异种金属接合法的种类及比较

2021-11-02黄露

中国金属通报 2021年10期

黄露

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江宁波 315336）

从保护地球环境来看，现各国对二氧化碳的排出量限制越来越严格，以汽车为首的运输机械对其轻量化的要求越来越高。但另一方面，汽车的安全性也越来越受到重视，要求减轻对搭乘者和步行者的伤害，因此增加增强材也是车身重量增加的一个原因。

为满足两者要求，需根据其性能选择最佳材料，具体指运用较多的软钢和高强钢以及高强度化的超高强钢和热冲压钢，或者非铁材料铝合金，镁合金和碳钎维增强复合材料（CFRP）等。如上的原材料成形加工后，涉及的连接工艺实施有一定困难。例如，钢和铝合金熔融连接的话，铁和铝之间会生成金属间化合物，此特性会产生脆硬的连接部，易脱落，实际是不可能焊接的。

另一种，固相连接与熔融连接不同的是不会生成金属间化合物，可形成稳定的连接。在汽车上已实际运用的固相连接异种材技术有搅拌摩擦焊（FSW Friction Stir Welding）。搅拌摩擦点焊（FSSW Friction Stir Spot Welding)有实际运用在后备箱[1]，线连接形状的FSW有实际运用在悬架[2]。使用这种固相连接钢和铝合金是有可能的，但是，压力控制要非常稳定，而且在组装成品时还要考虑到产品形状和工业精度上的偏差，要实施还是伴随着一定困难。对于异种材连接，欧洲国家较为常见的是铆钉机械连接。代表性的有以SPR（Self-Pierce Riveting）为首的各种接合技术且被实施运用。本文主要是对异种金属接合技术的种类进行调查阐述。

1 异种金属机械接合法种类

异种金属连接最简单的手段就是被接合体是钢和铝合金用铆钉铆接。还有一种手段是先铆接铝合金，然后钢制的铆钉和另一层钢板进行电阻点焊的一种接合方法。表1所示为机械接合法的种类（Ⅰ～Ⅴ）和（a）铆钉形状、（b）方法以及（c）截面图。

表1 机械连接法

1.1 SPR（Self-Pierce Riveting）自冲铆

SPR属于一般的机械接合法，在汽车中不仅限于异种材接合部，铝合金之间也适用[3]。带有法兰边的管状铆钉（表中Ⅰ-(a)）驱使下层板施加压力，使板厚内部发生塑性变形，嵌入下层板料从而形成铆钉与板料间的机械互锁结构（表中Ⅰ-(b)）。以前，因驱动负载不足容易造成铆钉没有完成嵌入进去，对连接高强度材料铆钉容易压弯，不能适用于超过590MPa级高强度钢。但是，经过近几年的不断改善，980MPa级钢级以上级别的材料也适用。

1.2 Tuk-Rivet®注1）

相对于SPR铆钉空心管状不同，Tuk-Rivet®[4]是实心圆柱带法兰形状的铆钉（表中Ⅱ-(a)）。因和SPR一样都是自身开孔型，所以也被分类为实心铆钉SPR。此铆钉对材料钻孔后，铆钉进入孔内，如（表中Ⅱ-(b)）的构造。因此，铆钉经常被设计成螺纹状，通过此螺纹形状在板之间形成铆接构造进行接合。正面和反面在铆接完成后板面相对平整，多用于对外观有要求的顶盖或者支柱周边。

1.3 FDS®注2）（Flow Drilling Screw）流钻螺钉

SPR和Tuk-Rivet®都是需要两面夹紧，所谓双面进入。以此不同，如表中Ⅲ所示FDS®，底板是不需要夹具插入，所谓单面进入[5]。此方法也适用于被接合材是方材或者管状的断面材料。螺钉有螺纹的形状边旋转边插入，直到完全贯穿连接。上层板材如果是高强钢的话则很难贯穿，需要预开孔再进行FDS®连接。和SPR一样，是目前比较广泛应用的一种连接工艺，异种材料，铝合金之间都可运用此连接方法。

1.4 ImpAcT（Impulse Accelerated Tacking）高速射钉

ImpAct高速射钉技术仅应用于奔驰汽车[6]，钉子型号为RIVTAC®注3）。铆钉和钉子形状类似（表中Ⅳ-(a)），工艺原理不是旋转而是射入的一种简单工艺（表中Ⅳ-(b)）7）。和FDS®一样是单面连接，高速射钉具有很高的生产效率，超高强钢也可以射入，不需要预开孔，从材料和强度来看适用范围很广，但其缺点是连接时会产生较大的噪音。

1.5 FEW（Friction Element Welding）摩擦塞铆焊

EJOT公司开发的EJOWELD®注4）技术应用于奥迪Q7上[8]。实施方法有两种“元件”（表中Ⅴ）[5]，一种是法兰圆柱状的钢制元件边旋转边向上层板铝合金压入，与下板钢板面接合的双面进入（CFF）。另外一种是前端像钉子一样的元件边旋转边贯穿上板铝合金以及下板钢板，铆钉轴的周围和钢板接合叫单面进入（CFP）[7]。铆钉和下钢板的接合原理同样也是摩擦压接法，属于金属间接合所以接合部强度高。另，上板是铝合金则不需要预开孔就可以接合，但是树脂连接必须进行预开孔。