車身零部件鋁合金及鋼鋁混合連接工藝應(yīng)用探討

摘要：在新材料新能源的發(fā)展趨勢(shì)下，汽車工業(yè)將面臨產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，在實(shí)現(xiàn)“鋼鋁混合材料車身結(jié)構(gòu)”零部件制造中，鋁合金連接及鋼鋁混合連接技術(shù)具有重要作用。文章研究分析了五種鋁合金連接新工藝-鋁弧焊、鋁點(diǎn)焊、鋁螺柱焊、熱熔自攻螺絲連接（FDS）、自沖鉚接（SPR），并進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用介紹，為汽車零部件鋁合金連接提供了有效方案。

關(guān)鍵詞：車身零部件；鋁合金及鋼鋁混合連接工藝；汽車工業(yè)；節(jié)能降耗；車輛結(jié)構(gòu)

為解決汽車節(jié)能降耗的問(wèn)題，所有汽車制造商都在通過(guò)車身整體減重來(lái)降低百公里油耗。但減重同時(shí)又必須保證汽車整體結(jié)構(gòu)剛度，并提高汽車安全性能，所以整車廠通過(guò)大量使用輕質(zhì)、高強(qiáng)材料（比如各種高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等）替代傳統(tǒng)的普通鋼材以實(shí)現(xiàn)車身輕量化，達(dá)到減重目的。鋁合金由于比重小、強(qiáng)度高，在顯著減重的同時(shí)仍能夠大幅提高車身零部件的剛性，所以使用鋁合金代替部分鋼材是目前汽車制造的主要減重措施。達(dá)到同樣的力學(xué)性能指標(biāo)，鋁比鋼輕60%，但在承受同樣沖擊時(shí)，鋁板比鋼板多吸收沖擊能50%。車身是汽車中重量最大的部件，通過(guò)在全鋼車身中引入鋁合 金材料，實(shí)現(xiàn)“鋼鋁混合材料車身結(jié)構(gòu)”，已成為車身零部件減重的必然趨勢(shì)。在實(shí)現(xiàn)“鋼鋁混合材料車身結(jié)構(gòu)”零部件制造中，鋁合金連接及鋼鋁混合連接技術(shù)具有重要的作用。目前車身零部件鋁合金連接的工藝有鋁弧焊、鋁點(diǎn)焊、鋁螺柱焊、摩擦焊、激光焊、壓鉚、拉鉚、旋鉚、熱熔自攻螺絲連接（FDS）、自沖鉚接（SPR）等。而鋼鋁混合連接時(shí)為解決異金屬接觸面電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，須在連接鋼鋁零件之間涂上結(jié)構(gòu)膠后再用FDS、SPR等工藝。本文重點(diǎn)介紹鋁弧焊、鋁點(diǎn)焊、鋁螺柱焊、FDS、SPR這五種使用頻率較高的連接工藝和應(yīng)用。

1 鋁合金弧焊

1.1　鋁合金弧焊的特點(diǎn)

由于鋁合金焊接時(shí)極易氧化， 生成氧化鋁（Al2O3），易造成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁表面氧化膜會(huì)吸附大量水分，易使焊縫產(chǎn)生氣孔。此外，鋁及其合金的線脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)變形和應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋。因此，一般鋁弧焊接前須進(jìn)行表面清理，清除表面氧化膜，并在焊接過(guò)程采用高純氬或氬氦混合氣體保護(hù)，防止其氧化。鎢極氬弧焊時(shí)，選用交流電源，通過(guò)“陰極清理”作用，去除氧化膜。采用大規(guī)范的熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。為防止熱裂紋的產(chǎn)生，可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施，對(duì)含鎂量超過(guò)3%的Al-Mg合金板焊接時(shí)，可采用含Mg量超過(guò)3.5%或超過(guò)5%的鋁鎂合金焊絲，具有較好的力學(xué)性能和耐蝕性能。若在耐蝕性允許的情況下，也可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5%時(shí)熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，熱裂傾向相應(yīng)減小，當(dāng)含硅5%～6%時(shí)可不產(chǎn)生熱裂，因而此類焊絲會(huì)有更好的抗裂性，但塑性和韌性較低，一般不用于焊鋁鎂合金。

由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容大，焊接同等厚度的鋁合金要比鋼消耗更多的熱量。為保證焊接接頭融合良好，應(yīng)采用能量集中、功率密度大的熱源。因此最常用的鋁合金弧焊方法是鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）。近年來(lái)，一種數(shù)字化自動(dòng)控制的高質(zhì)量弧焊技術(shù)——冷金屬過(guò)渡弧焊技術(shù)（CMT）應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并在鋁合金薄板焊接上凸顯其優(yōu)越性。

1.2　高質(zhì)量鋁弧焊應(yīng)用——冷金屬過(guò)渡弧焊技術(shù)（CMT）

冷金屬過(guò)渡弧焊技術(shù)（CMT）是將送絲與熔滴過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化自動(dòng)協(xié)調(diào)，通過(guò)焊絲的回抽將熔滴同焊絲分離，實(shí)現(xiàn)了近乎無(wú)電流狀態(tài)下的熔滴過(guò)渡，其焊接過(guò)程如圖1所示。焊接開始，焊槍伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，焊絲與板材電弧引燃，焊絲融化熔滴滴進(jìn)熔池，當(dāng)數(shù)字化控制監(jiān)測(cè)到一個(gè)短路信號(hào)，就反饋給送絲機(jī)，送絲機(jī)做出回應(yīng)，迅速回抽焊絲，從而使焊絲與熔滴分離。焊絲恢復(fù)到進(jìn)給狀態(tài)電弧再次引燃。循環(huán)往復(fù)到焊接結(jié)束，頻率由送絲速度決定。

CMT鋁合金弧焊整個(gè)焊接過(guò)程在冷熱交替中循環(huán)往復(fù)，大幅降低了焊接過(guò)程的熱輸入量，實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺焊接，并在焊接夾具的配合下，鋁合金工件熱變形小，還可以實(shí)現(xiàn)鋁合金與鍍鋅鋼板之間的異種金屬混合連接。利用CMT焊機(jī)內(nèi)置的焊接專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，輸入相應(yīng)待焊材料后，焊接專家系統(tǒng)可以提供相關(guān)焊接參數(shù)，焊接電壓、電流不能隨意改動(dòng)，它們與送絲速率一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)改變送絲速率，可以使焊接電壓和電流同時(shí)改變，也可以改變電弧長(zhǎng)度和脈沖來(lái)修正并微調(diào)焊接電流和電壓，以達(dá)到滿意的焊接效果。

2  鋁合金電阻點(diǎn)焊

2.1　鋁合金電阻點(diǎn)焊的特點(diǎn)

鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝是在電極壓力下，靠電阻熱熔化鋁材，將其連接到一起的工藝。因鋁合金熔點(diǎn)低、線膨脹率高、導(dǎo)電率高、表面易氧化等特性，鋁點(diǎn)焊須采用大電流、短時(shí)間、多脈沖、大電極壓力，所以鋁點(diǎn)焊時(shí)輸出大電流對(duì)焊機(jī)、變壓器及焊槍的供電要求高，大電流易產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，焊接工裝需防磁；大電極壓力需焊槍結(jié)構(gòu)牢固可靠，并配備特殊電極頭解決鋁合金表面氧化層問(wèn)題。目前鋁合金電阻點(diǎn)焊方式主要有美系應(yīng)用WTCTip Dressing（螺旋電極帽式鋁點(diǎn)焊）和德系應(yīng)用Deltaspot（電極帶式鋁點(diǎn)焊）方式。

2.2　美系鋁點(diǎn)焊應(yīng)用——WTC Tip Dressing（螺旋電極帽鋁點(diǎn)焊）

美國(guó)WTC鋁點(diǎn)焊設(shè)備中采用Tip Dressing末端參數(shù)修正技術(shù)，并利用GM專利的鋁點(diǎn)焊電極帽。這種電極頭表面有特殊的環(huán)狀紋路，如圖2所示，可在鋁材表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力區(qū)，破碎氧化膜以得到可控制的接觸電阻，并配合WTC設(shè)備中Tip Dressing末端參數(shù)修正技術(shù)，保證焊接質(zhì)量。采用這種特殊的環(huán)狀紋路電極帽，在鋁點(diǎn)焊生產(chǎn)時(shí)，還需配備相應(yīng)的四刀片修磨器修出螺紋，修磨頻次為普通碳鋼點(diǎn)焊的5倍，約40～50點(diǎn)/次。

由于WTC Tip Dressing工藝中采用的環(huán)狀紋路電極帽受專利保護(hù)，因此目前此工藝僅在受保護(hù)的業(yè)內(nèi)企業(yè)中應(yīng)用。

2.3　德系鋁點(diǎn)焊應(yīng)用——Delta Spot（電極帶式鋁點(diǎn)焊）

奧地利Fronius Delta Spot電極帶式鋁點(diǎn)焊工藝是在電極和工件之間增加一條全新電極帶，如圖3所示。點(diǎn)焊時(shí)，電極壓住電極帶接觸工件進(jìn)行焊接，每個(gè)點(diǎn)焊后，電極帶自動(dòng)移動(dòng)到下一位置，這樣使得電極表面總是清潔的，解決了鋁點(diǎn)焊容易從母材上黏連材料的問(wèn)題，保證每個(gè)焊點(diǎn)都有高質(zhì)量的焊接工況。另外，由于電極帶的引入增加了電阻，從而增加了熱輸入量，以破碎鋁合金表面的氧化膜，保證了焊接質(zhì)量。

點(diǎn)焊不同的材料可選用不同的電極帶，點(diǎn)焊鋁合金時(shí)可用銅帶或鍍鎳鋼帶。Delta Spot設(shè)備還可實(shí)現(xiàn)鋼和鋁的焊接、鋁鎂壓鑄件的焊接等，并已應(yīng)用于德系高端整車廠，如寶馬、奧迪、奔馳。

3  鋁合金螺柱焊

3.1　鋁合金螺柱焊的特點(diǎn)

螺柱焊工藝是通過(guò)提升拉弧，熔化連接螺柱焊接面與母材接觸面的電弧焊工藝。普通鋼螺柱焊早已在汽車制造業(yè)普遍應(yīng)用，而鋁合金螺柱焊是近年來(lái)隨著車身輕量化趨勢(shì)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。與普通鋼螺柱焊不同，鋁合金螺柱焊必須采用交流螺柱焊機(jī)，以保證兩側(cè)金屬熔化比例，有效減少氣孔。焊接時(shí)，由于鋁是活潑金屬，必須使用高純氬或氬氦混合氣體保護(hù)，防止氧化。鋁材料表面須經(jīng)過(guò)去氧化層和油污的處理。

3.2　鋁合金螺柱焊應(yīng)用——Emhart鋁合金螺柱焊機(jī)

目前國(guó)內(nèi)的鋁合金螺柱焊應(yīng)用極少，主要的鋁螺柱焊設(shè)備采用德國(guó)Emhart Tucker全自動(dòng)鋁螺柱焊機(jī)，如圖4（a）。由于鋁合金螺柱焊時(shí)需高純氬保護(hù)，所以在鋁螺柱焊槍頭部有一個(gè)氣體保護(hù)罩，如圖4（b），以保障鋁螺釘在螺柱焊時(shí)焊接熔池被氬氣充分保護(hù)。另外，由于鋁比鋼有更高的磁阻，鋁合金螺柱焊時(shí)，更容易受到磁偏吹影響使電弧不穩(wěn)定，因此鋁螺柱焊槍上必須使用陶瓷環(huán)并附加保護(hù)氣體屏蔽磁偏吹的影響。在鋁螺柱焊接夾具結(jié)構(gòu)上，盡量使螺柱焊槍遠(yuǎn)離兩端電極，焊槍位于兩端電極的中間對(duì)稱結(jié)構(gòu)或采用其他介質(zhì)進(jìn)行磁偏吹補(bǔ)償，以平衡磁場(chǎng)對(duì)電弧的影響，保證鋁螺柱焊質(zhì)量。

4  FDS熱融自攻螺絲連接

4.1　FDS工藝的特點(diǎn)

FDS工藝通過(guò)螺釘高速旋轉(zhuǎn)軟化待連接板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待連接板材，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(gè)環(huán)狀套管，F(xiàn)DS具體工藝過(guò)程如圖5（a）所示。此工藝可應(yīng)用于鋁-鋁及鋼-鋁之間的連接。

FDS工藝優(yōu)點(diǎn)是：（1）可連接包括超高強(qiáng)鋼、鋁鎂合金、復(fù)合材料在內(nèi)的任何材料及異種材料；（2）可在較小變形的情況下實(shí)現(xiàn)單邊連接，操作方便；（3）鉚釘可拆卸，回收方便。

FDS工藝缺點(diǎn)是：（1）因下層板要鉆穿，因此接頭的防腐蝕能力會(huì)降低，另外螺釘尺寸較長(zhǎng)，增加車身自重，且暴露在外的螺釘前端影響車身后續(xù)裝配，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮避讓；（2）FDS工藝單面施工，操作時(shí)對(duì)工件和機(jī)器人的沖擊力大，需要用負(fù)載能力大且穩(wěn)定的機(jī)器人，擰緊過(guò)程螺釘必須與工件垂直，夾具設(shè)計(jì)時(shí)需考慮對(duì)工件的足夠支撐。

4.2　FDS工藝應(yīng)用——Weber RSF機(jī)器人輔助緊固系統(tǒng)

德國(guó)Weber公司開發(fā)了RSF系列機(jī)器人自動(dòng)緊固系統(tǒng)，如圖5（b）所示。RSF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了FDS工藝的自動(dòng)化生產(chǎn)，目前RSF系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于歐美各大高端整車廠，近年國(guó)內(nèi)部分車企也開始采用此設(shè)備及工藝。5SPR自沖鉚接5.1　SPR工藝的特點(diǎn)SPR自沖鉚接技術(shù)是一種通過(guò)特制鉚釘用于連接兩種或兩種以上金屬板材的機(jī)械冷成型連接技術(shù)。它可以連接多種不同材質(zhì)的板材，如鋼板、鋁板、塑料板等，并且鉚接過(guò)程低能耗，無(wú)熱效應(yīng)，不會(huì)破壞涂層。SPR鉚接 過(guò)程如圖6（a）所示，特制鉚釘穿透頂層板材之后，在鉚模的作用下鉚釘尾部的中空結(jié)構(gòu)擴(kuò)張刺入而并不刺穿底層板材，從而形成牢固的鉚接點(diǎn)。

5.2　SPR工藝應(yīng)用——HENROB SPR自沖鉚接系統(tǒng)

英國(guó)HENROB公司是最早開發(fā)中空結(jié)構(gòu)的自沖鉚釘及沖鉚設(shè)備，目前車企普遍采用的是電動(dòng)伺服型SPR沖鉚系統(tǒng)，如圖6（b）所示。

判斷一個(gè)SPR鉚接是否合格，需將SPR鉚接點(diǎn)橫向剖開后，檢驗(yàn)SPR接頭剖面是否符合圖6（c）所示無(wú)裂紋無(wú)間隙，還需檢測(cè)ABC三處的值是否符合客戶要求。在前期鉚釘選型和鉚接參數(shù)的設(shè)置中，必須用小樣板SPR鉚接后進(jìn)行剪切力和拉脫力測(cè)試，以 保證SPR鉚接力學(xué)性能符合客戶要求。汽車工業(yè)在新材料新 能源的發(fā)展趨勢(shì)下，將面臨產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，在產(chǎn)業(yè)升級(jí)的過(guò)程中，解決鋁合金材料在車身零部件連接技術(shù)上的應(yīng)用問(wèn)題，將成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文研究分析了近年來(lái)五種使用頻率較高的鋁合金連接新工藝，并進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用介紹，為汽車零部件鋁合金連接提供了有效方案。