铝合金车身连接技术及应用实例

杨金秀　吕奉阳　罗培锋　陈东

摘 要：为了满足铝合金车身零部件的连接需求，急需开发和掌握铝合金车身连接技术。本文将铝合金车身连接技术分为机械连接、焊接、粘接三大类，分别介绍了工艺原理、技术特点及应用实例，对后续新开发车型车身连接方式的选择具有一定的借鉴和指导意义。

关键词：铝合金;连接技术;机械连接;焊接;粘接

1 前言

铝合金目前已成为仅次于钢材的第二大车身材料。应用铝合金的目的是为了降低新能源应用带来的整车重量的增加。与钢材相比，铝合金具有密度小、耐腐蚀性好、加工成形性好、比强度和比刚度较高、回收利用率高等优点。车身用铝合金一般分为铝合金板材、铝合金型材和铝合金铸件三类。铝合金板材主要用于车身外覆盖件。铝合金型材主要用于前后防撞梁、门槛梁、纵梁、横梁等断面规则的简单结构件。铝合金铸件主要用于功能集成的复杂结构件。

铝合金的大量应用在实现车身轻量化的同时，也对现有车身连接技术提出了挑战，全铝车身、钢铝混合车身以及多材料复合车身的零件连接，不仅涉及铝合金的同材连接，也涉及铝合金与钢材、铝合金与其它轻质材料之间的异材连接。铝合金车身连接技术主要有三类：机械连接、焊接和粘接[1]。

2 机械连接技术

2.1 自冲铆接（SPR）

自冲铆接又称锁铆，英文简称SPR（Self-piercing Rivet），是通过铆钉穿透上部板材并与底层板材形成可靠互锁结构的冷成型工艺[2]。自冲铆接的工艺过程包括四个阶段：夹紧、刺穿、扩张、成型，如图1所示。

SPR具有对板材种类适应性强，接头机械强度高，不会破坏表面涂层等优点，但存在铆钉成本较高，无法进行低塑性、低延展性板材的连接等问题。SPR的主要应用领域为车身板材零部件间的连接。图2为SPR在凯迪拉克CT6车身顶盖及侧围区域的应用。

2.2 无铆连接（Clinch）

无铆连接又称压铆，英文简称Clinch或TOX，是通过模具对被连接板材施加压力，利用板材的冷变形充盈模具型腔，从而实现板材间镶嵌、互锁的一种连接工艺。具体过程分为板料预备、压入成形、板材塑性成形、接头保压、退模等阶段[3]，如图3所示。

无铆连接不消耗铆钉，成本较低，但接头强度相对较低，在车身上的应用仅限于一些非承载部位，如行李箱盖、发动机罩、包裹架等。图4为无铆连接在奥迪A6包裹架区域的应用。

2.3 流钻螺钉（FDS）

流钻螺钉，也称为热融自攻丝，英文简称FDS（Flow Drill Screw），是通过螺钉的高速旋转摩擦生热软化板材，在轴向载荷作用下，自攻丝并形成紧密螺纹连接的冷成型工艺。FDS工艺过程包括六个阶段：旋转加热、穿透、通孔、攻螺纹、拧螺纹、紧固，如图5所示。

FDS为单面连接技术，可实现板件与封闭型材件的连接，可连接材料种类多，具有可拆卸性。不足之处是螺钉成本较高，单面连接需要高强度刚性支撑，连接完成后材料正反面均有较大凸起。FDS连接工艺一般用于车身板材与梁类件、型材件以及铸铝件间的连接，如侧围与门槛梁的连接。图6为FDS在捷豹I-Pace门槛区域的应用。

2.4 螺纹连接

螺纹连接是通过螺纹和螺纹连接件来实现的机械连接工艺，通过拧紧力矩控制轴向预紧力，保证被连接件所需的夹紧力。螺纹连接具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点，缺点是紧固件选择不当容易出现力矩衰减、螺纹连接失效等问题。螺纹连接主要应用于铝合金车身型材类零件间的连接。捷豹I-Pace铝合金前防撞梁与车身纵梁采用螺纹连接，如图7所示。

3 焊接技术

3.1 铝点焊

点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊工艺[4]。铝点焊工艺过程如图8所示。

铝点焊易产生焊点质量不稳定、电极易烧损的问题，铝点焊必须采用大电流短时间、多脉冲、大电极压力。目前较为成熟的铝点焊工艺有：通用MRD电极铝点焊和伏能士Delta Spot电极带式铝点焊。铝点焊工艺在车身上的应用主要集中在门盖、侧围等外覆盖件、车身骨架及地板类零件的连接。图9为铝点焊在特斯拉Model S车型A柱区域的应用。

3.2 激光焊接

激光焊接是以高能量密度的激光束为热源，通过工件吸收激光获得能量来加热材料至熔化，待材料在液态下相互混合、冷却凝固后形成熔合焊缝完成连接的一种工艺[5]。激光焊接的工艺原理如图10所示。

激光焊接易于采用數控方式实现高速自动化焊接，热影响区小，焊缝成型美观，可用于钢铝异种材料的连接。缺点是成本高、对车身零件的尺寸精度要求高。激光焊接在车身上的应用主要有：顶盖与侧围的激光焊、行李箱盖的激光焊、毛坯板料的激光拼焊板等。图11为激光焊接在凯迪拉克CT6顶盖区域的应用。

3.3 冷金属过渡弧焊（CMT）

冷金属过渡弧焊，英文简称CMT（Cold Metal Transfer），是由奥地利Fronius公司研发的一种无焊渣和飞溅的新型焊接工艺技术，将送丝与熔滴过程进行数字化协调，数字式焊接控制系统根据电弧生成的开始时间自动降低焊接电流，直到电弧熄灭，待熔滴落下后再次升高电流，焊丝向前送出，循环往复完成连接。CMT工艺过程如图12所示：电弧引燃，向前送丝;熔滴短路，电弧熄灭;焊丝回抽，促使熔滴脱落;向前送丝，焊接过程循环[6]。

CMT焊接电弧稳定，焊接过程无焊渣和飞溅，焊焊接质量高，焊缝美观，焊接成本低于激光焊接，可实现铝合金薄板及钢铝异种材料的焊接。主要用于车门、顶盖等外观要求高的部位。特斯拉Model S车身大量使用了CMT焊接工艺，如图13所示。

3.4 搅拌摩擦焊（FSW）

搅拌摩擦焊，英文简称FSW（Friction Stir Welding），是英国焊接研究所于1991年提出的一种新型固相连接技术。FSW是通过高速旋转的搅拌工具压入待焊母材，借助旋转接触摩擦热将工件加热至塑性软化区，最终冷却形成有效连接的一种固相连接工艺。FSW的焊缝形成工艺过程可分为旋转、压力插入、塑性软化以及焊接四个阶段，如图14所示。

FSW不需要填充材料和保护气体，焊件尺寸精度高，焊缝质量好，焊接过程中不产生弧光辐射、烟尘和飞溅，噪声低。缺点是缺乏柔性，焊接头的磨损相对较高，焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性。根据焊缝的形成轨迹不同，搅拌摩擦焊可分为搅拌摩擦缝焊和搅拌摩擦点焊两大类。搅拌摩擦缝焊主要用于型材或较厚板材类零件间的连接，如副车架、电池托盘等。搅拌摩擦点焊主要用于铝合金薄板类零件间的连接，主要应用区域包括前围板、后门框以及发罩内板等。图15为FSW在雅阁副车架上的应用。

4 粘接技术

粘接技术是使用规定的粘接剂通过一定的，受控的工艺流程及相应施工方法将两个或多个零件，通过粘结手段长期或永久结合起来的技术措施。

粘接技术应用范围广，适用材料种类多，载荷分布均匀，疲劳强度高，零件变形小，具有良好的密封、隔音减振、耐腐蚀性。不足之处是粘接接头抗剥离和抗冲击能力差，有机粘接剂易老化、耐热性差，无机粘接剂性能脆。粘接技术一般不单独应用，对于钢铝混合车身及多材料复合车身，目前多采用粘接+机械连接或粘接+焊接的形式，如结构胶+SPR、结构胶+FDS、结构胶+铝点焊等。图16为结构胶在捷豹XJ上的应用。

5 结语

车身轻量化需求提高了铝合金的应用比例，传统的钢制车身向钢铝混合车身及多材料复合车身发展，车身连接技术从传统的钢点焊向多元化连接技术发展。材料的多样化对车身连接技术的选择和应用提出了新的挑战，如何将合适的材料用在合适的部位并采用合适的连接技术，需要根據轻量化技术路线、成本策略及连接技术的工艺特点、适用条件等因素进行综合考虑。

参考文献：

[1]崔颖，周林柱，于琪明.铝合金车身连接技术[J].汽车工艺师，2018（12）：28-33.

[2]张林阳.全铝及钢-铝混合车身轻量化连接技术[J].汽车工艺与材料，2018（07）：1-8+14.

[3]段吉超，杨冰，张乙琳，秦兴国.多材料车身机械点连接技术的应用[J].汽车科技，2017（06）：75-81.

[4]张琪，叶鹏程，杨中玉，任小灵.汽车轻量化连接技术的应用现状与发展趋势[J].有色金属加工，2019，48（01）：1-9.

[5]李岩，胡志力，于海洋，庞秋.铝与钢异种材料连接技术及其研究进展[J/OL].材料导报：1-31[2019-09-11].http：// kns.cnki.net/kcms/detail/50.1078.TB.20190822.1113.002.html.

[6]覃鑫，江崧，刘建.电动汽车轻质材料连接工艺的探讨[J].汽车工艺师，2017（11）：55-58.