隨著全球汽車保有量的增加，汽車尾氣排放成為全球性溫室效應(yīng)的主要原因之一，汽車輕量化是解決能源排放的最佳途徑之一。文章主要介紹了輕量化鋁合金車身各種連接技術(shù)，對(duì)推進(jìn)輕量化車身制造有一定的參考借鑒作用。
得益于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長和人民生活水平不斷提高，2009 ～ 2020 年中國汽車產(chǎn)銷連續(xù) 12 年穩(wěn)居世界第一，但汽車大國遠(yuǎn)非汽車強(qiáng)國。節(jié)能和新能源汽車是實(shí)現(xiàn)我國汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)換擋的重要途徑，輕量化是新能源汽車發(fā)展的一個(gè)主要議題，而鋁合金連接技術(shù)是輕量化車身工藝主要瓶頸之一。
鋁合金車身輕量化
車身輕量化材料一般有輕合金、高強(qiáng)度金屬材料、工程塑料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和陶瓷材料等。鋁合金由于具有密度小（僅為鋼或銅的約 1/3左右）、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、優(yōu)良的塑性和可焊接性好等特點(diǎn)，賦予鋁合金車身優(yōu)秀的輕量化效果，使整車動(dòng)力性、操控性和燃油經(jīng)濟(jì)性都得到很大提升，良好的加工工藝性使鋁合金能塑造極美的車身曲面，超強(qiáng)的耐腐蝕性能，鋁合金表面氧化形成一層致密的氧化層與鋁基體牢固結(jié)，合從而對(duì)車身形成嚴(yán)密保護(hù)。
全鋁車身最大的問題，一方面是純鋁的冶煉和鋁合金的加工成本都較鋼更高，因此鋁合金的價(jià)格較高，另一方面是加工工藝比較復(fù)雜，特別是鋁合金連接工藝的復(fù)雜性和自動(dòng)化程度要求都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)車身。
據(jù)報(bào)道，電動(dòng)汽車使用鋁合金車身車重每降低 10％，則電耗降低 5.5％，續(xù)航里程增加 5.5％，而增加相同里程需增加電池成本遠(yuǎn)高于此。如大眾 e-Golf，通過使用全鋁車身成功減重 187 kg，優(yōu)化電池配置后成本降低 635 歐元。Model S、Model X 和蔚來 ES8 據(jù)報(bào)道也采用全鋁車身，而入門的 Model 3 則采用成本更低的鋁鋼混合材料。
在可預(yù)見的未來，續(xù)航里程將長期是衡量純電動(dòng)汽車的最重要指標(biāo)之一，鋁制車身帶來的百公斤級(jí)減重必然是定位高端電動(dòng)汽車十分看重的一點(diǎn)，而全鋁車身更大范圍的應(yīng)用或許能夠有助于這一技術(shù)降低門檻，未來逐步下沉到入門車型。
鋁合金車身連接技術(shù)
鋁合金與傳統(tǒng)的鋼材在晶體結(jié)構(gòu)和物理屬性上存在較大差異。例如，鋼的熔點(diǎn)為 1 536 ℃，而鋁合金熔點(diǎn)僅為 660 ℃，鋁合金的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼。這些都導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接工藝難以實(shí)現(xiàn)可靠連接。目前解決新能源汽車輕量化車身連接的主要技術(shù)路徑有：MIG/MAG 焊、自適應(yīng)電阻點(diǎn)焊、激光焊、激光電弧復(fù)合焊技術(shù)、攪拌摩擦焊、鎖鉚、沖鉚連接（TOX 無釘和 SPR 有釘沖鉚）、自攻螺接 FDS 及膠接或聯(lián)合使用幾種方法完成輕量化車身連接。
車身輕量化有多種技術(shù)路徑，在材料和工藝兩種輕量化方面，各公司采取了不同的技術(shù)路徑。據(jù)報(bào)道 AUDI A8 共采用了 14 種連接方法。奇瑞捷豹路虎采用 SPR 技術(shù)完成 3 700 多個(gè)帶釘自沖鉚接，來自瑞典 HENROB 公司的專利自沖鉚鉗，每把鉚鉗 70 萬～ 130 萬元人民幣，鉚釘每個(gè) 0.5 元。上海通用凱迪拉克 CT6 車型使用專利電阻點(diǎn)焊（同心圓電極技術(shù)）、SPR、FDS 和膠接技術(shù)聯(lián)合完成新型輕量化車身連接。
1．鋁合金點(diǎn)焊（RSW）
鋁電阻點(diǎn)焊是一種傳統(tǒng)的焊接工藝方法，工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。現(xiàn)階段由于車身輕量化需求，需從電源和焊槍入手，來解決傳統(tǒng)鋁焊接電極壽命短、生產(chǎn)效率低的問題。
近年來，依靠伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的伺服焊槍以及中頻逆變直流MFDC 電阻點(diǎn)焊設(shè)備，具有電極壓力精準(zhǔn)、焊接電流平穩(wěn)、響應(yīng)快速等特點(diǎn)，正逐漸被推廣應(yīng)用。中頻逆變自適應(yīng)直流電阻焊具有反饋控制響應(yīng)速度快、輸出穩(wěn)定性好、熱效率高、焊接時(shí)間縮短、功率損耗很小、節(jié)能效果明顯且設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)。整體而言，該設(shè)備功率因素達(dá)到 95％，節(jié)約能量達(dá) 30％以上，電極壽命提高 1 倍以上，焊接鋁及鋁合金等導(dǎo)熱性高的金屬效果顯著，質(zhì)量更穩(wěn)定可靠。
上海通用凱迪拉克 CT6 生產(chǎn)線應(yīng)用 GM（通用汽車公司）專利技術(shù)的表面有特殊環(huán)狀紋路（Multi-Ring Domed Electrode）螺旋狀電極鋁合金點(diǎn)焊技術(shù)（圖1），伏能士（Fronius）電極帶式鋁點(diǎn)焊（DeltaSpot），都是實(shí)現(xiàn)鋁合金車身點(diǎn)焊的技術(shù)途徑。
▲圖 1 螺旋狀電極鋁合金點(diǎn)焊
2．鋁弧焊
鋁熔點(diǎn)低， 只 有 550 ～660℃，熱膨脹系數(shù)是鋼的 2 倍，導(dǎo)熱性是鋼的 4 倍，因此焊接變形及焊接應(yīng)力增加，需要采用低熱輸入量焊接工藝（如 CMT、激光和等離子弧焊技術(shù)）。由于鋁合金吸熱后極容易熱應(yīng)力集中，造成板件開裂，MIG 焊時(shí)目前主要采用 2 種方式減少產(chǎn)生熱量，即機(jī)械截?cái)嗍胶碗娫唇財(cái)嗍剑ㄟ^引弧—熄弧—再引弧的重復(fù)方式減小熱量的輸入。為解決高能量密度弧焊對(duì)零部件裝配間隙的要求，激光—電弧復(fù)合焊技術(shù)將來也有一定發(fā)展前途。
3．自沖鉚接（SPR）
SPR 屬于冷連接技術(shù)，使用大壓力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，待鉚接板材在鉚釘?shù)膲毫ψ饔孟潞豌T釘發(fā)生塑性變形，成形后充盈于鉚模之中，形成穩(wěn)定連接的一種全新的板材連接技術(shù)。
▲圖 2 SPR 連接工藝
SPR 獨(dú)特的連接方式，可有效克服鋁合金、鎂合金和鈦合金等輕金屬材料導(dǎo)電和導(dǎo)熱性快、熱容小、易氧化及難以采用傳統(tǒng)的連接方法進(jìn)行焊接的缺點(diǎn)。
SPR 的工藝優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）不僅適于同種材料之間的連接，而且能夠?qū)崿F(xiàn)鋁 / 鎂、鋁 / 鋼、鎂 / 鋼、鋁合金 / 鎂合金 / 高強(qiáng)度鋼等金屬材料和高分子材料 / 復(fù)合材料的同質(zhì)和異質(zhì)材料的雙層及多層連接；（2）鉚接過程能耗低、無熱效應(yīng)、不會(huì)破壞涂層。
SPR 的工藝缺點(diǎn)主要有：（1）不同材質(zhì)、厚度及硬度的接頭組合需要不同的鉚釘、沖頭及沖模，鉚釘成本較貴；（2）設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于電阻點(diǎn)焊，鉚接點(diǎn)的平面凸起 2 ～3 mm，2 層板連接后再與第 3層板連接時(shí)，對(duì)進(jìn)槍的方向有限制；（3）只能使用 C 形鉚接槍，雙側(cè)需要預(yù)留進(jìn)槍空間（無法應(yīng)用于封閉型腔）。
4. 無鉚釘自沖鉚接（Clinching）
Clinching 屬于壓力連接的一種，利用板件本身的冷變形能力，對(duì)板件進(jìn)行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的機(jī)械連接技術(shù)。
Clinching 與 SPR 工藝相比，優(yōu)點(diǎn)有：（1）它不需要額外的鉚釘，總成本要明顯低于 SPR 連接；（2）在連接成形過程中，板件的防銹鍍層或漆層也隨之一起塑性變形流動(dòng)而無撕裂損傷，因此，不會(huì)對(duì)零部件表面造成破壞，也不會(huì)影響連接點(diǎn)處材料的抗腐蝕性及強(qiáng)度。
缺點(diǎn)：目前其在車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用主要局限于車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、輪罩等強(qiáng)度要求相對(duì)較低的部件上，其應(yīng)用范圍并不如 SPR 廣泛，主要原因在于其連接強(qiáng)度不如鋼鋁混合車身，而鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)對(duì)連接點(diǎn)強(qiáng)度的要求更高。
5．熱熔自攻螺釘（FDS）
熱熔自攻螺釘鉚接，又稱流鉆螺釘（Flow DrillScrew）技術(shù)。FDS 原理是利用螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量軟化待連接板母材，并在巨大的軸向壓力下，擠壓并旋入待連接板實(shí)現(xiàn)鉆孔和攻絲，最終在板材與螺釘之間形成螺紋擰緊連接，而中心孔處的母材則被擠出，并在下層板的底部形成一個(gè)環(huán)狀套管。FDS 工藝過程六階段如圖 3 所示。 640.webp.jpg
▲圖 3 FDS 工藝過程六階段
FDS 工藝的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）因?yàn)槁葆敳恍枰冃危虼丝梢杂脕磉B接包括超高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金和復(fù)合材料在內(nèi)的異種材料；（2）單面進(jìn)槍可用于封閉型腔結(jié)構(gòu)、壁厚或封閉腔體，無法使用 SPR 或 Clinching 的情況；（3）板件被加熱，板件與螺釘接觸好、連接強(qiáng)度大。
FDS 工藝的缺點(diǎn)主要有：（1）設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于電阻點(diǎn)焊，鉚釘成本高；（2）單面施力，連接時(shí)需要高強(qiáng)度剛性支撐；（3）操 作 時(shí) 間 長， 約 為5 ～ 8 s ；（4）工藝完成后，材料正反面均有較大凸起，螺釘尺寸較長，如果大量使用會(huì)增加車身自重，同時(shí)過長的露出部分也會(huì)對(duì)車身的設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)生影響；（5）因?yàn)橄聦右@穿，接頭的防腐能力會(huì)下降。
6．鎖鉚（Rivet）
鎖鉚連接主要特點(diǎn)有：（1）輔料成本高，Rivet 比FDS 的價(jià)格要貴 1 倍，因此設(shè)備壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 FDS，造成設(shè)備成本較高，同時(shí)導(dǎo)致設(shè)備笨重；（2）噪聲大，必須建設(shè)單獨(dú)廠房，對(duì)生產(chǎn)廠房空間要求高；（3）連接時(shí)相對(duì)熱變形小，板件匹配效果好；（4）無法拆卸，相對(duì) FDS返修更加困難。
7. 攪拌摩擦焊
攪拌摩擦焊是一種可用于各種合金板焊接的固態(tài)連接技術(shù)。與傳統(tǒng)熔焊方法相比，攪拌摩擦焊無飛濺、無煙塵，不需要添加焊絲和保護(hù)氣體，接頭無氣孔、裂紋，與普通摩擦相比，它不受軸類零部件的限制，可焊接直焊縫。這種焊接方法還有一系列其他優(yōu)點(diǎn)，如接頭的力學(xué)性能好、節(jié)能、無污染、焊前準(zhǔn)備要求低等。由于鋁及鋁合金熔點(diǎn)低，更適于采用攪拌摩擦焊。
摩擦塞鉚焊 EJOWELD 是一種新型連接技術(shù)，利用“釘子”的高速旋轉(zhuǎn)穿透上板板料（如鋁合金），并利用釘子和下層板的旋轉(zhuǎn)摩擦生熱熔化下層板料（如 22MnB5 硼鋼），并在壓力的作用下完成“釘子”（鋼質(zhì)）與下層板料的焊接，從而形成穩(wěn)固結(jié)合。
摩擦塞鉚焊 EJOWELD 的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）是一種少有的可以直接連接鋁合金（如 6061）和高強(qiáng)度鋼（熱成形硼鋼 22MnB5）的新工藝；（2）無需預(yù)開孔。
摩擦塞鉚焊 EJOWELD 的缺點(diǎn)主要有：（1）雙面可達(dá)，必須雙面都能操作；（2）需要一個(gè)額外的連接元件；（3）在需要嚴(yán)格密封的位置（如海洋環(huán)境），釘頭處需要使用密封膠。
8. 結(jié)構(gòu)膠（Adhesive）
膠粘連接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史，與其他連接方法相比，膠粘連接有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，粘接采用面接觸，而非點(diǎn)或線接觸。與點(diǎn)焊及鉚接相比，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，連接強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度也相對(duì)較高，而且連接范圍廣，應(yīng)用于各種輕金屬、鋼材以及其他不同材料的連接。
膠粘劑在車身上的應(yīng)用，最初是以防腐和密封為目的，后來逐步發(fā)展到對(duì)連接的剛度和強(qiáng)度也提出較高的要求。新一代結(jié)構(gòu)膠粘劑具有高強(qiáng)度、高剛度的特性，同時(shí)在沖擊載荷的作用下，又具有足夠的韌性和柔性，能夠滿足車身結(jié)構(gòu)的需求，整車性能得以提升，從而擴(kuò)大了膠粘連接的應(yīng)用范圍。
目前，結(jié)構(gòu)膠在各大主機(jī)廠中的單車用量呈逐漸上升的趨勢(shì)。
連接工藝方式主要取決于車身材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)備水平。綜合考慮高質(zhì)量、高效率、節(jié)省投資、維修備件、節(jié)約輔材、操作便利及節(jié)能環(huán)保等因素。目前國內(nèi)輕量化車身應(yīng)用較多的是點(diǎn)焊、Clinching 和 SPR 連接技術(shù)。連接工藝不是孤立存在的，不同的連接工藝可以通過自動(dòng)工具切換系統(tǒng)來完成，以滿足行業(yè)柔性化的需要。目前鋼鋁混合車身的設(shè)計(jì)開發(fā)、材料成型制造工藝及連接設(shè)備等還處于研發(fā)應(yīng)用推廣中，需要更多高校、科研機(jī)構(gòu)、汽車廠以及設(shè)備供應(yīng)商加強(qiáng)溝通和合作，相信不久會(huì)很快掌握輕量化車身連接技術(shù)并逐漸推廣應(yīng)用
結(jié)論
（1）鋁合金是車身輕量化的重要發(fā)展方向，鋁合金連接是其關(guān)鍵工藝；
（2）由于車身造型特點(diǎn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的差異，各種車型采用了不同鋁合金連接技術(shù)，從技術(shù)傳承及經(jīng)濟(jì)合理性預(yù)測(cè)，電阻點(diǎn)焊、CMT 焊、高能密度焊接和膠接有較大的發(fā)展前景。
