「技术帖」车身零部件铝合金及钢铝混淆毗连工艺应用探讨

本文摘要：摘要：在新质料新能源的生长趋势下，汽车工业将面临工业升级换代，在实现“钢铝混淆质料车身结构”零部件制造中，铝合金毗连及钢铝混淆毗连技术具有重要作用。文章研究分析了五种铝合金毗连新工艺-铝弧焊、铝点焊、铝螺柱焊、热熔自攻螺丝毗连（FDS）、自冲铆接（SPR），并举行了相关应用先容，为汽车零部件铝合金毗连提供了有效方案。 关键词：车身零部件；铝合金及钢铝混淆毗连工艺；汽车工业；节能降耗；车辆结构 为解决汽车节能降耗的问题，所有汽车制造商都在通过车身整体减重来降低百公里油耗。

摘要：在新质料新能源的生长趋势下，汽车工业将面临工业升级换代，在实现“钢铝混淆质料车身结构”零部件制造中，铝合金毗连及钢铝混淆毗连技术具有重要作用。文章研究分析了五种铝合金毗连新工艺-铝弧焊、铝点焊、铝螺柱焊、热熔自攻螺丝毗连（FDS）、自冲铆接（SPR），并举行了相关应用先容，为汽车零部件铝合金毗连提供了有效方案。

关键词：车身零部件；铝合金及钢铝混淆毗连工艺；汽车工业；节能降耗；车辆结构 为解决汽车节能降耗的问题，所有汽车制造商都在通过车身整体减重来降低百公里油耗。但减重同时又必须保证汽车整体结构刚度，并提高汽车宁静性能，所以整车厂通过大量使用轻质、高强质料（好比种种高强钢、铝合金、镁合金、复合质料等）替代传统的普通钢材以实现车身轻量化，到达减重目的。

铝合金由于比重小、强度高，在显著减重的同时仍能够大幅提高车身零部件的刚性，所以使用铝合金取代部门钢材是现在汽车制造的主要减重措施。到达同样的力学性能指标，铝比钢轻60%，但在蒙受同样打击时，铝板比钢板多吸收打击能50%。车身是汽车中重量最大的部件，通过在全钢车身中引入铝合 金质料，实现“钢铝混淆质料车身结构”，已成为车身零部件减重的一定趋势。

在实现“钢铝混淆质料车身结构”零部件制造中，铝合金毗连及钢铝混淆毗连技术具有重要的作用。现在车身零部件铝合金毗连的工艺有铝弧焊、铝点焊、铝螺柱焊、摩擦焊、激光焊、压铆、拉铆、旋铆、热熔自攻螺丝毗连（FDS）、自冲铆接（SPR）等。而钢铝混淆毗连时为解决异金属接触面电化学腐蚀问题，须在毗连钢铝零件之间涂上结构胶后再用FDS、SPR等工艺。

本文重点先容铝弧焊、铝点焊、铝螺柱焊、FDS、SPR这五种使用频率较高的毗连工艺和应用。1　铝合金弧焊 1.1　铝合金弧焊的特点 由于铝合金焊接时极易氧化， 生成氧化铝（Al2O3），易造成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。

铝外貌氧化膜会吸附大量水分，易使焊缝发生气孔。此外，铝及其合金的线胀系数大，导热性强，焊接时变形和应力较大，易发生裂纹。因此，一般铝弧焊接前须举行外貌清理，清除外貌氧化膜，并在焊接历程接纳高纯氩或氩氦混淆气体掩护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。

接纳大规范的熔化极气体掩护焊时，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。为防止热裂纹的发生，可接纳调整焊丝身分与焊接工艺的措施，对含镁量凌驾3%的Al-Mg合金板焊接时，可接纳含Mg量凌驾3.5%或凌驾5%的铝镁合金焊丝，具有较好的力学性能和耐蚀性能。若在耐蚀性允许的情况下，也可接纳铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大，随着硅含量增加，热裂倾向相应减小，当含硅5%～6%时可不发生热裂，因而此类焊丝会有更好的抗裂性，但塑性和韧性较低，一般不用于焊铝镁合金。

由于铝的导热系数大、比热容大，焊接同等厚度的铝合金要比钢消耗更多的热量。为保证焊接讨论融合良好，应接纳能量集中、功率密度大的热源。因此最常用的铝合金弧焊方法是钨极惰性气体掩护焊（TIG）和熔化极惰性气体掩护焊（MIG）。

近年来，一种数字化自动控制的高质量弧焊技术——冷金属过渡弧焊技术（CMT）应用越来越广泛，并在铝合金薄板焊接上凸显其优越性。1.2　高质量铝弧焊应用——冷金属过渡弧焊技术（CMT） 冷金属过渡弧焊技术（CMT）是将送丝与熔滴过渡历程举行数字化自动协调，通过焊丝的回抽将熔滴同焊丝分散，实现了近乎无电流状态下的熔滴过渡，其焊接历程如图1所示。

焊接开始，焊枪伺服电机驱动，焊丝与板材电弧引燃，焊丝融化熔滴滴进熔池，当数字化控制监测到一个短路信号，就反馈给送丝机，送丝机做出回应，迅速回抽焊丝，从而使焊丝与熔滴分散。焊丝恢复到进给状态电弧再次引燃。

循环往复到焊接竣事，频率由送丝速度决议。CMT铝合金弧焊整个焊接历程在冷热交替中循环往复，大幅降低了焊接历程的热输入量，实现无飞溅焊接，并在焊接夹具的配合下，铝合金工件热变形小，还可以实现铝合金与镀锌钢板之间的异种金属混淆毗连。使用CMT焊机内置的焊接专家数据库系统，输入相应待焊质料后，焊接专家系统可以提供相关焊接参数，焊接电压、电流不能随意改动，它们与送丝速率一一对应，通过改变送丝速率，可以使焊接电压和电流同时改变，也可以改变电弧长度和脉冲来修正并微调焊接电流和电压，以到达满足的焊接效果。

2　铝合金电阻点焊 2.1　铝合金电阻点焊的特点 铝合金电阻点焊工艺是在电极压力下，靠电阻热熔化铝材，将其毗连到一起的工艺。因铝合金熔点低、线膨胀率高、导电率高、外貌易氧化等特性，铝点焊须接纳大电流、短时间、多脉冲、大电极压力，所以铝点焊时输出大电流对焊机、变压器及焊枪的供电要求高，大电流易发生强磁场，焊接工装需防磁；大电极压力需焊枪结构牢靠可靠，并配备特殊电极头解决铝合金外貌氧化层问题。

现在铝合金电阻点焊方式主要有美系应用WTCTip Dressing（螺旋电极帽式铝点焊）和德系应用Deltaspot（电极带式铝点焊）方式。2.2　美系铝点焊应用——WTC Tip Dressing（螺旋电极帽铝点焊） 美国WTC铝点焊设备中接纳Tip Dressing末了参数修正技术，并使用GM专利的铝点焊电极帽。这种电极头外貌有特殊的环状纹路，如图2所示，可在铝材外貌发生差别的应力区，破碎氧化膜以获得可控制的接触电阻，并配合WTC设备中Tip Dressing末了参数修正技术，保证焊接质量。

接纳这种特殊的环状纹路电极帽，在铝点焊生产时，还需配备相应的四刀片修磨器修出螺纹，修磨频次为普通碳钢点焊的5倍，约40～50点/次。由于WTC Tip Dressing工艺中接纳的环状纹路电极帽受专利掩护，因此现在此工艺仅在受掩护的业内企业中应用。2.3　德系铝点焊应用——Delta Spot（电极带式铝点焊） 奥地利Fronius Delta Spot电极带式铝点焊工艺是在电极和工件之间增加一条全新电极带，如图3所示。点焊时，电极压住电极带接触工件举行焊接，每个点焊后，电极带自动移动到下一位置，这样使得电极外貌总是清洁的，解决了铝点焊容易从母材上黏连质料的问题，保证每个焊点都有高质量的焊接工况。

另外，由于电极带的引入增加了电阻，从而增加了热输入量，以破碎铝合金外貌的氧化膜，保证了焊接质量。点焊差别的质料可选用差别的电极带，点焊铝合金时可用铜带或镀镍钢带。Delta Spot设备还可实现钢和铝的焊接、铝镁压铸件的焊接等，并已应用于德系高端整车厂，如宝马、奥迪、疾驰。3　铝合金螺柱焊 3.1　铝合金螺柱焊的特点 螺柱焊工艺是通过提升拉弧，熔化毗连螺柱焊接面与母材接触面的电弧焊工艺。

普通钢螺柱焊早已在汽车制造业普遍应用，而铝合金螺柱焊是近年来随着车身轻量化趋势生长应运而生。与普通钢螺柱焊差别，铝合金螺柱焊必须接纳交流螺柱焊机，以保证两侧金属熔化比例，有效淘汰气孔。焊接时，由于铝是生动金属，必须使用高纯氩或氩氦混淆气体掩护，防止氧化。

铝质料外貌须经由去氧化层和油污的处置惩罚。3.2　铝合金螺柱焊应用——Emhart铝合金螺柱焊机 现在海内的铝合金螺柱焊应用少少，主要的铝螺柱焊设备接纳德国Emhart Tucker全自动铝螺柱焊机，如图4（a）。由于铝合金螺柱焊时需高纯氩掩护，所以在铝螺柱焊枪头部有一个气体掩护罩，如图4（b），以保障铝螺钉在螺柱焊时焊接熔池被氩气充实掩护。另外，由于铝比钢有更高的磁阻，铝合金螺柱焊时，更容易受到磁偏吹影响使电弧不稳定，因此铝螺柱焊枪上必须使用陶瓷环并附加掩护气体屏蔽磁偏吹的影响。

在铝螺柱焊接夹具结构上，只管使螺柱焊枪远离两头电极，焊枪位于两头电极的中间对称结构或接纳其他介质举行磁偏吹赔偿，以平衡磁场对电弧的影响，保证铝螺柱焊质量。4　FDS热融自攻螺丝毗连 4.1　FDS工艺的特点 FDS工艺通过螺钉高速旋转软化待毗连板材，并在庞大的轴向压力作用下挤压并旋入待毗连板材，最终在板材与螺钉之间形成螺纹毗连，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详细工艺历程如图5（a）所示。此工艺可应用于铝-铝及钢-铝之间的毗连。FDS工艺优点是：（1）可毗连包罗超高强钢、铝镁合金、复合质料在内的任何质料及异种质料；（2）可在较小变形的情况下实现单边毗连，操作利便；（3）铆钉可拆卸，接纳利便。

FDS工艺缺点是：（1）因下层板要钻穿，因此讨论的防腐蚀能力会降低，另外螺钉尺寸较长，增加车身自重，且袒露在外的螺钉前端影响车身后续装配，设计时需思量避让；（2）FDS工艺单面施工，操作时对工件和机械人的打击力大，需要用负载能力大且稳定的机械人，拧紧历程螺钉必须与工件垂直，夹具设计时需思量对工件的足够支撑。4.2　FDS工艺应用——Weber RSF机械人辅助紧固系统 德国Weber公司开发了RSF系列机械人自动紧固系统，如图5（b）所示。

RSF系统实现了FDS工艺的自动化生产，现在RSF系统已普遍应用于西欧各大高端整车厂，近年海内部门车企也开始接纳此设备及工艺。　　5　SPR自冲铆接 5.1　SPR工艺的特点 SPR自冲铆接技术是一种通过特制铆钉用于毗连两种或两种以上金属板材的机械冷成型毗连技术。

它可以毗连多种差别材质的板材，如钢板、铝板、塑料板等，而且铆接历程低能耗，无热效应，不会破坏涂层。SPR铆接 历程如图6（a）所示，特制铆钉穿透顶层板材之后，在铆模的作用下铆钉尾部的中空结构扩张刺入而并不刺穿底层板材，从而形成牢靠的铆接点。5.2　SPR工艺应用——HENROB SPR自冲铆接系统 英国HENROB公司是最早开发中空结构的自冲铆钉及冲铆设备，现在车企普遍接纳的是电动伺服型SPR冲铆系统，如图6（b）所示。判断一个SPR铆接是否及格，需将SPR铆接点横向剖开后，磨练SPR讨论剖面是否切合图6（c）所示无裂纹无间隙，还需检测ABC三处的值是否切合客户要求。

在前期铆钉选型和铆接参数的设置中，必须用小样板SPR铆接后举行剪切力和拉脱力测试，以 保证SPR铆接力学性能切合客户要求。汽车工业在新质料新 能源的生长趋势下，将面临工业升级换代，在工业升级的历程中，解决铝合金质料在车身零部件毗连技术上的应用问题，将成为汽车工业生长的关键因素。

本文研究分析了近年来五种使用频率较高的铝合金毗连新工艺，并举行了相关应用先容，为汽车零部件铝合金毗连提供了有效方案。泉源：中国汽车质料网编辑整理作者：施子音（上海交运团体股份有限公司汽车零部件制造分公司）2019（第二届）国际汽车轻量化质料毗连技术研讨会。

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