多參數(shù)田口穩(wěn)健性設計的鋼鋁點焊連接性能研究

中圖分類號：U466 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250057

Multi-Parameter Taguchi Robust Design for Performance Study ofSteel-Aluminum Spot Welding Joints

Bao Li，Wang Di （Pan Asia Technical Automotive Center，Shanghai 201216）

Abstract：This paper primarily introduces research on the process optimization of steel-aluminum spot welding jointperformanceand therobust designof welding parameters.Using the Pugh Matrix Analysis，the study compares solutionssuchasenhancedrivet materials，modifiedrivet structures，andoptimizedriveting/spotwelding parameters basedonfactorsincluding joint strength，weldnuggetdiameter，andcostefficiency，ultimatelyselectingsteelaluminum spot welding as theoptimal strategy.Subsequently，the Taguchi Methodand orthogonal experimentsare employed tostudythe influenceof weldingcurrnt，welding pressure，welding time，and electrodecapdiameteron joint strength of steel-aluminum spotwelding.Finall，asetofoptimalwelding parametersare selected from theperspective of maximizing shear strength，and steel aluminum spot welding and shear testsare conducted to verify their effectiveness and robustness.

Keywords：Stel-aluminumresistance spot welding，Pugh matrix，Taguchi method，Weldingparamters， Robustness

1前言

研究表明，整車質量每減輕 10% ，傳統(tǒng)燃油車能耗可減少 5%～8% ，純電動車型續(xù)駛里程可提升12～13km ，而我國2025年新能源汽車滲透率預計突破 50% ，輕量化技術對突破續(xù)航瓶頸具有關鍵價值。在此驅動下，鋁合金憑借其低密度（ 2.7g/cm³ ，僅為鋼的1/3）、高比強度及循環(huán)利用特性，成為輕量化材料體系的核心支柱。當前，單車用鋁量從2016年的 100kg 攀升至2025年的 180kg ，復合增長率達 8.5% ，并在動力電池殼體、電驅系統(tǒng)等關鍵部件實現(xiàn)規(guī)?；娲?。

然而，鋁合金與鋼材的物性差異催生了鋼鋁混合車身的連接技術挑戰(zhàn)。鋼鋁異質材料界面易產生電化學腐蝕與熱應力集中，傳統(tǒng)焊接工藝難以滿足結構可靠性要求。為此，自沖鉚接（Self-PiercingRivet，SPR）、流鉆螺釘（FlowDrillScrew，F(xiàn)DS）與膠接復合技術快速發(fā)展，通過多物理場耦合優(yōu)化連接界面強度，使鋼鋁混合白車身減重率達 25%～40% ，同時保障碰撞安全性與NVH性能。雖然SPR和FDS能確保鋼鋁之間的高強度機械連接[-4]，但是技術專利壟斷和生產設備的大量投入導致工藝成本較高且通用性受限。并且，SPR尾部形成約 2～3mm 的凸起“鉚扣”，F(xiàn)DS釘頭釘尾凸起、反面刺破，這些凸起影響裝配精度與美觀性，以及與其他部件空間干涉、FDS的熱軟化、降低連接點疲勞強度的風險。

本文設計一種新型汽車用鋼鋁連接的點焊技術，對選擇合適鋼鋁點焊工藝方案的原則和方法進行介紹，并研究焊接工藝參數(shù)對連接性能的影響。

2鋼鋁點焊連接方式介紹

該鋼鋁點焊連接的具體實施步驟為：

a.鉚嵌互鎖結構：通過自動化輸送系統(tǒng)將特制鋼鉚釘精準導入鉚模工位，通過鋼鉚釘和鉚模的協(xié)同作用，在鋁板預連接區(qū)域完成無預制孔沖壓，最終將鋼鉚釘嵌鉚入鋁板，并將沖孔廢料排出，實現(xiàn)穩(wěn)定的鉚嵌機械互鎖結構，如圖1所示；

b.膠接防腐協(xié)同：在鋼板預連接面定量噴涂結構膠，抑制鋼鋁界面電偶腐蝕，并提高連接強度（后續(xù)經電泳烘房烘烤，使結構膠固化，實現(xiàn)其連接強度提高的作用）；

c.鋼鋁點焊：配置自適應電阻點焊系統(tǒng)，在鋼鉚釘和鋼板界面完成點焊，形成焊核，實現(xiàn)鋁鋼連接，如圖2所示。

如圖3所示，該鋼鉚點焊完成后主要產生3個連接功能區(qū)：鋼鉚釘頭部與下層鋼板的焊接熔核區(qū)、鋼鉚釘桿與鋁板之間的形成的鉚接鎖正區(qū)以及鋼板、鋁板和結構膠之間形成的膠接增強區(qū)。IntelligenceWelding（IW）為自研的新型鋼鋁連接方式命名。

3鋼鋁點焊連接評判標準確定

參考鋼鋁混合車身已廣泛應用的連接方式SPR和FDS，對比在相同鈑材和料厚條件下的連接強度和失效位移。文中引入的鋼鋁點焊工藝更適合應用于受剪切載荷的區(qū)域，對比3種連接工藝在剪切試驗下的最大剪切載荷和對應的剪切失效位移，剪切試驗方法如圖4所示。鈑材和板厚按照最常用的組合選?。荷蠈愉X板選取 5xxx 系，料厚1.4mm ；下層鋼板選取CR340，料厚 1.0mm 。

由圖5、圖6可知： 1.4mm 鋁板和 1.0mm 鋼板的SPR連接剪切載荷均值為 12596.01N ，平均失效位移為 3.78mm;1.4mm 鋁板和 1.0mm 鋼板的FDS連接剪切載荷均值為12980.25N，平均失效位移為 3.92mm 。

因此，要求IW的剪切強度不低于SPR和FDS，失效位移不高于SPR和FDS，制定鋼鋁點焊連接的工程評判標準如表1所示。

4鋼鋁點焊工藝方案設計

4.1 方案確定

如圖7所示鋼鉚釘主要特征尺寸包括：鉚桿長度A，鉚頭長度 B ，法蘭盤直徑L，鉚頭直徑 N

首先，采用普氏矩陣方法比較鋼鋁點焊工藝方案，其核心思想是通過對比備選方案與基準方案的差異，量化分析各方案，最終實現(xiàn)最優(yōu)決策或方案融合。

基于現(xiàn)有設計，可提升連接性能的備選方案如表2所示，主要是增強鉚釘材料、增強鉚釘結構、優(yōu)化沖鉚和點焊工藝參數(shù)。

從連接強度、焊核直徑、成本、外觀質量、制造柔性、開發(fā)周期等維度，針對各方案比較分析，結果如表3所示。標準“ + ”代表優(yōu)于基準，“-\"代表差于基準，“S”代表與基準相當，“∑”代表求和。每個方案的得分是通過簡單地在每一列中加上加號和減號的數(shù)量得到的。凈得分最高的產品概念被認為是首選的產品概念。

其中，鉚釘材料強度提升，剪切強度基本一致；鉚釘法蘭盤增大，外觀質量下降；鉚釘法蘭盤增大，設計空間減小，成本高，開發(fā)周期長；增強結構導致沖鉚后鋁板出現(xiàn)凸起；焊接工藝參數(shù)優(yōu)化可使焊核增大，連接強度增大。由表3可見，P5在連接強度、焊核直徑、制造柔性和開發(fā)周期方面均具有優(yōu)勢，凈得分為4，故最終選擇優(yōu)化點焊工藝參數(shù)作為研究方案。

4.2鋼鋁點焊連接工藝參數(shù)優(yōu)化

應用田口法的非動態(tài)響應進行提高鋼鋁點焊連接性能的研究[5，模型如圖8所示。

控制因子選取鋼鋁點焊連接工藝在實際生產可操作調整的4個參數(shù)：焊接電流、焊接壓力、焊接時間和電極帽直徑。為簡化試驗，每個控制因子選擇3個水平，如表4所示；噪聲因素是指影響系統(tǒng)響應但不受控制的因素，選擇電極帽位置度為噪音因子N，選擇2個水平，如表5所示。

為獲取最優(yōu)解，采用正交試驗方法，根據(jù)L9（34）正交列表試驗模型，N1和N2的剪切強度通過正交試驗獲得，如表6所示。

分別計算剪切強度均值 M 和信噪比 S/N ，結果如表6所示。根據(jù)表6中試驗數(shù)據(jù)，分別繪制剪切強度均值響應點圖及信噪比響應點圖，如圖9、圖10所示。

本系統(tǒng)響應連接剪切強度望大，最佳控制因子選取原則為：選擇最大化影響均值和信噪比的因子設定。由圖11、圖12可知：B和D因子對均值和影響最大，A和C因子影響其次；從均值和信噪比最大化考慮，最佳參數(shù)組合選擇A2、B2、C2、D2。

4.3穩(wěn)健性確認

按照選定的最佳參數(shù)組合進行鋼鋁點焊試焊和剪切試驗：

a.連續(xù)焊接500點，每50個點抽取1個點進行破檢試驗，測量焊核尺寸，如圖11所示，結果顯示均大于 4mm ，滿足目標要求；

b.剪切強度均值達到 13.9kN ，剪切失效位移為 3.76mm ，如圖12所示，均滿足設定的工程指標要求。

對比基準組合方案，穩(wěn)健性確認結果如表7所示。

穩(wěn)健性評估分析：

a.最佳組合方案的剪切強度均值預測值增加了685.2N，相比于基準組合提升了 5.20% ，均值試驗值增加了 686.8N ，相比于基準提升了 5.20%

b.最佳組合方案的剪切強度信噪比預測值增加了 0.5dB ，減少了約 5.61% 的變化，信噪比試驗值0.7dB 的增加等于減少約 7.77% 的變化，系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

5 結束語

本文最終選擇的優(yōu)化點焊工藝參數(shù)使焊核直徑更大、綜合連接強度更高、制造柔性更大且可操作性強，開發(fā)周期更短，符合項目對鋼鋁點焊的要求。在選定參數(shù)范圍內，焊接壓力和電極帽直徑對剪切強度影響最大，焊接電流和焊接時間其次。最佳組合方案的試驗結構顯示，鋼鋁點焊連接性能均滿足設定的工程指標要求，系統(tǒng)更加穩(wěn)健。本文鋼鋁點焊工藝方案選擇和研究工藝參數(shù)對連接性能穩(wěn)健性影響的思路和方法，也可為其他零件提供參考。

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