启飞汽车

摘要

    目前汽车车身钢-铝搭接的连接方式有机械连接、焊接和粘铆复合连接三种方式。为适应汽车轻量化的趋势，单一的连接方法已经满足不了钢-铝搭接接头性能的要求，其连接技术亟待创新。突破传统的工艺局限，在钢-铝中添加夹层（或粘结剂），采用特制的搅拌头进行热致搅拌摩擦点焊或是激光点焊。钢-铝接头的连接机理、过程形成特征以及接头受力、力学响应特征是当前研究的主要发展趋势。概述了其搭接连接的研究现状及成果，并展望了前景。 
    随着石油能源危机和汽车废气排放污染问题的日益突出，汽车轻量化已成为必然趋势，为保证汽车综合性能，寻求总体最优化，车身常选用高强钢，以及高比强度高比刚度的铝合金、镁合金和复合材料等新材料，而高强钢-铝合金搭接（后文简称“钢-铝搭接”）是车身结构中常见的结构形式之一。钢-铝搭接的连接部位通常是应力集中区，其受力情况复杂且高度非线性，直接影响车身整体结构的碰撞性能，从而成为失效的发源地，并带来异种金属间的电偶腐蚀问题。因此，钢-铝搭接的连接技术，是汽车车身轻量化的难题之一。目前适于汽车车身钢-铝搭接的连接技术主要有：机械连接、焊接和粘铆复合连接技术。

一、钢-铝搭接的机械连接技术自穿孔铆接和冲铆连接是常用于钢-铝搭接的机械连接技术
 
1.自穿孔铆接（Self-piercing rivet，SPR）

    自穿孔铆接是一种通过半管型铆钉穿透上层工件，扩张到下层工件内，形成机械互锁的低温成形工艺。其连接过程如图1所示。
 

     该技术适用于同种和异种材料的双层和多层连接，而且可以克服铝、镁、钛等合金材料难以实现电阻点焊的缺点，实现铝-镁、钢-铝、钢-镁之间的连接[1-3]。目前已广泛应用于奥迪A8、捷豹XJ全铝车身，宝马新5系/7系钢-铝车身，以及欧洲“超轻汽车（SLC）”项目中的铝-铝、镁-铝、钢-铝间的连接。 

2.冲铆连接（Clinch joint）
   
    亦称冲压连接或锁接，它在凸模、压边圈和凹模的共同作用下，通過局部塑性变形形成自锁点实现连接，其工艺过程如图2所示。
 

     与自穿孔铆接相比，它不需要铆钉，降低了成本；且在连接形成过程中，工件的防锈镀层或漆层也随之一起塑性变形流动而不会撕裂损伤，故零件表面以及连接点处的强度和抗腐蚀性不受影响；适用材料范围广，目前已被广泛应用于大众帕萨特、捷豹XJ全铝车身、Volvo S80轿车钢-铝车身结构中。Y.Abe和T.Kato等人通过实验和仿真证实了铝合金-低碳钢和铝合金-高强度钢之间进行冲铆连接的可行性，并发现铝合金在凸模侧时，铝-钢的可连接性最好。Chan-Joo Lee等人对A5052铝合金和厚度1.6 mm，2 mm的DP780高强度钢，进行铝上钢下的冲铆连接，研究了压边圈和凸模之间的间隙、凹模深度、凹模半径、凹模沟槽形状等因素对连接点颈厚值和自锁值的影响规律。

二、钢-铝搭接的焊接技术传统的电阻点焊并不适用于汽车车身的钢-铝搭接

    因为：两者间的固溶度较低、热物理性能差异较大，熔化的铝与钢极易反应生成脆性的金属间化合物从而降低接头力学性能；两者间的电极电位相差较大，接头会存在着电偶腐蚀问题；两者热膨胀系数相差较大，焊接时容易引起内应力以及装配失效。适合钢-铝搭接的焊接技术主要有：扩散焊、冷金属过渡焊、钎焊和熔钎焊等。目前开发的能满足钢-铝间可靠连接要求的新型连接工艺有：搅拌摩擦点焊、激光点焊[10-12]。

1.搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）

    搅拌摩擦点焊，有匙孔型、无孔型两类。匙孔型FSSW原理如图3，搅拌头与轴肩一体，通过搅拌头插入→搅拌→拔出三个阶段完成，焊后留有匙孔。已成功应用在Mazda公司RX-8跑车铝合金车身的搭接点焊、MX-5跑车的铝合金行李箱盖-钢栓定位器的连接上。
 

　　无孔型（即回填式）FSSW原理如图4，搅拌头由搅拌针、套筒、夹套三部分组成（搅拌头和轴肩分离），通过控制三部分的相对运动使搅拌头在回撤的过程中填满之前形成的匙孔。通过摩擦加热→搅拌流动1→搅拌流动2→焊接成形，其点焊接头平整且不带匙孔、接头力学性能优于其他形式的搅拌摩擦点焊接头，但搅拌工具较复杂，效率偏低。 
　　王希靖等人利用可回抽搅拌摩擦点焊设备，对1 mm的DP600镀锌钢板和3 mm的6061-T6铝合金，展开了无孔型FSSW的钢上铝下的搭接形式研究，发现所产生的摩擦热能使材料达到冶金结合，但接头会脆性断裂，抗剪能力较低。 
　　张如星等人采用攻螺纹搅拌摩擦点焊，对2 mm的L2024铝合金和4 mm的低碳钢进行铝上钢下的试验，研究焊接工艺参数对接头剪切强度的影响。即焊前在钢板上“预先钻孔”，通过搅拌头所产生的摩擦热熔化铝板焊点处，同时搅拌头向下运动，在钢板的孔内嵌入高温、塑化的材料，实现固相连接，避免搅拌头直接在钢板上搅拌摩擦，其缺点就是要钻孔，且搭接接头表面会留下较深的孔洞，影响表面美观，还会降低剪切强度。常规搅拌摩擦点焊虽已成功应用在铝、镁合金等的点焊上，但在钢-铝搭接上存在钢-铝界面产生脆性相、连接强度低、搅拌工具易磨损等问题。

2.激光点焊

    周惦武、刘元利等人采用添加Sn-5%Zr粉末夹层的激光点焊，对1.4 mm的DP590双相钢和1.2 mm的6016铝合金平板进行搭接焊试验。结果表明，添加粉末夹层中的Sn能抑制Al向焊缝熔池内扩散，减少Fe-Al金属间化合物层厚度，新形成物Fe3Sn相具有较好的延性，细化了钢-铝界面Fe-Al金属间化合物的晶粒尺寸，提高了接头剪切强度。雷振等人采用激光-熔化极惰性气体保护焊复合热源焊接方法，实现了5A02铝合金/镀锌钢的高效熔钎焊连接，接头抗拉强度153.1 MPa，约为5A02母材抗拉强度的75.7%。赵旭东等人采用宽带激光光斑对6061铝合金和镀锌钢板实现了填充粉末熔钎搭接焊，拉伸试样均断裂在钎料/镀锌钢界面，断口呈脆性断裂特征，接头最大机械抗力为150 N/mm左右，接头机械抗力水平由连接界面宽度与金属间化合物层最大厚度的比值决定。余淑荣等人采用在铝合金板上预置自配粉末的CO2激光焊，实现了5056铝合金与ST04Z镀锌钢的优质焊接，抑制Al-Fe金属间化合物的生成，实现熔钎焊接头无针状Al-Fe金属间化合物，且金属间化合物过渡层厚度较小，接头力学性能良好。

三、钢-铝搭接接头粘铆/粘焊复合连接技术

    传统的胶粘连接在接头的强度、刚度、疲劳强度方面有优势，但接头性能容易受温度和湿度的影响，工序复杂、需要加热且耗时较长，一旦出现胶接破坏则接头承载能力瞬间消失，在车身结构中应用时存在着安全隐患。鉴于此，钢-铝混合车身结构中考虑采用粘铆、粘焊等复合连接工艺[20-23]。粘铆复合连接技术，其优势如下：
   （1）大面积粘合的胶粘剂隔绝了钢板和铝板的直接接触，使其不能发生电偶腐蚀；消除了钢-铝间热致变形不协调问题；
   （2）粘接大大增强了接头的强度和刚度，显著改善了疲劳特性；同时铆接不受外界环境的影响，且避免了在粘接失效时接头突然开裂和承载能力的瞬间消失。
    捷豹JaguarXJ全铝车身中普遍使用了粘铆复合连接，使得白车身重量比其上一代车型减重40%，整車刚度增加了60%，展现出粘铆复合连接在车身轻量化方面的巨大潜力。A. Pirondi等人利用ABAQUS分别对粘接-冲铆、粘接-铆接的连接过程及接头抗剪切试验的失效行为进行了仿真分析，得到的抗剪力-拉伸位移曲线的峰值、刚度、吸收的能量等参数和实验吻合较好，为基于CAE分析的粘铆复合连接的优化和性能预测奠定了基础。F.Moroni等人通过试验设计，系统地研究了板材种类、板材厚度、连接点间距、时效处理、温度等影响因素对电阻点焊、冲铆、传统铆接、SPR连接、粘接及前四者与粘接的复合连接性能的影响规律，发现：复合连接的整体性能远高于单纯的机械连接；胶粘剂对粘铆整体机械性能的贡献在粘铆复合连接中较在粘焊连接中更大，且温度和时效处理两因素对粘接和粘铆复合连接的性能有同样的影响规律。周惦武、戴婷等人采用光纤激光器对1.4 mm厚的DC56D+ZF镀锌钢和1.2 mm厚的6016铝合金平板试件进行有、无胶层加入的激光搭接焊对比试验，分析了接头金相组织、断口形貌、腐蚀产物形貌及接头力学性能。
    结果表明，胶层的加入改善了搭接焊中因间隙而产生的热传递受阻现象，加大了铝合金对激光的吸收，钢-铝界面熔融金属相互嵌入，且接头力学性能并未下降；胶层的加入抑制了电子交换，显著提高了接头耐腐蚀性能。

四、结束语

    基于我国汽车轻量化战略实施、建立自主轻量化先进制造技术体系的迫切需求，突破传统的工艺局限，开展“钢-铝汽车零部件复合焊接应用基础研究”，在钢-铝搭接中添加夹层（或粘结剂），采用特制的搅拌头进行热致搅拌摩擦点焊或是激光点焊，揭示钢-铝接头的连接机理、形成过程特性以及接头受载力学响应特征，研究新型的热致变形协调连接技术，来提高摩擦热-力耦合连接钢-铝接头的适应性和接头连接质量，改善热致变形不协调问题，可为异种金属材料特别是难焊异种金属材料间的连接提供一套全新的加工理论依据及工艺方法，具有重大的技术指导和社会经济意义。

作者：曹霞 张书权 栗慧 姚君山 来源：机械制造文摘.焊接分册
 

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