異種金屬接合法的種類及比較

黃 露

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

從保護(hù)地球環(huán)境來看，現(xiàn)各國對二氧化碳的排出量限制越來越嚴(yán)格，以汽車為首的運(yùn)輸機(jī)械對其輕量化的要求越來越高。但另一方面，汽車的安全性也越來越受到重視，要求減輕對搭乘者和步行者的傷害，因此增加增強(qiáng)材也是車身重量增加的一個(gè)原因。

為滿足兩者要求，需根據(jù)其性能選擇最佳材料，具體指運(yùn)用較多的軟鋼和高強(qiáng)鋼以及高強(qiáng)度化的超高強(qiáng)鋼和熱沖壓鋼，或者非鐵材料鋁合金，鎂合金和碳釬維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）等。如上的原材料成形加工后，涉及的連接工藝實(shí)施有一定困難。例如，鋼和鋁合金熔融連接的話，鐵和鋁之間會生成金屬間化合物，此特性會產(chǎn)生脆硬的連接部，易脫落，實(shí)際是不可能焊接的。

另一種，固相連接與熔融連接不同的是不會生成金屬間化合物，可形成穩(wěn)定的連接。在汽車上已實(shí)際運(yùn)用的固相連接異種材技術(shù)有攪拌摩擦焊（FSW Friction Stir Welding）。攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW Friction Stir Spot Welding)有實(shí)際運(yùn)用在后備箱[1]，線連接形狀的FSW有實(shí)際運(yùn)用在懸架[2]。使用這種固相連接鋼和鋁合金是有可能的，但是，壓力控制要非常穩(wěn)定，而且在組裝成品時(shí)還要考慮到產(chǎn)品形狀和工業(yè)精度上的偏差，要實(shí)施還是伴隨著一定困難。對于異種材連接，歐洲國家較為常見的是鉚釘機(jī)械連接。代表性的有以SPR（Self-Pierce Riveting）為首的各種接合技術(shù)且被實(shí)施運(yùn)用。本文主要是對異種金屬接合技術(shù)的種類進(jìn)行調(diào)查闡述。

1 異種金屬機(jī)械接合法種類

異種金屬連接最簡單的手段就是被接合體是鋼和鋁合金用鉚釘鉚接。還有一種手段是先鉚接鋁合金，然后鋼制的鉚釘和另一層鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的一種接合方法。表1所示為機(jī)械接合法的種類（Ⅰ～Ⅴ）和（a）鉚釘形狀、（b）方法以及（c）截面圖。

表1 機(jī)械連接法

1.1 SPR（Self-Pierce Riveting）自沖鉚

SPR屬于一般的機(jī)械接合法，在汽車中不僅限于異種材接合部，鋁合金之間也適用[3]。帶有法蘭邊的管狀鉚釘（表中Ⅰ-(a)）驅(qū)使下層板施加壓力，使板厚內(nèi)部發(fā)生塑性變形，嵌入下層板料從而形成鉚釘與板料間的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)（表中Ⅰ-(b)）。以前，因驅(qū)動負(fù)載不足容易造成鉚釘沒有完成嵌入進(jìn)去，對連接高強(qiáng)度材料鉚釘容易壓彎，不能適用于超過590MPa級高強(qiáng)度鋼。但是，經(jīng)過近幾年的不斷改善，980MPa級鋼級以上級別的材料也適用。

1.2 Tuk-Rivet?注1）

相對于SPR鉚釘空心管狀不同，Tuk-Rivet?[4]是實(shí)心圓柱帶法蘭形狀的鉚釘（表中Ⅱ-(a)）。因和SPR一樣都是自身開孔型，所以也被分類為實(shí)心鉚釘SPR。此鉚釘對材料鉆孔后，鉚釘進(jìn)入孔內(nèi)，如（表中Ⅱ-(b)）的構(gòu)造。因此，鉚釘經(jīng)常被設(shè)計(jì)成螺紋狀，通過此螺紋形狀在板之間形成鉚接構(gòu)造進(jìn)行接合。正面和反面在鉚接完成后板面相對平整，多用于對外觀有要求的頂蓋或者支柱周邊。

1.3 FDS?注2）（Flow Drilling Screw）流鉆螺釘

SPR和Tuk-Rivet?都是需要兩面夾緊，所謂雙面進(jìn)入。以此不同，如表中Ⅲ所示FDS?，底板是不需要夾具插入，所謂單面進(jìn)入[5]。此方法也適用于被接合材是方材或者管狀的斷面材料。螺釘有螺紋的形狀邊旋轉(zhuǎn)邊插入，直到完全貫穿連接。上層板材如果是高強(qiáng)鋼的話則很難貫穿，需要預(yù)開孔再進(jìn)行FDS?連接。和SPR一樣，是目前比較廣泛應(yīng)用的一種連接工藝，異種材料，鋁合金之間都可運(yùn)用此連接方法。

1.4 ImpAcT（Impulse Accelerated Tacking）高速射釘

ImpAct高速射釘技術(shù)僅應(yīng)用于奔馳汽車[6]，釘子型號為RIVTAC?注3）。鉚釘和釘子形狀類似（表中Ⅳ-(a)），工藝原理不是旋轉(zhuǎn)而是射入的一種簡單工藝（表中Ⅳ-(b)）7）。和FDS?一樣是單面連接，高速射釘具有很高的生產(chǎn)效率，超高強(qiáng)鋼也可以射入，不需要預(yù)開孔，從材料和強(qiáng)度來看適用范圍很廣，但其缺點(diǎn)是連接時(shí)會產(chǎn)生較大的噪音。

1.5 FEW（Friction Element Welding）摩擦塞鉚焊

EJOT公司開發(fā)的EJOWELD?注4）技術(shù)應(yīng)用于奧迪Q7上[8]。實(shí)施方法有兩種“元件”（表中Ⅴ）[5]，一種是法蘭圓柱狀的鋼制元件邊旋轉(zhuǎn)邊向上層板鋁合金壓入，與下板鋼板面接合的雙面進(jìn)入（CFF）。另外一種是前端像釘子一樣的元件邊旋轉(zhuǎn)邊貫穿上板鋁合金以及下板鋼板，鉚釘軸的周圍和鋼板接合叫單面進(jìn)入（CFP）[7]。鉚釘和下鋼板的接合原理同樣也是摩擦壓接法，屬于金屬間接合所以接合部強(qiáng)度高。另，上板是鋁合金則不需要預(yù)開孔就可以接合，但是樹脂連接必須進(jìn)行預(yù)開孔。

2 總結(jié)

異種材接合技術(shù)作為汽車輕量化技術(shù)之一本文闡述了其技術(shù)的種類以及其特征。特別是對于機(jī)械接合法調(diào)查研究了材料組合性和實(shí)施性之間的關(guān)系。本次所描述的接合技術(shù)綜合其各種優(yōu)缺點(diǎn)，適材適所的應(yīng)用于車身上?，F(xiàn)在，歐美國家正在往材料運(yùn)用的多元化方向發(fā)展，國內(nèi)目前也在逐漸擴(kuò)大材料的使用范圍。

注1)Tuk-Rivet?為Kerb-Konus-Vertriebs-GmbH的注冊商標(biāo)。

注2)FDS?為EJOT GmbH & Co. KG的注冊商標(biāo)。

注3)RIVTAC?為B?llhoff Automation GmbH的注冊商標(biāo)。

注4)EJOWELD?為EJOT GmbH & Co. KG的注冊商標(biāo)。