陳麗華

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

車身輕量化已成為汽車制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，降低汽車質(zhì)量最直接的方法就是在車身制造過程中大量使用鋁合金與高強(qiáng)鋼輕量化材料。同以往鋼結(jié)構(gòu)相比，采用鋁合金結(jié)構(gòu)可以使車體質(zhì)量減輕30%～40%?？墒菍τ阡X鋁焊接，鋁的電阻點(diǎn)焊存在鋁及鋁合金熔點(diǎn)低、屈服強(qiáng)度低、易導(dǎo)電導(dǎo)熱以及存在表面氧化膜等問題；對于鋼鋁的連接，存在可焊接性差及電化學(xué)腐蝕等問題，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。這些連接技術(shù)給車身輕量化帶來了很大困難。

1 鋼鋁一體化車身框架的發(fā)展現(xiàn)狀

整車廠通過大量使用輕質(zhì)與高強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)車身大幅減重已經(jīng)成為車身輕量化最為主要的手段。這些材料主要可以分為2 類：一類是高強(qiáng)鋼材料，包括普通高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼；另一類是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料及復(fù)合材料等[1]。

很多汽車公司也開始采用鋁擠壓件、鋁沖壓件及高壓真空鑄鋁件開發(fā)鋁車身，使整車質(zhì)量減輕約40%。

2 材料輕量化車身對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)

表1 示出多種車身連接技術(shù)的比較。

表1 多種車身連接技術(shù)比較表

2.1 鋁點(diǎn)焊及檢測方法

在鋁合金點(diǎn)焊電極壽命研究方面，文獻(xiàn)[2]在研究5182 鋁合金點(diǎn)焊電極壽命中，采用了掃描電鏡、SEM/EDX 及XRD 等方法，研究表明，從電極衰退到最終失效主要經(jīng)歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電極端面蝕斑及電極端面凹坑4 個(gè)階段，由于蝕斑和凹坑起源于鋁的剝離和合金化，因此認(rèn)為定期對電極表面清潔能增加電極壽命，有利于汽車生產(chǎn)中鋁合金的應(yīng)用；文獻(xiàn)[3]研究了銅電極的合金成分對電極壽命的影響，試驗(yàn)中采用了Cu-Cr，Cu-Zr，Cu-Cr-Zr，Cu-Be 等不同的銅電極材料；同時(shí)文獻(xiàn)[3]提出點(diǎn)焊鋁合金時(shí)采用復(fù)合電極以提高其壽命，研究采用在鉻鋯銅電極端部鑲嵌鎢的復(fù)合電極焊接鋁合金，發(fā)現(xiàn)電極壽命可提高1.5～2 倍。

鋁的RSW 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，如圖1 所示。

電極帽表面采用特殊的圓環(huán)式設(shè)計(jì)，如圖2 所示，在鋁材表面產(chǎn)生不同應(yīng)力區(qū)，破碎氧化膜以得到可控制的電阻。

但是鋁的RSW 工藝也有其局限性：連接點(diǎn)處需要保留雙側(cè)的進(jìn)槍空間；需要使用5×104A 以上的強(qiáng)電流；對焊機(jī)、變壓器及焊槍的供電要求高；靠近焊點(diǎn)的工裝夾頭必須采用非磁鐵性材質(zhì)；供電電纜比鋼電阻焊粗；需要特殊的電極帽及修磨器；對焊槍剛性及對稱性也有要求。

RSW 的檢驗(yàn)方式同點(diǎn)焊類似，也可以用微觀的檢查方法，檢查熔核，圖3 示出微觀鋁點(diǎn)焊示意圖。圖4示出不同形狀熔核直徑的測量方法（忽略熱影響區(qū)），熔核直徑=（D+d）/2，合格要求為4～5 mm，與鋼點(diǎn)焊合格要求基本一致。

2.2 自沖鉚接原理及檢測方法

SPR 工藝是一種在鉚釘與板料之間形成牢固互鎖的冷成型工藝，它通過液壓缸或伺服電機(jī)提供動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，待鉚接板材在鉚釘?shù)膲毫ψ饔孟潞豌T釘發(fā)生塑性變形，成型后充盈于鉚模之中，從而形成穩(wěn)定連接。圖5 示出SPR 的原理圖，鉚鼻首先壓住被鉚接板材，鉚釘被鉚桿施壓嵌入，穿透上層板材，并擴(kuò)張進(jìn)入下一層板材，而后鉚釘與板材一起擴(kuò)張，充滿鉚模，鉚釘腿部向四周翻開形成“鈕扣”，從而完成上下板材牢固的連接。圖6 和圖7 分別示出典型SPR 設(shè)備實(shí)物圖及鉚接完成斷面圖。

SPR 作為機(jī)械冷成型連接的優(yōu)勢是：可以實(shí)現(xiàn)多種材料（鋼、鋁、塑料）連接；鋁的SPR 鉚接點(diǎn)的靜態(tài)強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度均高于等厚鋁板材RSW 的強(qiáng)度；SPR 也是單步工藝，時(shí)間可控制在4 s（純鉚接時(shí)間）；屬于能耗低的綠色工藝；工藝質(zhì)量可以實(shí)現(xiàn)過程自監(jiān)控。

同時(shí)SPR 工藝也有其局限性：連接點(diǎn)處需要保留雙側(cè)的進(jìn)槍空間；通常不同材質(zhì)、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；設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于RSW；鉚接點(diǎn)的平面凸起約2～3 mm，只能使用C 型鉚接槍。

SPR 工藝的材料及厚度匹配要求為：接頭不能含脆性材料（如玻璃、脆性塑料）；底層材料（鉚模側(cè)）可以是鋼板或者鋁板，如果是鋁型材或鑄鋁，其延伸率必須大于12%；不同材質(zhì)鉚接時(shí)，需使薄板鉚向厚板，如圖8a 所示，硬材質(zhì)鉚向軟材質(zhì)（如鋼向鋁側(cè)），厚板鉚向薄板時(shí)，底層板材的厚度必須大于鉚點(diǎn)總厚度的1/3，如圖8b 所示。

SPR 的接頭設(shè)計(jì)要求，如圖9 所示，圖9a～圖9c分別示出不同結(jié)構(gòu)對于翻邊的要求。

SPR 的檢測要求，如圖10 所示，剖面顯微試驗(yàn)可以通過檢測圖10 中的7 個(gè)特征點(diǎn)，來對鉚接點(diǎn)質(zhì)量的合格與否做出判斷：1）鉚釘頭的高度和頂層板材平齊（以沉頭鉚釘為例）；2）釘桿四周沒有縫隙；3）鉚釘尾部切入底層板材，并與之互鎖；4）鉚釘尾部沒有穿透底層板材（關(guān)鍵特征點(diǎn)，鉚釘一旦穿透底層板材，鉚接點(diǎn)立即失效）；5）鉚釘尾部沒有屈服和蜷縮（關(guān)鍵特征點(diǎn)，鉚釘尾部一旦出現(xiàn)屈服和蜷縮，鉚接點(diǎn)立即失效）；6）鉚接鈕扣沒有徑向開裂現(xiàn)象；7）鉚接尾部沒有崩裂現(xiàn)象。

采用實(shí)地調(diào)查和函調(diào)相結(jié)合的方式。一是實(shí)地調(diào)查，在近年對各地管材選用情況了解的基礎(chǔ)上，選擇不同氣候條件、地質(zhì)條件以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件有代表性的省份(華北、華東、西北、西南地區(qū)各至少一個(gè)省)，每個(gè)省選擇2~3個(gè)縣，了解工程管材使用情況和運(yùn)行效果。實(shí)地調(diào)查過程中召開由項(xiàng)目建設(shè)部門、質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)和招標(biāo)投標(biāo)代理機(jī)構(gòu)代表、工程建設(shè)管理人員和受益群眾代表參加的座談會，了解管材使用及效益等情況。二是函調(diào)，通過調(diào)查問卷，向各地農(nóng)村供水工程管理人員和工程技術(shù)人員了解當(dāng)?shù)毓懿牡氖褂们闆r。

另外，冷連接工藝適用于多層及多種類型的板材連接，以及特殊鉚接工藝，如：3 mm 擠壓鋁合金板+襯料+2 mm 高強(qiáng)度鋼板。

鋁制板材SPR 樣件示意圖，如圖11 所示。剪切力和拉脫力的具體值，如表2 所示。

表2 自沖鉚接靜力學(xué)數(shù)據(jù)表

目前，SPR 方法已廣泛應(yīng)用于鋁合金車身的制造，接頭疲勞強(qiáng)度可達(dá)RSW 的2 倍。國內(nèi)在SPR 方面研究起步較晚，文獻(xiàn)[4-6]圍繞鋁合金做了大量的理論和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[7-9]針對鋁鋼異種連接研究了凹模及鉚釘尺寸等工藝要素對鋁鋼SPR 質(zhì)量的影響規(guī)律。

2.3 旋轉(zhuǎn)攻絲鉚接的原理及檢測方法

FDS 工藝是通過高速旋轉(zhuǎn)使板料熱變形后攻絲鉚接的冷成型工藝，其原理如圖12 所示。第1 步，在5 000 r/min，超過1 500 N 的高轉(zhuǎn)速與高壓下，材料受熱；第2 步，旋轉(zhuǎn)穿過材料；第3 步，形成圓柱狀；第4 步，形成螺紋；第5 步，旋轉(zhuǎn)繼續(xù)往下；第6 步，最后緊固螺栓達(dá)到15 N·m 的扭矩。

FDS 的優(yōu)點(diǎn)為：單面連接工藝使型材及小孔洞連接成為可能；預(yù)開孔有無均可；可以連接不同材料；連接過程中的旋轉(zhuǎn)摩擦生熱使得攻絲旋轉(zhuǎn)扭矩低；因螺紋接觸面大而產(chǎn)生大的旋緊扭矩；松開扭矩高；氣密性水密性好；動態(tài)承載性好；攻絲的螺紋可以重復(fù)旋緊；可以使用公制螺絲返修。

FDS 工藝的局限性為：連接點(diǎn)處需要高的剛性支撐；時(shí)間長，約為5～8 s；鉚釘成本單價(jià)高（0.15 歐元/件）；設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于RSW；工藝完成后鉚釘正反面均有較大凸起保留；正面鉚接方向需要留出大的進(jìn)槍空間；鉚釘選用、工藝參數(shù)跟鉚接材料及鉚接姿勢相關(guān)性強(qiáng)。

FDS 的材料與厚度匹配要求為：接頭不能含脆性材料（如玻璃、脆性塑料）；底層材料（鉚模側(cè)）通常是1.5～3.5 mm 的鋁型材或者3 mm 左右的鑄鋁件；上層板材可以用7 mm 的預(yù)沖孔，引導(dǎo)孔有無均可；沒有引導(dǎo)孔時(shí)，不同材質(zhì)鉚接原則是軟材質(zhì)鉚向硬材質(zhì)和薄材質(zhì)鉚向厚材質(zhì)。

FDS 的接頭的設(shè)計(jì)要求（搭接邊、翻邊、涂膠位置以及鉚接槍的位置），如圖13 所示。

FDS 的檢測方式是用扭矩值來判斷，扭矩值大于5 N·m 即為合格。返修的方式可以重新攻大一號的鉚釘連接，如果沒有損壞的話，可以重新打這個(gè)鉚釘。

3 電化學(xué)腐蝕的解決

由于鋼和鋁具有不同的電化學(xué)效能，鋼鋁間的電極電位相差較大，且鋁的電極電位更負(fù)，因此兩者混合連接時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕：電偶腐蝕、縫隙腐蝕、絲狀腐蝕、膏狀腐蝕、晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕。目前所采用的方案有2 種：

1）對鋁板進(jìn)行鈦鋯涂層（Tizr）的處理。對于高壓鑄鋁零件，擠壓件無法先進(jìn)行預(yù)處理的，可以采用無色鉻化劑Alodine 5200 進(jìn)行噴浸處理，但使用Alodine 成本較高。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)：1.5%～7.5%，溫度：20～50 ℃，操作時(shí)間：0.5～3 min，處理后工件表面生成無色的漆底鈍化膜，對于SPR，F(xiàn)DS，RSW 的連接都無影響?？紤]車身的結(jié)構(gòu)，表面處理后都需再涂上結(jié)構(gòu)膠，以提高整個(gè)車身的強(qiáng)度。

2）鋁件先采用電泳，然后再涂上結(jié)構(gòu)膠解決腐蝕問題，該方案成本較低。

4 結(jié)論

我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展給國內(nèi)整車研發(fā)企業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，鋼鋁一體化車身的框架結(jié)構(gòu)是輕量化的重要途徑之一。目前鋼鋁一體化車身的連接難點(diǎn)正逐步得到解決，技術(shù)也日趨成熟。連接方式中的RSW，SPR，F(xiàn)DS 技術(shù)相應(yīng)得到了驗(yàn)證，并且在設(shè)計(jì)、檢測及返修方面都取得了一定成果。結(jié)合輔助結(jié)構(gòu)膠等加強(qiáng)措施，使整車的性能、安全與耐腐蝕能力都能滿足要求。