轻量化铝合金连接技术及其在车身制造中的应用

作者:东风汽车集团有限公司 崔厚学,上海商科焊接智能装备有限公司 张毅 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2021-08-20
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随着全球汽车保有量的增加,汽车尾气排放成为全球性温室效应的主要原因之一,汽车轻量化是解决能源排放的最佳途径之一。文章主要介绍了轻量化铝合金车身各种连接技术,对推进轻量化车身制造有一定的参考借鉴作用。

得益于国内经济持续增长和人民生活水平不 断提高,2009 2020 年中国汽车产销连续 12 稳居世界第一,但汽车大国远非汽车强国。节能和 新能源汽车是实现我国汽车产业升级换挡的重要途 径,轻量化是新能源汽车发展的一个主要议题,而 铝合金连接技术是轻量化车身工艺主要瓶颈之一。 

铝合金车身轻量化

车身轻量化材料一般有轻合金、高强度金属 材料、工程塑料、碳纤维增强复合材料和陶瓷材料 等。铝合金由于具有密度小(仅为钢或铜的约 1/3 左右)、导电导热性能好、优良的塑性和可焊接性 好等特点,赋予铝合金车身优秀的轻量化效果,使 整车动力性、操控性和燃油经济性都得到很大提 升,良好的加工工艺性使铝合金能塑造极美的车身 曲面,超强的耐腐蚀性能,铝合金表面氧化形成一 层致密的氧化层与铝基体牢固结,合从而对车身形 成严密保护。 

全铝车身最大的问题,一方面是纯铝的冶炼和铝 合金的加工成本都较钢更高,因此铝合金的价格较高, 另一方面是加工工艺比较复杂,特别是铝合金连接工 艺的复杂性和自动化程度要求都远高于传统车身。

据报道,电动汽车使用铝合金车身车重每降 10%,则电耗降低 5.5%,续航里程增加 5.5%, 而增加相同里程需增加电池成本远高于此。如大 e-Golf,通过使用全铝车身成功减重 187 kg优化电池配置后成本降低 635 欧元。Model SModel X 和蔚来 ES8 据报道也采用全铝车身,而入门的 Model 3 则采用成本更低的铝钢混合材料。

在可预见的未来,续航里程将长期是衡量纯电 动汽车的最重要指标之一,铝制车身带来的百公斤 级减重必然是定位高端电动汽车十分看重的一点, 而全铝车身更大范围的应用或许能够有助于这一技 术降低门槛,未来逐步下沉到入门车型。

铝合金车身连接技术 

铝合金与传统的钢材在晶体结构和物理属性上 存在较大差异。例如,钢的熔点为 1 536 ℃,而铝 合金熔点仅为 660 ℃,铝合金的热导率、电导率远 远高于钢。这些都导致传统焊接工艺难以实现可靠 连接。目前解决新能源汽车轻量化车身连接的主要 技术路径有:MIG/MAG 焊、自适应电阻点焊、激光焊、 激光电弧复合焊技术、搅拌摩擦焊、锁铆、冲铆连 接(TOX 无钉和 SPR 有钉冲铆)、自攻螺接 FDS 胶接或联合使用几种方法完成轻量化车身连接。 

车身轻量化有多种技术路径,在材料和工艺 两种轻量化方面,各公司采取了不同的技术路径。 据报道 AUDI A8 共采用了 14 种连接方法。奇瑞捷 豹路虎采用 SPR 技术完成 3 700 多个带钉自冲铆 接,来自瑞典 HENROB 公司的专利自冲铆钳,每 把铆钳 70 万~ 130 万元人民币,铆钉每个 0.5 元。 上海通用凯迪拉克 CT6 车型使用专利电阻点焊(同 心圆电极技术)、SPRFDS 和胶接技术联合完成 新型轻量化车身连接。 

1.铝合金点焊(RSW

铝电阻点焊是一种传统的焊接工艺方法,工件组合后通过电极施加压力,利 用电流通过接头的接触面及邻近 区域产生的电阻热进行焊接的方 法。现阶段由于车身轻量化需求, 需从电源和焊枪入手,来解决传 统铝焊接电极寿命短、生产效率 低的问题。 

近年来,依靠伺服马达驱 动的伺服焊枪以及中频逆变直流 MFDC 电阻点焊设备,具有电极 压力精准、焊接电流平稳、响应 快速等特点,正逐渐被推广应用。 中频逆变自适应直流电阻焊具有 反馈控制响应速度快、输出稳定 性好、热效率高、焊接时间缩短、 功率损耗很小、节能效果明显且 设备体积小等优点。整体而言, 该设备功率因素达到 95%,节 约能量达 30%以上,电极寿命 提高 1 倍以上,焊接铝及铝合金 等导热性高的金属效果显著,质 量更稳定可靠。 

上海通用凯迪拉克 CT6 产线应用 GM(通用汽车公司) 专利技术的表面有特殊环状纹路 Multi-Ring Domed Electrode螺旋状电极铝合金点焊技术(图 1),伏能士(Fronius)电极带式 铝点焊(DeltaSpot),都是实现 铝合金车身点焊的技术途径。

2.铝弧焊 

铝 熔 点 低, 只 有 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激光和等离子弧焊技术)。由于 铝合金吸热后极容易热应力集 中,造成板件开裂,MIG 焊时目 前主要采用 2 种方式减少产生热 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。为解决高 能量密度弧焊对零部件装配间隙 的要求,激光—电弧复合焊技术 将来也有一定发展前途。 

3.自冲铆接(SPR) 

SPR 属于冷连接技术,使 用大压力将铆钉直接压入待铆接 板材,待铆接板材在铆钉的压力 作用下和铆钉发生塑性变形,成 形后充盈于铆模之中,形成稳定 连接的一种全新的板材连接技术 (图 2)。

SPR 独特的连接方式,可有 效克服铝合金、镁合金和钛合金 等轻金属材料导电和导热性快、 热容小、易氧化及难以采用传统 的连接方法进行焊接的缺点。

SPR 的工艺优点主要有: 

1)不仅适于同种材料之间 的连接,而且能够实现铝 / 镁、 / 钢、镁 / 钢、铝合金 / 镁合 / 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 的工艺缺点主要有:

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 3 mm2 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 形铆接枪, 双侧需要预留进枪空间(无法应 用于封闭型腔)。

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。

Clinching SPR 工艺相比, 优点有: 

1)它不需要额外的铆钉, 总成本要明显低于 SPR 连接; 

2)在连接成形过程中,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,不会对零部件表面造成破坏, 也不会影响连接点处材料的抗腐 蚀性及强度。 

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,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) 

热熔自攻螺钉铆接,又称流 钻螺钉(Flow DrillScrew)技术。 FDS 原理是利用螺钉的高速旋转 产生的热量软化待连接板母材, 并在巨大的轴向压力下,挤压并 旋入待连接板实现钻孔和攻丝, 最终在板材与螺钉之间形成螺纹 拧紧连接,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

FDS 工艺过程六 阶段如图 3 所示。 

FDS 工艺的优点主要有: 

1)因为螺钉不需要变形, 因此可以用来连接包括超高强度 钢、铝镁合金和复合材料在内的 异种材料;

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 Clinching 的情况; 

3)板件被加热,板件与螺 钉接触好、连接强度大。

FDS 工艺的缺点主要有: 

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 8 s ; 

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。

6.锁铆(Rivet

锁铆连接主要特点有: 

1)辅料成本高,Rivet 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。

7. 搅拌摩擦焊 

搅拌摩擦焊是一种可用于 各种合金板焊接的固态连接技 术。与传统熔焊方法相比,搅拌 摩擦焊无飞溅、无烟尘,不需要 添加焊丝和保护气体,接头无气 孔、裂纹,与普通摩擦相比,它 不受轴类零部件的限制,可焊接 直焊缝。这种焊接方法还有一系 列其他优点,如接头的力学性能 好、节能、无污染、焊前准备要 求低等。由于铝及铝合金熔点低, 更适于采用搅拌摩擦焊。

摩擦塞铆焊 EJOWELD 一种新型连接技术,利用“钉子” 的高速旋转穿透上板板料(如 铝合金),并利用钉子和下层板 的旋转摩擦生热熔化下层板料 (如 22MnB5 硼钢),并在压力 的作用下完成“钉子”(钢质) 与下层板料的焊接,从而形成 稳固结合。

摩擦塞铆焊 EJOWELD 的优 点主要有: 

1)是一种少有的可以直接 连接铝合金(如 6061)和高强 度钢(热成形硼钢 22MnB5)的 新工艺;

2)无需预开孔。

摩擦塞铆焊 EJOWELD 的缺 点主要有: 

1)双面可达,必须双面都 能操作; 

2)需要一个额外的连接元 件;

3)在需要严格密封的位置 (如海洋环境),钉头处需要使用 密封胶。

8. 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 刚度的特性,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,整车性能得以提升,从而扩大了胶粘连接的应用范围。 

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。 连接工艺方式主要取决于车身材料、结构设计及设备水平。综合考虑高 质量、高效率、节省投资、维修备件、节约辅材、操作便利及节能环保等因素。 目前国内轻量化车身应用较多的是点焊、Clinching SPR 连接技术。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。目前钢铝混合车身的设计开发、材料成型制造工 艺及连接设备等还处于研发应用推广中,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,相信不久会很快掌握轻量化车身连接技术 并逐渐推广应用。 

结论

1)铝合金是车身轻量化的重要发展方向,铝合金连接是其关键工艺; 

2)由于车身造型特点和设计规范的差异,各种车型采用了不同铝合金 连接技术,从技术传承及经济合理性预测,电阻点焊、CMT 焊、高能密度焊 接和胶接有较大的发展前景。

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