连接汽车制造中的连接技术

　　来源：材加网
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　　汽车轻量化已成为汽车行业发展趋势，钢铝混合车身的设计开发已经在部分汽车公司开始研究和实施应用。研究表明：钢铝连接接头成本约为白车身成本的10～20，连接技术的正确使用对车身降成本意义重大。积累钢铝混合连接技术设计开发CAESafety同步工程经验，有利于支持后续类似新车型开发。
　　1铝合金点焊
　　焊接接头形式，如图1所示。铝合金熔点低、热膨胀率及导电率高，表面易氧化，铝点焊需大电流、短时间、多脉冲、大电极压力，对焊机、变压器及焊枪的供电要求高，大电极压力需要焊枪结构坚固可靠〔1〕。因此，铝合金点焊设备费用很高，国内汽车制造厂应用较少。通用汽车在量产车型中应用，由于焊钳体积较大，无法手持，需要机器人自动化实现。图2示出铝合金点焊焊钳。
　　2铝弧焊（MIG）
　　焊接接头形式，如图3所示。铝熔点低，550～660，热膨胀系数是钢的2倍，导热性是钢的4倍，因此，焊接变形及焊接应力增加，需要采用低热输入量焊接工艺（如CMT技术）。由于铝合金吸热后极容易热应力集中，造成板件开裂。目前主要采用2种方式减少MIG焊时所产生的热量，即机械截断式和电源截断式，通过引弧熄弧再引弧的重复方式减小热量的输入。
　　目前，MIG在车身上应用比较广泛，如全铝前防撞梁、吸能盒等碰撞安全关键零部件；另外，铝铸件与铝型材之间也可以通过MIG进行连接，图4示出MIG产品。
　　3自穿钉铆接（SPR）
　　SPR（Selfpiercingrivet）属于冷连接技术，接头形式，如图5所示。其独特的连接方式，使其可以有效克服铝合金、镁合金、钛合金等轻金属材料导电、导热性快，热容小，易氧化，难以采用传统的连接方法进行焊接的缺点。与传统电焊相比，自冲铆接的强度能增加30。图6示出SPR连接工作原理图。
　　SPR工艺优点：
　　1）不仅适于同种材料之间的连接，而且能够实现铝镁、铝钢、镁钢、铝合金镁合金高强度钢等金属材料和高分子材料复合材料的同质和异质材料的双层及多层连接；
　　2）铆接过程能耗低，无热效应，不会破坏涂层。
　　SPR工艺缺点：
　　1）不同材质、厚度及硬度的接头组合需要不同的铆钉、冲头及冲模，铆钉成本较贵；
　　2）设备系统成本远高于电阻点焊，铆接点的平面凸起2～3mm，2层板连接后再与第3层板连接时，对进枪的方向有限制；
　　3）只能使用C型铆接枪，如图7所示，连接点处的双侧需要预留进枪空间（无法应用于封闭型腔）。
　　目前，SPR已广泛应用于奥迪、宝马、捷豹、沃尔沃、通用、福特和菲亚特克莱斯勒等公司铝合金车身的制造，接头疲劳强度可达电阻点焊的2倍。国内奇瑞捷豹路虎、凯迪拉克CT6车身普遍采用的连接工艺就是SPR。
　　4无铆钉自冲铆接（Clinching）
　　Clinching属于压力连接的一种，利用板件本身的冷变形能力，对板件进行压力加工，使板件产生局部变形而将板件连接在一起的机械连接技术。图8示出Clinching接头形式。
　　Clinching与SPR工艺相比，优点：
　　1）它不需要额外的铆钉，在大规模生产制造中，压力连接的总成本要明显低于SPR连接；
　　2）在连接形成过程中，板件的防锈镀层或漆层也随之一起塑性变形流动而无撕裂损伤，因此，不会对零件表面造成破坏，也不会影响连接点处材料的抗腐蚀性及强度〔2〕。
　　缺点：目前其在车身结构上的应用主要局限于车门、发动机罩、行李箱盖、轮罩等强度要求相对较低的部件上，如图9所示，其应用范围并不如SPR广泛，主要原因在于其连接强度不如钢铝混合车身，而钢铝混合车身结构对连接点强度的要求更高。
　　5热熔自攻螺钉（FDS）
　　FDS接头形式，如图10所示。FDS工艺通过螺钉的高速旋转软化待连接板，并在巨大的轴向压力下，挤压并旋入待连接板，最终在板材与螺钉之间形成螺纹连接，而中心孔处的母材则被挤出，并在下层板的底部形成一个环状套管。图11示出FDS工作原理图。
　　FDS工艺的优点有：
　　1）因为螺钉不需要变形，因此可以用来连接包括超高强钢、铝镁合金、复合材料在内的异种材料，如图12所示；
　　2）单面进枪，可用于封闭型腔结构、壁厚或封闭腔体，无法使用SPR或C
　　3）板件被加热，板件与螺钉接触好，连接强度大。
　　FDS工艺的缺点有：
　　1）设备系统成本远高于电阻点焊，铆钉成本高；
　　2）单面施力，连接时需要高强度刚性支撑；
　　3）操作时间长，约为5～8s；
　　4）工艺完成后，材料正反面均有较大凸起，螺钉尺寸较长，如果大量使用会增加车身自重，同时过长的露出部分也会对车身的设计与制造产生影响；
　　5）因为下层要钻穿，接头的防腐能力会下降。
　　目前，FDS作为单面进入多层板材连接技术中最常见的应用，设备主要由国外厂家提供。
　　6压力穿刺铆（Rivet）
　　压力穿刺铆主要特点有：
　　1）辅料成本高，Rivet比FDS的价格要贵1倍，因此设备压力远远大于FDS，造成设备成本较高，同时导致设备笨重；
　　2）噪声大，必须建设单独厂房，对生产厂房空间要求高；
　　3）连接时相对热变形小，板件匹配效果好；
　　4）无法拆卸，相对FDS返修更加困难。图13示出压力穿刺铆钉。压力穿刺铆工作原理，如图14所示。
　　目前，该技术只在少数公司试用，如：奔驰、特斯拉等。
　　7结构胶（Adhesive）
　　胶粘连接在汽车工业中的应用已经有很长的历史，与其他连接方法相比，胶粘连接有其独特优势：粘接采用面接触，而非点或线接触。与点焊及铆接相比，不易产生应力集中，连接强度、刚度和疲劳强度也相对较高，而且连接范围广，应用于各种轻金属、钢材以及其他不同材料的连接。
　　胶粘剂在车身上的应用，最初是以防腐和密封为目的，后来逐步发展到对连接的刚度和强度也提出较高的要求。新一代结构胶粘剂具有高强度、高刚度，同时在冲击载荷的作用下，又具有足够的韧性和柔性，能够满足车身结构的需求，扩大了胶粘连接的应用范围。图15示出结构胶在车身上使用的区域。
　　目前，结构胶在各大主机厂中的单车用量呈逐渐上升的趋势，以提升车身的整体性能。
　　8小结
　　连接工艺不是孤立存在的，不同的连接工艺可以通过自动工具切换系统来完成，以满足行业柔性化的需要。连接工艺方式主要取决于车身材料及结构设计。综合各种因素，在汽车制造中，国内轻量化车身应用较多的是Clinching和SPR连接技术。国内钢铝混合车身的设计开发、材料成型工艺、制造工艺及连接设备等并不是很成熟，需要更多高校、科研机构、汽车厂以及设备供应商加强沟通和合作，人们会很快掌握轻量化车身连接技术并逐渐推广应用。
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