張 琪，葉鵬程，楊中玉，任小靈

(中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司 鋁加工事業(yè)部，北京 100082)

隨著汽車工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，汽車保有量也大幅增長(zhǎng)，2017年中國(guó)汽車產(chǎn)量達(dá)2901萬(wàn)輛，保有量達(dá)2.17億量。然而，汽車工業(yè)也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，汽車已成為世界燃油消耗和污染物排放的主要來(lái)源。在全球氣候變化、環(huán)境污染以及能源危機(jī)日益加劇的背景下，節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)面臨的重要課題。輕量化作為實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要途徑已成為汽車工業(yè)的共識(shí)。據(jù)測(cè)算，對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車，每減重100kg，百公里油耗可降低0.4L、二氧化碳排放可減少1kg，若每輛車每年平均運(yùn)行2萬(wàn)公里，每年可降低油耗80L，減少二氧化碳排放約200kg；對(duì)于純電動(dòng)汽車，重量每降低10%，電耗可降低5.5%，續(xù)航里程增加5.5%。

汽車輕量化的實(shí)施路徑包括輕量化材料的應(yīng)用，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和由于新結(jié)構(gòu)、新材料應(yīng)用帶來(lái)的先進(jìn)制造工藝的應(yīng)用3個(gè)方面，而輕量化材料的應(yīng)用是結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝優(yōu)化的前提和基礎(chǔ)[1，2]。在眾多輕量化材料中，鋁合金由于具有質(zhì)輕、耐腐蝕、吸能性好、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，成為輕量化車身制造的主要材料。國(guó)內(nèi)外知名汽車主機(jī)廠均將鋁合金應(yīng)用作為實(shí)現(xiàn)輕量化的主要手段。凱迪拉克CT6車身鋁合金應(yīng)用比例達(dá)到64%，整車相對(duì)傳統(tǒng)鋼制車身減重99kg；捷豹XFL采用全鋁車身構(gòu)架，鋁合金應(yīng)用比率高達(dá)75%，車身重量?jī)H為297kg。

但鋁合金由于成本、強(qiáng)度等因素的限制，并不能完全取代鋼鐵材料，因此未來(lái)輕量化車身將以鋼-鋁混合車身為主[3，4]。在鋼-鋁混合車身的制造過(guò)程中，一方面鋁合金本身由于化學(xué)性質(zhì)活潑、導(dǎo)熱性強(qiáng)、易形成焊接氣泡和夾雜等原因，導(dǎo)致焊接性能較差；另一方面鋁和鋼物理性能差別較大，易發(fā)生界面反應(yīng)，采用傳統(tǒng)焊接工藝很難實(shí)現(xiàn)高效率連接[5]，因此開發(fā)適合汽車制造的高效率鋁-鋁、鋁-鋼的連接技術(shù)成為汽車工業(yè)必須解決的技術(shù)難題。目前開發(fā)并應(yīng)用的輕量化連接技術(shù)包括焊接、機(jī)械連接和粘接技術(shù)3類。

1 焊接技術(shù)

目前在鋁合金及鋼-鋁混合車身的制造過(guò)程中獲得應(yīng)用的先進(jìn)焊接技術(shù)包括：電阻點(diǎn)焊、冷金屬過(guò)渡焊、激光焊和攪拌摩擦焊等。

1.1 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩柱狀電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)的阻焊方法。由于電阻點(diǎn)焊操作簡(jiǎn)單、熱影響區(qū)小、變形應(yīng)力小、可靠性好、焊接效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，已成為傳統(tǒng)汽車鋼制車身制造的主要連接手段。在傳統(tǒng)鋼制車身制造過(guò)程中，電阻點(diǎn)焊占全部焊接作業(yè)的90%以上。

對(duì)于輕量化車身，由于大量采用鋁合金等輕量化材料，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊應(yīng)用受到了較大限制。這主要是由于鋁合金熱容小、導(dǎo)熱和導(dǎo)電率高、表面易氧化及和銅電極易發(fā)生反應(yīng)等原因，造成電極壽命短、飛濺大、焊點(diǎn)表面成形性差，接頭質(zhì)量不穩(wěn)定[6]。例如，對(duì)于低碳鋼點(diǎn)焊，電極壽命可以達(dá)到幾千個(gè)焊點(diǎn)，而鋁合金點(diǎn)焊一般僅能達(dá)到幾十個(gè)焊點(diǎn)，鋁合金點(diǎn)焊電極壽命的顯著下降，使電極必須頻繁整修及更換，嚴(yán)重降低了生產(chǎn)率，導(dǎo)致點(diǎn)焊質(zhì)量不穩(wěn)定并增加電極材料消耗。

由于目前汽車主機(jī)廠大多數(shù)配置了電阻點(diǎn)焊的自動(dòng)化生產(chǎn)線，因此迫切希望開發(fā)提高鋁合金電阻點(diǎn)焊效率的工藝和方法。最近開發(fā)并成功獲得應(yīng)用的鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝包括通用MRD電極點(diǎn)焊和Delta Spot點(diǎn)焊技術(shù)。

1.1.1 MRD電極點(diǎn)焊

MRD電極點(diǎn)焊為美國(guó)通用汽車專利技術(shù)(圖1)。這種電極頭表面有特殊的環(huán)狀紋路，可在鋁材表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力區(qū)，破碎氧化膜以得到可控制的接觸電阻。在鋁點(diǎn)焊生產(chǎn)時(shí)，還需配備相應(yīng)的四刀片修磨器修出螺紋，修磨頻次為普通碳鋼點(diǎn)焊的5倍，約40點(diǎn)/次～50點(diǎn)/次。通用公司已將該技術(shù)成功應(yīng)用于2014款雪佛蘭科爾維特跑車和凱迪拉克CT6的車身制造。

(a)焊接現(xiàn)場(chǎng)(右上插圖為電極表面形貌)；(b)焊接形貌圖1 MRD電極點(diǎn)焊Fig.1 MRD electrode spot welding

1.1.2 Delta Spot點(diǎn)焊

Delta Spot點(diǎn)焊是奧地利伏能士公司(Fronius)針對(duì)鋁合金焊接開發(fā)的一種新型的電阻點(diǎn)焊技術(shù)(圖2)，其原理是在電極與工件之間增加一條電極帶，焊接時(shí)電極壓住電極帶接觸工件進(jìn)行焊接，當(dāng)一個(gè)焊點(diǎn)完成后，電極帶自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)位置。這種方式意味著電極同工件接觸表面總能保持干凈，每個(gè)焊點(diǎn)都是用“全新的”電極，每次焊接開始都有高質(zhì)量的焊接條件，從而保證100%質(zhì)量重復(fù)精度。電極帶的使用不僅可以保護(hù)電極，還可依據(jù)不同的材料選用不同電阻性能的電極帶，以增加焊縫熱量的輸入，從而達(dá)到增加核心直徑或者達(dá)到節(jié)能的目的。Delta Spot點(diǎn)焊已被成功應(yīng)用于保時(shí)捷、特斯拉等汽車車身的制造，在保時(shí)捷車門生產(chǎn)線中，一根電極帶可焊接5000個(gè)焊點(diǎn)，每個(gè)車門有16個(gè)焊點(diǎn)，這就意味著一根電極帶可以不間斷生產(chǎn)300多個(gè)保時(shí)捷車門，而更換電極帶的時(shí)間不到15min。焊接一個(gè)車門大概需要100s，一個(gè)Delta Spot工作站每天可焊接740多個(gè)4種不同的車門，供應(yīng)185輛保時(shí)捷車。

(a)焊接現(xiàn)場(chǎng)；(b)焊接形貌圖2 Delta Spot點(diǎn)焊Fig.2 Delta Spot welding

1.2 冷金屬過(guò)渡焊接

冷金屬過(guò)渡技術(shù)(CMT)熔滴過(guò)渡是在電流幾乎為零的情況下，通過(guò)焊絲的回抽將熔滴送進(jìn)熔池，熱輸入量迅速減少，對(duì)焊縫持續(xù)的熱量輸出時(shí)間非常短，從而給焊縫一個(gè)冷卻的過(guò)程，顯著降低了薄板焊接變形量，同時(shí)使得焊縫形成良好的搭橋能力，進(jìn)而降低了工件的裝配間隙要求及對(duì)夾具精度的要求。CMT焊接電弧穩(wěn)定，焊接過(guò)程幾乎無(wú)飛濺，更無(wú)燒穿現(xiàn)象，可以很好的實(shí)現(xiàn)鋁合金薄板及鋼-鋁異種材料的焊接。在焊接鋁/鋼等異質(zhì)材料時(shí)，CMT焊接容易實(shí)現(xiàn)金屬間化合物層厚度與成分的控制，獲得較高的焊接性能[7]。冷金屬過(guò)渡焊焊接質(zhì)量高、焊縫美觀，已被國(guó)外眾多汽車主機(jī)廠應(yīng)用，尤其是在車門、頂蓋等外觀要求高的部位。特斯拉Model S的全鋁車身制造就大量使用了CMT焊接工藝(圖3)。

伏能士公司與德國(guó)大眾-奧迪公司合作，在CMT焊接的基礎(chǔ)上共同研發(fā)出了CMT Braze工藝。CMT Braze核心技術(shù)在于特制的焊槍以及一個(gè)特殊定制的超聲波清槍設(shè)備，以保證工藝質(zhì)量。CMT Braze所具有的極其狹窄的圓錐形新式氣體噴嘴可以壓縮電弧帶來(lái)更快的釬焊速度，同時(shí)，在氣體消耗量方面相較與傳統(tǒng)電弧節(jié)省近60%。更重要的是，高流速和優(yōu)化的焊槍設(shè)計(jì)帶來(lái)更好的冷卻效果，保證了焊槍的持久使用。在奧迪A7的生產(chǎn)線上，將原本的等離子釬焊更換成了CMT Braze工藝(圖4)，不僅保證了良好的焊縫質(zhì)量和外觀，而且使得釬焊速度從2.5m/min提高到3m/min，且相較于前者成本顯著降低。

圖3 CMT焊接在特斯拉MODEL S車身上的應(yīng)用Fig.3 Application of CMT welding in Tesla MODEL S body

(a)奧迪A7側(cè)圍；(b)CMT Braze 焊縫圖4 CMT Braze在奧迪A7上側(cè)圍的應(yīng)用Fig.4 Application of CMT Braze in Audi A7 upper side circumference

1.3 激光焊接

激光焊接是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的熱源區(qū)，從而使焊接區(qū)域熔化并形成焊縫[8]。激光焊接作為一種新型焊接技術(shù)，與傳統(tǒng)的弧焊相比，在焊接速度、精度、效率、可靠性等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性[9]，因而日益廣泛的應(yīng)用于白車身的焊接。

美國(guó)克萊斯勒公司、通用公司、福特公司等最先將激光焊接技術(shù)應(yīng)用到汽車制造中，而激光焊接技術(shù)帶來(lái)的高效率、高質(zhì)量、低成本，成為美國(guó)汽車制造技術(shù)在世界領(lǐng)先地位的保障。由于成本的原因，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用基本上都集中在車頂和兩側(cè)包圍部位，主要還是為了讓車輛達(dá)到更好的密封性以及美觀度。圖5顯示了奧迪TT在A柱及車頂兩側(cè)選擇使用激光焊接，激光焊縫長(zhǎng)約4.9m。寶馬7系轎車的鋁合金車門采用激光焊接技術(shù)，每輛車的四扇鋁質(zhì)車門含有長(zhǎng)度超過(guò)15m的激光焊接縫，比鋼質(zhì)車門要輕約30%。國(guó)內(nèi)汽車主機(jī)廠如一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)城、江淮等主機(jī)廠也逐步應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，圖6為激光焊接技術(shù)在一汽大眾生產(chǎn)邁騰上的應(yīng)用。

圖5 激光焊接在奧迪TT白車身制造的應(yīng)用Fig.5 Application of laser welding in the manufactureof Audi TT body

近年來(lái)，由于汽車輕量化的迫切需求，激光拼焊板的應(yīng)用成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要手段之一。激光拼焊板是指將幾塊不同材質(zhì)或不同厚度的板材通過(guò)激光焊接而成的一塊整體板材，以滿足零部件不同位置對(duì)材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能實(shí)現(xiàn)輕量化[10]。采用激光拼焊板工藝不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化，而且能降低整車的制造成本、物流成本、減少外圍加強(qiáng)件數(shù)量，簡(jiǎn)化裝配步驟。

1985年奧迪車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產(chǎn)廠開始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術(shù)，近年來(lái)該項(xiàng)技術(shù)在全球新型鋼制車身設(shè)計(jì)和制造上獲得了日益廣泛的應(yīng)用。奔馳、寶馬、通用等各大汽車生產(chǎn)廠相繼在車身中采用了激光拼焊板技術(shù)。一汽大眾生產(chǎn)的邁騰前擋風(fēng)玻璃框架、車門內(nèi)板、車身前底板等處均采用激光拼焊技術(shù)，長(zhǎng)安福特生產(chǎn)的?？怂管囬T內(nèi)板(圖7)和前后縱梁均采用激光拼焊技術(shù)。目前激光拼焊技術(shù)主要應(yīng)用于不同厚度鋼板的拼接，鋼-鋁異種材料的激光拼焊板應(yīng)用仍較少，鋼和鋁激光焊接質(zhì)量控制、鋼-鋁拼焊板的沖壓成型等技術(shù)還需要開展大量研究工作。

1.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(FSW)是英國(guó)焊接研究所(TWI)1991年發(fā)明的一種新型固態(tài)焊接技術(shù)(圖8)。在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，一個(gè)帶有特殊軸肩和攪拌針的柱形攪拌頭會(huì)旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件中，通過(guò)劇烈的攪拌、摩擦以及壓力作用，焊縫的金屬材料發(fā)生塑性軟化，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬材料會(huì)從攪拌頭前沿向后方轉(zhuǎn)移，并在攪拌軸肩的作用下受到摩擦和鍛壓，得到組織細(xì)密、無(wú)缺陷的鍛造組織接頭[11]。攪拌摩擦焊接無(wú)需開坡口，焊接過(guò)程中無(wú)需填充材料和保護(hù)氣體，焊接過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生煙塵、飛濺、紫外線及電磁輻射等污染，實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程的自動(dòng)化和環(huán)保化。攪拌摩擦焊接過(guò)程熱輸入低、材料不發(fā)生熔化，特別適合鋁合金及鋁合金和其他金屬的焊接[12]。目前，攪拌摩擦焊技術(shù)在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域已經(jīng)到了工業(yè)化應(yīng)用階段，波音、洛克希德·馬丁、中航工業(yè)、中車集團(tuán)等都已廣泛采用了這項(xiàng)技術(shù)。

圖8 攪拌摩擦焊示意圖Fig.8 Friction stir welding diagram

攪拌摩擦焊雖然具有明顯性能優(yōu)勢(shì)，但也有一定的局限性。首先，由于攪拌針要插入焊縫，焊接后必然留有一個(gè)小孔(近年來(lái)發(fā)展的伸縮式攪拌頭可以解決此問(wèn)題)；其次，工件需要以很大的緊固力固定在工作臺(tái)上，并以很大的壓緊力壓緊，導(dǎo)致對(duì)焊接工況的要求嚴(yán)苛；此外，焊接速度尤其是異形焊縫的焊接速度較慢等。以上特點(diǎn)導(dǎo)致攪拌摩擦焊在汽車制造領(lǐng)域尚未大規(guī)模應(yīng)用，但近年來(lái)，也有不少汽車主機(jī)廠開始嘗試采用攪拌摩擦焊接進(jìn)行汽車零部件的制造，并開發(fā)了相應(yīng)的焊接工藝和技術(shù)。

目前，F(xiàn)SW技術(shù)已在發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身支架、汽車輪轂、車門預(yù)成型件、車體空間框架、卡車車體、載貨車的尾部升降平臺(tái)制造等方面得到了示范應(yīng)用。2000年TOWER汽車公司采用FSW技術(shù)實(shí)現(xiàn)了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車身的焊接。日本馬自達(dá)公司將FSW點(diǎn)焊技術(shù)應(yīng)用到“馬自達(dá)RX-8”型跑車后門框的焊接。2012年上市的美國(guó)版本田雅閣采用FSW技術(shù)進(jìn)行副車架的制造，這也是攪拌摩擦焊首次在量產(chǎn)乘用車上的批量應(yīng)用。該車型的副車架前部分由拉伸強(qiáng)度較高的鋼板，而后部分則是采用鋁合金壓鑄件，通過(guò)FSW技術(shù)進(jìn)行連接(圖9)。這種鋼鋁副車架相比原來(lái)的全鋼制副車架，重量減輕了25%(6kg)，而且在焊接時(shí)所消耗的電量也減少50%。

(a)副車架；(b)焊接形貌圖9 本田雅閣采用FSW技術(shù)制造的副車架Fig.9 Subframe manufactured by FSW technology in Honda Accord

近幾年來(lái)，在節(jié)能環(huán)保政策的激勵(lì)下，純電動(dòng)汽車得到了飛速發(fā)展。但笨重的電池成為新能源汽車提高續(xù)航里程的嚴(yán)重障礙。采用攪拌摩擦焊進(jìn)行新能源汽車用鋁合金電池托盤制造可以有效實(shí)現(xiàn)電池托盤減重及鋁合金型材的高質(zhì)量連接。2012年，中航工業(yè)賽福斯特公司與德國(guó)本特勒公司合作，為雷諾公司開發(fā)了世界上第一款電動(dòng)汽車鋁合金型材攪拌摩擦焊接輕量化電池托盤，并為德國(guó)本特勒公司提供了焊接速度超過(guò)2m/min高效率自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線。2014年，賽福斯特公司為美國(guó)特斯拉公司開發(fā)了鋁合金擠壓型材電池托盤(圖10(a))，并幫助特斯拉公司供應(yīng)商建立了攪拌摩擦焊接生產(chǎn)能力。2015年，賽福斯特公司為比亞迪公司開發(fā)了國(guó)內(nèi)首款鋁合金擠壓型材攪拌摩擦焊接電池托盤產(chǎn)品(圖10(b))，開啟了國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車鋁合金攪拌摩擦焊接托盤制造的產(chǎn)業(yè)化之路[13]。目前，攪拌摩擦焊已成為鋁合金電池托盤制造的主流技術(shù)。

(a)特斯拉電池托盤；(b)比亞迪電池托盤圖10 攪拌摩擦焊制造的新能源汽車電池托盤Fig.10 New energy vehicle battery tray made by friction stir welding

2 機(jī)械連接技術(shù)

近年來(lái)，針對(duì)鋁合金及鋼-鋁焊接效率低、質(zhì)量難以控制的難題，研究人員開發(fā)了幾類高效的機(jī)械連接技術(shù)，已被應(yīng)用于量產(chǎn)的輕量化車身的制造，典型的代表為自沖鉚(SPR)和無(wú)鉚壓力連接(Clinch)。

2.1 自沖鉚(SPR)

SPR工藝是通過(guò)液壓缸或伺服電機(jī)提供動(dòng)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饔孟屡c鉚釘發(fā)生塑性變形，成形后充盈于鉚模之中，從而形成穩(wěn)定連接的一種全新的板材連接技術(shù)。SPR工藝過(guò)程如圖11所示。

圖11 SPR工藝過(guò)程示意圖Fig.11 SPR process diagram

根據(jù)鉚釘?shù)男螤?，SPR自沖鉚接工藝可以分為無(wú)鉚釘自沖鉚接、實(shí)心鉚釘自沖鉚接和半空心鉚釘自沖鉚接。在汽車車身連接中，既要考慮連接靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度又要考慮車身輕量化，因此大多數(shù)汽車生產(chǎn)企業(yè)選擇將半空心鉚釘自沖鉚接工藝應(yīng)用于輕量化汽車車身薄板的裝配。SPR自沖鉚接工藝克服了傳統(tǒng)鉚接工藝外觀差、效率低、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)沖、鉚一次完成，連接過(guò)程不破壞板材的鍍層，為汽車車身的連接開辟了新途徑[14]。目前，SPR技術(shù)已成為歐美高端車型制造中的關(guān)鍵連接技術(shù)之一，并且成熟應(yīng)用于寶馬、奧迪、沃爾沃和美洲虎等汽車的全鋁車身及鋁-鋼混合車身連接中，其中美洲虎鋁制車身連接中SPR鉚釘?shù)氖褂靡堰_(dá)3000多個(gè)。國(guó)產(chǎn)的奇瑞捷豹路虎和凱迪拉克CT6也大量采用了SPR技術(shù)。其中凱迪拉克CT6整車采用了18種鉚模、30種鉚釘，共2754個(gè)鉚點(diǎn)。圖12為凱迪拉克CT6車型的SPR鉚接車間和鉚接的車身局部照片。

(a)SPR鉚接車間；(b)SPR鉚接點(diǎn)形貌圖12 SPR鉚接凱迪拉克CT6上的應(yīng)用Fig.12 Application of SPR riveted Cadillac CT6

“自沖”的特點(diǎn)為快速生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)流水線制造創(chuàng)造了條件，該工藝可用于汽車底盤件、汽車覆蓋件、車座椅、內(nèi)飾件之間的連接。隨著汽車制造業(yè)的不斷發(fā)展，各種新型材料的廣泛應(yīng)用，自沖鉚接工藝在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化中將呈現(xiàn)異軍突起的勢(shì)頭。

2.2 無(wú)鉚壓力連接(Clinch)

無(wú)鉚壓力連接是利用板件本身的冷變形能力，對(duì)板件進(jìn)行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的機(jī)械連接技術(shù)(圖13)。與 SPR 工藝相比，Clinch的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需額外的鉚釘，在大規(guī)模生產(chǎn)制造中，總成本要明顯低于 SPR 連接；此外，在Clinch連接點(diǎn)形成過(guò)程中，板件的防銹鍍層或漆層一起塑性變形流動(dòng)而無(wú)撕裂損傷，因此不會(huì)對(duì)零件表面造成破壞，也不會(huì)影響連接點(diǎn)處材料的抗腐蝕性及強(qiáng)度。Clinch缺點(diǎn)是其連接強(qiáng)度不如SPR，導(dǎo)致其在車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用領(lǐng)域基本局限于車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李倉(cāng)蓋、輪罩等強(qiáng)度要求相對(duì)較低的地方[15]。Clinch工藝已在國(guó)外車型得到普遍應(yīng)用，近年來(lái)，隨著國(guó)外車型的國(guó)產(chǎn)化，Clinch工藝也被大規(guī)模引進(jìn)國(guó)內(nèi)，如一汽大眾生產(chǎn)速騰前后蓋、奧迪A6的翼子板、A4前蓋、Q5前后蓋等覆蓋件區(qū)域都應(yīng)用了Clinch工藝。

(a)Clinch連接點(diǎn)形貌；(b)Clinch剖面形貌圖13 典型的Clinch連接點(diǎn)及剖面形貌Fig.13 Typical Clinch junction and profile morphology

3 粘接技術(shù)

粘接在車身上的應(yīng)用最初是以防腐和密封為目的，后來(lái)逐步發(fā)展到對(duì)連接的剛度和強(qiáng)度也提出較高要求，新一代結(jié)構(gòu)膠粘劑具有高強(qiáng)度高剛度，同時(shí)在沖擊載荷作用的時(shí)候又具有足夠的韌性和柔性的特點(diǎn)，能夠滿足車身結(jié)構(gòu)的需求，擴(kuò)大了粘接的應(yīng)用范圍。圖14給出了傳統(tǒng)乘用車粘接的應(yīng)用部位。

圖14 粘接技術(shù)在傳統(tǒng)乘用車上的應(yīng)用Fig.14 Application of bonding technology in traditional passenger cars

與其他連接方法相比，膠粘連接有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。粘接采用面接觸而非點(diǎn)或線接觸，與點(diǎn)焊及鉚接相比，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，連接強(qiáng)度和剛度以及疲勞強(qiáng)度也相對(duì)較高，而且連接范圍廣，能應(yīng)用于各種輕金屬、鋼材以及不同材料的連接。因此在輕量化的鋁車身和鋼-鋁混合車身上的應(yīng)用更加廣泛。但膠粘連接也有其固有缺點(diǎn)，首先由于其聚合物的本身特性，在相對(duì)較惡劣的環(huán)境下，粘膠劑的連接效果容易受溫度和濕度的影響，對(duì)二者比較敏感；其次，膠的凝固需要加熱且耗時(shí)較長(zhǎng)，凝固之前需要對(duì)板料進(jìn)行固定以防止板間相互滑動(dòng)；再者，膠接破壞形式是突然性開裂，失效時(shí)承受的載荷瞬間降為零，在車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)存在著安全隱患，故而粘接一般是和鉚接一起形成粘鉚復(fù)合連接共同應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)。

捷豹 JaguarXJ 全鋁車身、BMW5、BMW7車身中普遍使用了粘鉚復(fù)合連接。國(guó)產(chǎn)的凱迪拉克CT6、奇瑞捷豹路虎XFL、蔚來(lái)汽車ES8等均采用了粘鉚復(fù)合連接技術(shù)。其中自沖鉚(SPR)和結(jié)構(gòu)膠粘接技術(shù)的復(fù)合連接可以使連接強(qiáng)度增大至單純鉚接強(qiáng)度的2～3倍。

4 先進(jìn)連接技術(shù)在輕量化車型上的集成應(yīng)用

目前鋼-鋁混合車身或全鋁車身成為汽車企業(yè)輕量化發(fā)展的主流方向，表1總結(jié)了近年來(lái)上市的主要輕量化車型應(yīng)用的連接技術(shù)。可以看出，目前上市的鋼-鋁混合或全鋁車身并沒有相對(duì)統(tǒng)一的連接技術(shù)，不同的汽車企業(yè)根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)，選擇了不同連接技術(shù)的組合進(jìn)行輕量化車身的制造。

表1 近年來(lái)上市的主要輕量化車型應(yīng)用的連接技術(shù)

5 汽車輕量化連接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與建議

汽車輕量化的迫切需求導(dǎo)致汽車車身用材由傳統(tǒng)的以鋼材為主，逐步發(fā)展為高強(qiáng)鋼、鋁、鎂、復(fù)合材料等多種輕量化材料并存，輕量化材料的連接技術(shù)也成為學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用關(guān)注的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的鋼鐵材料車身制造主要采用電阻點(diǎn)焊為主不同，由于不同輕量化材料的性能差異較大，導(dǎo)致輕量化車身的主流焊接技術(shù)也將呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)。汽車主機(jī)廠迫切需要綜合考慮連接可靠性、成本經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率等多方面因素的連接技術(shù)解決方案。針對(duì)汽車主機(jī)廠的需求，建議相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用單位針對(duì)以下方面開展聯(lián)合攻關(guān)。

5.1 開發(fā)新型高效連接技術(shù)和智能化裝備

目前已開發(fā)的輕量化連接技術(shù)部分解決了全鋁車身或鋼-鋁混合車身的連接問(wèn)題，但均存在一定局限性。與傳統(tǒng)鋼制車身連接技術(shù)相比，全鋁車身或鋼-鋁混合車身的連接技術(shù)還不成熟，在可靠性、成本經(jīng)濟(jì)型和制造效率等方面均不具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。需要針對(duì)輕量化材料的特性，改進(jìn)現(xiàn)有連接工藝或開發(fā)新型連接或復(fù)合連接(電阻電焊鉚、攪拌摩擦塞鉚、粘鉚等)技術(shù)，同時(shí)開展連接智能化裝備的開發(fā)，以適應(yīng)未來(lái)汽車高效率、智能化制造的需要。

5.2 建立不同輕量化材料連接數(shù)據(jù)庫(kù)

未來(lái)汽車的輕量化將越來(lái)越依賴于多種輕量化材料的混合應(yīng)用，全鋁車身或鋼-鋁混合車身也將在不同部位應(yīng)用不同系列的鋁合金或鋼種。因此，未來(lái)輕量化車身的制造將依靠多種連接技術(shù)共同完成。需要針對(duì)不同輕量化材料之間的連接，開展各類連接方式的可靠性、成本、效率、工況適應(yīng)性的定量和定性對(duì)比分析，建立不同輕量化材料連接數(shù)據(jù)庫(kù)，為輕量化車身連接工藝的選擇提供指導(dǎo)。

5.3 開展不同連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

傳統(tǒng)汽車白車身是一個(gè)復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)件，設(shè)計(jì)制造時(shí)常常是將車身總成合理地分割成為若干個(gè)部件或組合件，分別進(jìn)行裝配焊接成分總成件，然后再裝配焊接成總成結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)車身制造相比，輕量化車身除應(yīng)用了傳統(tǒng)的焊接方式外，還大量應(yīng)用新型焊接、鉚接、粘接等技術(shù)，連接結(jié)構(gòu)的合理分割、連接方式的選擇，連接點(diǎn)的布置等均和傳統(tǒng)車身存在較大差別。需要開展不同連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，明確整車、部件及連接位置的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理的連接面和接頭形式，選擇合理的連接工藝，使輕量化車身結(jié)構(gòu)更可靠，輕量化效果最大、制造效率更高。