖壓過(guò)程中，依據(jù)板件本身材料的擠壓塑性變形，使兩個(gè)板件在擠壓處形成一個(gè)互相鑲嵌的圓形的連接過(guò)程，稱為無(wú)鉚連接。

無(wú)鉚連接的成型共分6個(gè)階段，如圖1所示：A—初壓入；B—擠壓；C—形成上部輪廓；D—充滿環(huán)形空間；E—凸模側(cè)的板件材料向側(cè)面移動(dòng)；F—形成TOX連接圓點(diǎn)。

圖1 無(wú)鉚連接

2.自沖鉚連接（SPR）

自沖鉚連接是通過(guò)將鉚釘穿透上層材料（中間材料），鉚釘腿部的中空結(jié)構(gòu)在鉚模的作用下，向下層材料擴(kuò)張并刺入底層材料，但不會(huì)對(duì)下層進(jìn)行沖裁，最后鉚釘與上（中）下層板材之間形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的連接過(guò)程。如圖2所示，自沖鉚連接形成分6個(gè)階段。

圖2 自沖鉚連接

3.熱熔流鉆擰緊工藝（FDS）

一種通過(guò)設(shè)備中心擰緊軸將電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)傳導(dǎo)到連接板料摩擦生熱產(chǎn)生塑性形變后，自攻絲并焊接的冷成形工藝，此工藝為單面連接技術(shù)。如圖3所示，熱熔流鉆擰緊工藝分4個(gè)階段。

圖3 熱熔流鉆擰緊工藝

試驗(yàn)內(nèi)容和方法

無(wú)鉚連接TO X試驗(yàn)分為六組。采用冷軋薄鋼板之間連接、鋁合金之間連接以及鋁合金與冷軋薄鋼板連接試驗(yàn)，進(jìn)行相同料厚和不同料厚的剪切和拉伸試驗(yàn)。

自沖鉚連接采用五組試驗(yàn)，每組剪切、抗拉剝離、十字拉伸各做3次。

熱熔流鉆擰緊做九組，每組剪切、抗拉剝離、十字拉伸各做3次。

1.無(wú)鉚連接試驗(yàn)

選用DC01鋼板和DC01鋼板，做剪切和拉伸試驗(yàn)。其中：

（1）剪切試驗(yàn) 采用相關(guān)組合連接，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。各種材料組合剪切試驗(yàn)對(duì)比，如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

表1 TOX剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 TOX最大剪切力對(duì)比

1）鋼板和鋼板無(wú)鉚連接比鋁合金與鋁合金連接、鋁合金鋼連接剪切力大90% 。

2）無(wú)論鋼板和鋼板無(wú)鉚連接還是鋁板和鋁板無(wú)鉚連接，隨著上層料厚的增加，剪切力增大；隨著下層料厚的增加，剪切力在減小。

（2）拉伸試驗(yàn) 采用相關(guān)組合連接，拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 TOX拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

各種材料組合拉伸試驗(yàn)對(duì)比，如圖5所示。

圖5 TOX最大拉伸力對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

1）鋼板和鋼板無(wú)鉚連接比鋁鋁連接、鋁鋼連接拉伸50%。

2）無(wú)論鋼板和鋼板無(wú)鉚連接還是鋁板和鋁板無(wú)鉚連接，隨著上層或下層料厚的增加，拉伸力在增大；隨著上下板料厚差值增加，拉伸力也在增大。

2.自沖鉚連接試驗(yàn)

選取鋼板在鉚接壓力及速度變化各做3次鉚接，并做剪切、剝離和十字拉伸破壞試驗(yàn)。

（1）剪切試驗(yàn) 采用相關(guān)組合連接，做剪切試驗(yàn)，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

表3 SPR剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

剪切試驗(yàn)對(duì)比如圖6所示。

圖6 SPR最大剪切力對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

1）試驗(yàn)顯示，鋼板和鋁合金自沖鉚連接和鋁鋁自沖鉚連接相比，剪切力大30%。

2）鋁合金與鋁合金鉚接試驗(yàn)時(shí)，剪切強(qiáng)度變化不大，不因壓力降低而降低；同時(shí)不因速度增大而增大。鋁合金與鋁合金自沖鉚連接，剪切強(qiáng)度受速度和壓力影響小。

表4 SPR剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 SPR最大剝離力對(duì)比

（2）剝離試驗(yàn) 采用相關(guān)組合自沖鉚鉚接并做剝離破壞試驗(yàn)。剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)下表4。

剝離試驗(yàn)對(duì)比，如圖7所示。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

1）剝離試驗(yàn)顯示，鋼和鋁合金自沖鉚連接與鋁合金和鋁合金自沖鉚連接相比，剝離強(qiáng)度變化不明顯。

2）鋁合金和鋁合金自沖鉚剝離試驗(yàn)顯示，隨著速度的增大，剝離強(qiáng)度隨著波動(dòng)；剝離強(qiáng)度不因速度增加而增大。

（3）十字拉伸試驗(yàn) 采用相關(guān)組合自沖鉚連接后，做十字拉伸試驗(yàn)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表5。

十字拉伸試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，如圖8所示。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

1）十字拉伸試驗(yàn)，鋼鋁鉚接十字拉伸強(qiáng)度比鋁鋁鉚接十字拉伸強(qiáng)度小5%～8%。

2）鋁鉚接十字拉伸試驗(yàn)顯示：隨著鉚接速度的上升，十字拉伸強(qiáng)度下降。

3.熱熔流鉆試驗(yàn)

采取相關(guān)鋼板組合，開(kāi)孔、不開(kāi)孔各做三次試驗(yàn)，詳見(jiàn)表9，并進(jìn)行剪切強(qiáng)度剝離十字拉伸試驗(yàn)（鑄鋁不參與十字拉伸和剝離試驗(yàn)）。

（1）剪切試驗(yàn) 采取相關(guān)鋼板組合進(jìn)行FDS連接，并做剪切試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 SPR十字拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖8 SPR最大十字拉伸力對(duì)比

表6 FDS剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖9所示。

圖9 FDS最大剪切力對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

1）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接比比鋁合金和鋁合金連接剪切強(qiáng)度大25%，高強(qiáng)鋼鋁熱熔流鉆連接比鋼和鑄鋁連接開(kāi)孔時(shí)大28%，不開(kāi)孔時(shí)大35%。就是說(shuō)，高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接比鋁合金和鋁合金連接以及鋼和鑄鋁連接剪切強(qiáng)度大。

2）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接時(shí)，剪切強(qiáng)度不因速度增加而增大，即剪切強(qiáng)度因速度影響不大。

3）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆預(yù)開(kāi)孔和不預(yù)開(kāi)孔按對(duì)剪切強(qiáng)度影響不大；高強(qiáng)鋼和鑄鋁連接時(shí)，剪切強(qiáng)度受板材預(yù)開(kāi)孔影響比鋼鋁熱熔流鉆大。

（2）剝離試驗(yàn) 采取相關(guān)鋼板組合進(jìn)行FDS連接，并做剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

FDS剝離數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖10所示。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

1）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接試驗(yàn)顯示：開(kāi)孔對(duì)剝離試驗(yàn)強(qiáng)度幾乎沒(méi)影響。

2）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接與鋁合金和鋁合金熱熔流鉆連接試驗(yàn)相比：高強(qiáng)鋼和鋁合金剝離強(qiáng)度是鋁合金和鋁合金剝離力的2.5倍，即高強(qiáng)鋼鋁合金比鋁合金鋁合金熱熔流鉆連接剝離強(qiáng)度大很多。

3）鑄鋁熱熔流鉆連接不適用于剝離試驗(yàn)。

（3）十字拉伸采取相關(guān)鋼板組合進(jìn)行FDS連接，并做十字拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示。

FDS剝離數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖11所示。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

表7 FDS剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖10 FDS最大剝離力對(duì)比圖

表8 FDS十字拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖11 FDS最大十字拉伸力對(duì)比

1）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接試驗(yàn)顯示：預(yù)開(kāi)孔對(duì)十字拉伸影響強(qiáng)度影響小。

2）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接比鋁合金和鋁合金連接十字拉伸強(qiáng)度大31%。

3）鑄鋁不適于十字拉伸試驗(yàn)。

4.連接強(qiáng)度對(duì)比

通過(guò)鋼和鋁合金、鋁合金和鋁合金無(wú)鉚連接、自沖鉚、熱熔流鉆連接，進(jìn)行剪切試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)、十字拉伸試驗(yàn)，總結(jié)出鋁合金連接與鋼和鋁合金連接強(qiáng)度對(duì)比，詳見(jiàn)表9。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)冷軋鋼板與鋁合金（含鑄鋁）無(wú)鉚連接、自沖鉚、熱熔流鉆連接工藝試驗(yàn)研究，總結(jié)出一些鋁合金連接特點(diǎn)，在鋁合金白車身開(kāi)發(fā)中可以作為借鑒和參考。

（1）鋼和鋼連接比鋼和鋁合金連接剪切強(qiáng)度大。

表9 鋁合金連接試驗(yàn)強(qiáng)度對(duì)比表

（2）鋼和鋁合金連接比鋁合金和鋁合金連接剝離強(qiáng)度大。

（3）上、下層料厚變化對(duì)無(wú)鉚連接拉伸強(qiáng)度影響大。

（4）鋼和鋼無(wú)鉚連接比鋁合金和鋁合金連接剪切和拉伸強(qiáng)度大。

（5）鋼和鋁合金自沖鉚連接十字拉伸強(qiáng)度比鋁合金和鋁合金連接強(qiáng)度小。

（6）高強(qiáng)鋼和鋁合金熱熔流鉆連接十字拉伸強(qiáng)度比鋁合金和鋁合金連接強(qiáng)度大。

（7）預(yù)開(kāi)孔對(duì)熱熔流鉆連接強(qiáng)度影響小。