铝合金连接技术在汽车制造中的应用

刘洪

摘要：随着社会经济的发展，能源紧缺、环境污染情况日益严重，作为全球制造业支柱产业的汽车产业，面临着节能减排的压力。铝合金以轻质高强的特点，逐步从航天领域进入到汽车行业。目前，国内大部分汽车制造厂家只是部分的应用铝合金材料以實现汽车的轻量化。在部件连接方面，不仅存在铝合金的同材连接，也存在大量铝合金与高强钢、铝合金与其它轻质金属材料以及铝合金与复合材料的异材连接。如何使得连接技术适用范围广泛且安全可靠，成为汽车制造过程中的重要发展方向。本文就铝合金连接技术在汽车制造中的应用展开综述分析，以期对汽车轻量化进程中连接技术的发展有所推进。

关键词：铝合金连接技术；汽车制造；应用

一、铝合金

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用最多的合金。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。铝合金作为实现汽车轻量化的主要材料，具有以下优点：重量轻，在满足相同的使用条件时，铝比钢轻6g；改善了零件的加工工艺性能；铝制零件不需作防锈处理；具有较强的吸能性；铝合金材料回收比例比钢材要高得多，回收再生所需能源却比钢材低得多。

二、铝合金的应用给汽车制造带来的挑战

在应用铝合金减轻车身重量的同时，对汽车焊接技术也带来了挑战。例如，如车身总成零件普遍采用的MIG/MAG焊将面临以下难题：（1）采用铝合金后，材料厚度比原来的更薄，易出现工件焊穿现象；（2）焊后更易变形；（3）铝合金对热输人更为敏感，易出现焊接裂纹；（4）热影响区母材强度易弱化；（5）钢和铝的异种金属如何连接。因此，MIG/MAG焊、点焊、激光焊等作为车身制造的主要焊接工艺，已不能满足铝合金应用的要求，必须要开发更先进的焊接工艺或连接技术，才不会制约汽车轻量化的发展。

三、铝合金连接技术在汽车制造中的应用

（一）自冲铆接工艺（SPR）的应用

SPR工艺称为自冲铆接技术，通过液压缸或伺服电机提供动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，成型后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接的一种全新的板材连接技术。具体过程如为：铆鼻首先压住被铆接板材，铆钉被铆杆施压嵌入，穿透上层板材，并扩张进入下一层板材，而后铆钉与板材一起扩张，充满铆模，铆钉腿部向四周翻开形成“钮扣”，从而完成上下板材牢固的连接。常用于全铝车身或者钢铝车身的连接。

（二）流钻螺钉连接（FDS）的应用

流钻螺钉连接即通过螺钉的高速旋转软化待连接板材，并在巨大的轴向压力作用下挤压并旋入待连接板材，最终在板材与螺钉之间形成螺纹联接，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。流钻螺钉可以用来连接包括超高强钢、铝镁合金、复合材料在内的任何材料及异种材料；可在较小变形的情况下实现单边连接，使得连接更加方便。主要关键技术包括：流钻螺钉连接工艺及接头防腐技术、流钻螺钉连接装备的研究、流钻螺钉材料的研究。目前FDS技术是固定螺钉和连接车身结构的新型连接技术，主要用于铝板之间、钢板之间，或铝板和铁板之间的螺钉连接，未来全铝车身的发展，将会使FDS得到更广泛应用。

（三）电阻焊技术的应用

当前汽车车身的发展方向是“轻量、安全、节能”，为此镀锌钢板、高强度钢板、铝合金、镁合金等新材料越来越广泛地应用在车身制造中。普通的电阻焊无法满足铝合金板件的焊接，因此在国内南京小原与上海通用凯迪拉克合作研发了一种用于铝合金车身电阻焊的新工艺，此工艺采用一种特殊的电极帽，在伺服焊枪加压时电极帽上的特殊纹理刺破铝合金的氧化层，然后通过大电流，使铝板融化，加压保持，从而达到板件焊接的效果。但是这种焊接目前存在一定的弊端，电极帽的修磨比较频繁，而且电极帽的寿命比传统的电阻焊电极帽短很多，因此成本比较高。

（四）激光复合焊的应用

激光复合焊是激光焊和MIG焊两种方法同时作用于焊接区，激光束在焊缝垂直方向输入热量，同时MIG焊在后方熔化焊丝，也向焊缝输入热量。开始焊接时，MIG焊电源先形成电弧加热工件，工件表面会挥发出大量的金属蒸汽，从而使激光束的能量传输更加容易，形成挥发孔，顺利将激光的所有能量传到工件上。激光复合焊焊接过程稳定，焊接速度快，形成的熔池大，搭桥能力好，具有很好的柔性和1_件的适应性（如焊铝）及经济性。

（五）搅拌摩擦焊（FSW）的应用

搅拌摩擦焊（FSW）是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，通过搅拌头的高速旋转，使其和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生摩擦热，搅拌头邻近区域的材料热塑化。当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中也无烟尘和飞溅，同时噪声低。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。搅拌摩擦焊大多应用于挤压型材和较厚板材。

结束语：

综上所述，随着车型更新换代加快和智能绿色制造的要求，铝合金焊装技术在汽车工业的应用不断加快。在汽车车身中采用铝合金空间框架结构，从目前来看，其制造成本较传统钢结构的要高，但其使用后的经济效益和社会效益良好，减轻车身质量后，可大幅度降低能耗、减少排放。因此，铝合金框架结构应用于汽车制造，必将取得很大的经济效益和良好的社会价值。焊接质量是保障汽车质量的一个重要方面，车身骨架的焊接质量关系到乘员的生命和财产安全。焊接工艺内容很多，每一个细节都应该合理适用才能保证焊接质量，提高车身生产水平。

参考文献：

[1]铝合金在轻量化车身中的应用及连接技术[J].宋筠毅，刘东阳，张正林，贾庆旭.上海汽车.2016（06）endprint