浅谈异种材料间的连接方法

制造与工

摘 要：近年来，随着国家的综合实力以及生产制造水平的不断提高，越来越多的新概念进入到人们的视野中，现在的重点已不仅在意生产产量，相反的，生产过程中的环保健康越来越被重视。汽车行业作为近年来的重要发展产业之一，为实现绿色制造和节能减排，汽车轻量化技术逐渐得到重视。目前实现轻量化的方法主要有结构优化、使用轻量化材料以及采用先进的制造技术。随着铝合金、镁合金、钛合金等轻质材料性能的逐渐提升，异种材料间的连接是现阶段制造业的重点研究内容之一。本文将对常见的异种材料间的连接方法进行介绍，为异种材料连接的研究提供理论基础。

关键词：绿色制造;节能减排;异种材料

1 引言

汽车行业作为国家工业重要组成部分，近年来为了响应国家可持续发展的战略以及缓解愈来愈严重的环境污染问题，汽车轻量化技术受到了越来越多的重视。据相关资料显示，汽车自身重量每减轻100kg，油耗将节约0.6升/100公里。对于传统的汽车材料而言，多以钢结构为主，但钢的密度较大，使得车身重量得不到减轻，油耗增大，对环境的污染程度也较高。近年来，随着对镁、铝、钛等密度较小材料性能的深入研究，轻质材料的应用途径不断扩大，尤其在汽车行业中体现得更为明显。基于此，汽车中采用的材料结构发生变化，不再仅以钢材作为主要材料，更多的是将轻质材料与钢材等异种材料进行整合使用。因此，如何实现异种材料之间的有效连接就成为了研究的重点。

2 连接方法

随着轻量化技术地位的不断提升，异种材料间的连接方法也在不断地进行更新，目前主要采用的连接方法包含焊接、胶接等常用传统的连接技术以及自冲铆接和无铆连接技术等新型连接技术。

2.1 焊接

焊接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料的制造工艺及技术，而焊接主要是通过熔焊、压焊和钎焊三种途径来达到接合的目的。在焊接方式中，搅拌摩擦焊作为一种较为新型的焊接技术，广泛应用于异种材料之间的连接。

搅拌摩擦焊是利用搅拌针，使其一边旋转一边前进，通过搅拌针与工件之间的不断摩擦，从而产生热量，通过摩擦而产生的摩擦热会使该部位的金属状态发生变化，从固体变为热塑性状态，且在搅拌针的作用下，状态发生变化的金属从前端向后部进行塑性的流动，从而将其压焊为一个整体。搅拌摩擦焊以其焊缝质量好、焊件尺寸精度高和绿色焊接等优点广泛应用于铝及其合金、铜合金、镁合金、钛合金等金属材料的焊接，现阶段对于该种连接方式的研究已日趋成熟。但同时搅拌摩擦焊也有其不足之处[1]，如搅拌针与工件分离时，焊缝的端头处会形成一定的工艺匙孔，从而使得接头处的力学性能降低;对于熔点存在较大差异的材料之间，无法发生有效的熔合;搅拌针由于高速旋转，磨损情况严重，且该材料价格较高，使得该技术在日常的工业生产中难以推广。因此，对该技术的应用还需进行深入地研究及分析。

2.2 胶接

胶接是利用结构胶与被连接材料间经相互作用而产生的三种力，即机械结合力、物理吸附力和化学键合力，从而来实现有效连接的一种工艺方法。

胶接技术凭借其在同种材料及异种材料之间均能产生有效连接，从而得到了广泛的关注及应用。利用胶接技术对材料进行连接时，整体连接处的应力分布较为均匀、密封性能好、抗振性能高。由于不同材料间的热膨胀系数会存在一定差异，因此将胶接技术用于异种材料连接时，会出现不好的问题，如固化变形和脱胶等，力学性能得不到保障;利用胶接技术连接材料前需对材料的表面进行处理，表面质量需达到一定标准，因为胶接质量的高低会受到胶接表面状况的影响;单独使用胶接工艺无法得到理想的连接效果，需将其它工艺与胶接工艺进行组合，从而得到质量较高的连接，不利于快速掌握及应用[2]。

2.3 自冲铆接

自冲铆接是利用铆钉和被连接板料在冷塑性变形下使其快速实现自锁的连接技术。该种技术可以有效实现多组异种材料的连接，如镁、铝等轻量金属和非金属之间的连接、有色金属和有色金属或与黑色金属的连接。现阶段常见的自冲铆接工艺类型包含两种，即实心铆钉自冲铆接工艺和半空心铆钉自冲铆接工艺[3]。

自冲铆接技术具有能耗小、寿命高、密封性能好等优点，但在对钢板进行连接时，接头处的抗拉强度较小，连接效果不佳;由于在自冲铆接过程中，板料不仅与凸模发生接触，同时与模具也发生接触，因此对于单面铆接的连接效果，该技术不能实现。

2.4 无铆连接

无铆连接技术是在常温下对板料施加压力，金属在一定形状的模具中发生塑性变形，通过金属的流动，从而使两层或者多层板料形成自锁而连接在一起[4]。

无铆连接技术从开始到最终的成形过程主要包含五个阶段，即板料定位阶段、铆接初始成形阶段、铆接形成阶段、铆接镦锻保压阶段以及铆接退模阶段，金属材料通过这五个阶段的变形过程，从而实现同种材料或者异种材料之间的有效连接。无铆连接技术作为新型连接技术的代表，具有其自身的特点[5]：无铆连接技术的应用范围较广，无论是对同种材料或异种材料、两层或多层板料以及中间有夹层的板料均可通过该技术实现有效连接;利用无铆连接技术处理表面有镀层或漆层的板料时，不会影响其抗腐蚀性能，因此该技术对板料表面质量的要求较低;利用无铆连接技术处理铝合金、镁合金等轻质材料时，连接接头处的力学性能较好;通过实验发现利用无铆连接技术获得的连接点强度与接头参数，如颈厚值和自锁值有一定关系，因此为了保障在使用该技术时能够获得较高的连接点强度，可通过调整其参数值来控制及改善连接效果;无铆连接技术的连接过程耗时短，效率高，自动化程度较高，设备简单轻便，可单独进行操作，不需任何的附加件及其它工序的配合;在对动态疲劳强度要求较高的汽车领域，无铆连接技术凭借其能够实现单点或多点连接而得到广泛应用;对于抗拉极限一般在1500 MPa以上的先进高强度钢，利用现有的无铆连接装置无法实现其连接，因此在实现先进高强度钢与铝合金之间的连接方面还需要再进行深入地研究，以便扩展无铆连接技术的应用场合。

3 结论

异种材料的相互连接技术在近几十年内得到了快速发展，随着轻量化技术的不断推进，对于异种材料间连接的性能要求会越来越高，对其连接方式的研究亦会逐渐深入。本文对常用的连接方式以及新型连接技术进行整理及表达，希望能对研究异种材料间连接的学者提供一定的帮助。

参考文献：

[1]刘会杰，潘庆，孔庆伟，等.搅拌摩擦焊焊接缺陷的研究[J].焊接，2007，（2）：17-21.

[2]ZHU X B，LI Y B，CHEN G L，et al. Curing-Induced Distortion Mechanism in Adhesive Bonding of Aluminum AA6061-T6 and Steels[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering Transactions of the Asme， 2013，135（5）：1-11.

[3]劉瑞军，李双义，张连洪，等.自冲铆接技术在汽车车身轻量化中的应用[J].汽车技术，2004，（11）：45-46.

[4]杨欣怡.板材无铆连接机理研究[D].西安：西安建筑科技大学，2018.

[5]胡亚民，李红，李文艳.一种先进的板料冲压连接技术─TOX连接技术[J]. 锻压装备与制造技术，2000，35（5）：15-17.