連接技術在汽車制造中的應用

李小飛 魏建

（浙江吉利汽車研究院有限公司）

汽車輕量化已成為汽車行業發展趨勢，鋼鋁混合車身的設計開發已經在部分汽車公司開始研究和實施應用。研究表明：鋼鋁連接接頭成本約為白車身成本的10%～20%，連接技術的正確使用對車身降成本意義重大。積累鋼鋁混合連接技術設計開發/CAE/Safety/同步工程經驗，有利于支持后續類似新車型開發。文章介紹了鋼鋁混合車身連接技術，并通過案例講述各種連接技術在車型設計開發和制造中的典型應用。

1 連接技術介紹及應用

1.1 鋁合金點焊

焊接接頭形式，如圖1所示。鋁合金熔點低、熱膨脹率及導電率高，表面易氧化，鋁點焊需大電流、短時間、多脈沖、大電極壓力，對焊機、變壓器及焊槍的供電要求高，大電極壓力需要焊槍結構堅固可靠[1]。因此，鋁合金點焊設備費用很高，國內汽車制造廠應用較少。通用汽車在量產車型中應用，由于焊鉗體積較大，無法手持，需要機器人自動化實現。圖2示出鋁合金點焊焊鉗。

圖1 鋁合金點焊接頭形式

圖2 鋁合金點焊焊鉗

1.2 鋁弧焊（MIG）

焊接接頭形式，如圖3所示。鋁熔點低，550～660℃，熱膨脹系數是鋼的2倍，導熱性是鋼的4倍，因此，焊接變形及焊接應力增加，需要采用低熱輸入量焊接工藝（如CMT技術）。由于鋁合金吸熱后極容易熱應力集中，造成板件開裂。目前主要采用2種方式減少MIG焊時所產生的熱量，即機械截斷式和電源截斷式，通過引弧-熄弧-再引弧的重復方式減小熱量的輸入。

圖3MIG接頭形式

目前，MIG在車身上應用比較廣泛，如全鋁前防撞梁、吸能盒等碰撞安全關鍵零部件；另外，鋁鑄件與鋁型材之間也可以通過MIG進行連接，圖4示出MIG產品。

圖4MIG產品

1.3 自穿釘鉚接（SPR）

SPR（Self-piercing rivet）屬于冷連接技術，接頭形式，如圖5所示。其獨特的連接方式，使其可以有效克服鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕金屬材料導電、導熱性快，熱容小，易氧化，難以采用傳統的連接方法進行焊接的缺點。與傳統電焊相比，自沖鉚接的強度能增加30%。圖6示出SPR連接工作原理圖。

圖5 SPR接頭形式

圖6 SPR工作原理圖

SPR工藝優點：1）不僅適于同種材料之間的連接，而且能夠實現鋁/鎂、鋁/鋼、鎂/鋼、鋁合金/鎂合金/高強度鋼等金屬材料和高分子材料/復合材料的同質和異質材料的雙層及多層連接；2）鉚接過程能耗低，無熱效應，不會破壞涂層。

SPR工藝缺點：1）不同材質、厚度及硬度的接頭組合需要不同的鉚釘、沖頭及沖模，鉚釘成本較貴；2）設備系統成本遠高于電阻點焊，鉚接點的平面凸起2～3mm，2層板連接后再與第3層板連接時，對進槍的方向有限制；3）只能使用C型鉚接槍，如圖7所示，連接點處的雙側需要預留進槍空間（無法應用于封閉型腔）。

圖7C型SPR鉚槍

目前，SPR已廣泛應用于奧迪、寶馬、捷豹、沃爾沃、通用、福特和菲亞特克萊斯勒等公司鋁合金車身的制造，接頭疲勞強度可達電阻點焊的2倍。國內奇瑞捷豹路虎、凱迪拉克CT6車身普遍采用的連接工藝就是SPR。

1.4 無鉚釘自沖鉚接（Clinching）

Clinching屬于壓力連接的一種，利用板件本身的冷變形能力，對板件進行壓力加工，使板件產生局部變形而將板件連接在一起的機械連接技術。圖8示出Clinching接頭形式。

圖8 Clinching接頭形式

Clinching與SPR工藝相比，優點：1）它不需要額外的鉚釘，在大規模生產制造中，壓力連接的總成本要明顯低于SPR連接；2）在連接形成過程中，板件的防銹鍍層或漆層也隨之一起塑性變形流動而無撕裂損傷，因此，不會對零件表面造成破壞，也不會影響連接點處材料的抗腐蝕性及強度[2]。缺點：目前其在車身結構上的應用主要局限于車門、發動機罩、行李箱蓋、輪罩等強度要求相對較低的部件上，如圖9所示，其應用范圍并不如SPR廣泛，主要原因在于其連接強度不如鋼鋁混合車身，而鋼鋁混合車身結構對連接點強度的要求更高。

圖9 Clinching車身外覆蓋件的應用

1.5 熱熔自攻螺釘（FDS）

FDS接頭形式，如圖10所示。FDS工藝通過螺釘的高速旋轉軟化待連接板，并在巨大的軸向壓力下，擠壓并旋入待連接板，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環狀套管。圖11示出FDS工作原理圖。

圖10 FDS接頭形式

FDS工藝的優點有：1）因為螺釘不需要變形，因此可以用來連接包括超高強鋼、鋁鎂合金、復合材料在內的異種材料，如圖12所示；2）單面進槍，可用于封閉型腔結構、壁厚或封閉腔體，無法使用SPR或Clinching；3）板件被加熱，板件與螺釘接觸好，連接強度大。

FDS工藝的缺點有：1）設備系統成本遠高于電阻點焊，鉚釘成本高；2）單面施力，連接時需要高強度剛性支撐；3）操作時間長，約為 5～8 s；4）工藝完成后，材料正反面均有較大凸起，螺釘尺寸較長，如果大量使用會增加車身自重，同時過長的露出部分也會對車身的設計與制造產生影響；5）因為下層要鉆穿，接頭的防腐能力會下降。

目前，FDS作為單面進入多層板材連接技術中最常見的應用，設備主要由國外廠家提供。

1.6 壓力穿刺鉚(Rivet）

圖13示出壓力穿刺鉚釘。

圖13 壓力穿刺鉚釘

壓力穿刺鉚主要特點有：1）輔料成本高，Rivet比FDS的價格要貴1倍，因此設備壓力遠遠大于FDS，造成設備成本較高，同時導致設備笨重；2）噪聲大，必須建設單獨廠房，對生產廠房空間要求高；3）連接時相對熱變形小，板件匹配效果好；4）無法拆卸，相對FDS返修更加困難。壓力穿刺鉚工作原理，如圖14所示。

圖14 應力穿刺鉚連接過程示意圖

目前，該技術只在少數公司試用，如：奔馳、特斯拉等。

1.7 結構膠(Adhesive）

膠粘連接在汽車工業中的應用已經有很長的歷史，與其他連接方法相比，膠粘連接有其獨特優勢：粘接采用面接觸，而非點或線接觸。與點焊及鉚接相比，不易產生應力集中，連接強度、剛度和疲勞強度也相對較高，而且連接范圍廣，應用于各種輕金屬、鋼材以及其他不同材料的連接。

膠粘劑在車身上的應用，最初是以防腐和密封為目的，后來逐步發展到對連接的剛度和強度也提出較高的要求。新一代結構膠粘劑具有高強度、高剛度，同時在沖擊載荷的作用下，又具有足夠的韌性和柔性，能夠滿足車身結構的需求，擴大了膠粘連接的應用范圍。圖15示出結構膠在車身上使用的區域。

圖15 結構膠在車身上使用的區域

目前，結構膠在各大主機廠中的單車用量呈逐漸上升的趨勢，以提升車身的整體性能。

2 結論

連接工藝不是孤立存在的，不同的連接工藝可以通過自動工具切換系統來完成，以滿足行業柔性化的需要。連接工藝方式主要取決于車身材料及結構設計。

綜合各種因素，在汽車制造中，國內輕量化車身應用較多的是Clinching和SPR連接技術。國內鋼鋁混合車身的設計開發、材料成型工藝、制造工藝及連接設備等并不是很成熟，需要更多高校、科研機構、汽車廠以及設備供應商加強溝通和合作，人們會很快掌握輕量化車身連接技術并逐漸推廣應用。