鋼鋁混合車身連接工藝概述

鋼鋁混合車身連接工藝概述一、車身輕量化途徑汽車輕量化技術(shù)可以分為：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝等3個主要方面。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面包括：汽車結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化；輕量化材料的應(yīng)用方面包括：高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等；先進(jìn)制造工藝方面包括：液壓成型和激光焊接等。二、混合材料車身未來的汽車車身應(yīng)由鋼和一些鋁合金、鎂合金、碳纖維、塑料等輕質(zhì)材料共同制造，即混合材料車身?；旌喜牧宪嚿斫Y(jié)構(gòu)的理念能較好地兼顧各方面的要求，尋求輕量化效果、工藝性、安全性和成本等總體上的最優(yōu)化，代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)發(fā)展的最新趨勢。鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)即是在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身骨架中，將某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件用高強(qiáng)度鋼板和鋁合金等輕質(zhì)材料替代，以充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼板在強(qiáng)度和價格方面的優(yōu)勢，同時兼顧鋁合金板材在減重及吸能方面的優(yōu)勢，通過材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和性能模擬的方法確定不同材料分布的部位。三、鋁合金車身在國內(nèi)的應(yīng)用國內(nèi)鋁合金車身應(yīng)用得比較廣泛及成熟的車企有奇瑞捷豹路虎和上汽通用凱迪拉克，國內(nèi)也有少量車企有應(yīng)用，例如蔚來汽車(車型未量產(chǎn))、北汽新能源、奇瑞新能源等。四、鋁合金車身主要連接工藝從目前的研究大部分車企應(yīng)用情況來看，比較適用于鋁合金車身及鋼鋁混合車身的連接工藝有：鋁點焊、SPR、壓力連接（Clinching）、熱熔自攻絲（FDS）、弧焊、激光焊、粘接、包邊、螺柱焊、摩擦攪拌焊等。1、鋁合金點焊因鋁合金熔點低、線膨脹率高、導(dǎo)電率高、表面易氧化等特性，鋁點焊須采用大電流、短時間、多脈沖、大電極壓力，所以鋁點焊時輸出大電流對焊機(jī)、變壓器（最大達(dá)230KVA）及焊槍的供電要求高，大電極壓力需焊槍結(jié)構(gòu)牢固可靠。大電流易產(chǎn)生強(qiáng)磁場，焊接工裝需防磁以防焊接時通訊信號丟失。常見的鋁合金點焊形式有：①常規(guī)鋁合金點焊；②螺旋狀電極鋁合金點焊；③電極帶式鋁點焊。常規(guī)鋁合金點焊的主要焊鉗供應(yīng)商有加拿大Centerline等公司。鋁點焊焊鉗在焊鉗結(jié)構(gòu)、最大壓力、電極帽尺寸上都與傳統(tǒng)焊鉗都有些差異。螺旋狀電極鋁合金點焊為GM專利技術(shù)，在凱迪拉克CT6等生產(chǎn)線有應(yīng)用。這種電極頭表面有特殊的環(huán)狀紋路，可在鋁材表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力區(qū)，破碎氧化膜以得到可控制的接觸電阻。在鋁點焊生產(chǎn)時，還需配備相應(yīng)的四刀片修磨器修出螺紋，修磨頻次為普通碳鋼點焊的5倍，約40～50點/次。DeltaSpot是在電極和工件之間增加一條全新電極帶。每個點焊后，電極帶自動移動到下一位置，這樣使得電極表面總是清潔的，解決了鋁點焊容易從母材上黏連材料的問題，保證每個焊點都有高質(zhì)量的焊接工況；70M的焊帶能焊出5000-10000個點，電極帶使用完需要重新更換。2、SPR（Self-piercingrivets）SPR屬于冷連接技術(shù)，其獨特的連接方式使其可以有效克服鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕金屬材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，熱容小，易氧化，難以采用傳統(tǒng)的連接方法進(jìn)行焊接的缺點。優(yōu)點是：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)材料的雙層和多層連接；鉚接過程低能耗，無熱效應(yīng)，不會破壞涂層。缺點是：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;設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于電阻點焊;鉚接點的平面凸起2～3mm，兩層板連接后再與第三層板連接時進(jìn)槍方向有限制；只能使用C型鉚接槍；連接點處需要保留雙側(cè)的進(jìn)槍空間（無法應(yīng)用于封閉型腔）。目前，SPR已廣泛應(yīng)用于奧迪、寶馬、捷豹、沃爾沃、通用、福特和菲亞特克萊斯勒等公司鋁合金合身的制造，接頭疲勞強(qiáng)度可達(dá)電阻點焊的2倍。國內(nèi)奇瑞捷豹路虎、凱迪拉克CT6車身普遍采用的連接工藝就是SPR。SPR設(shè)備主要還是由國外廠家提供，例如：Henrob、Bollhoff、Emhart，國內(nèi)也有少數(shù)廠家例如深圳一浦萊斯Epress等可以提供相關(guān)設(shè)備及解決方案。3、壓力連接（Clinching）無鉚壓力連接時利用板件本身的冷變形能力，對板件進(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和SPR工藝相比，優(yōu)點是：①它不需要額外的鉚釘，在大規(guī)模生產(chǎn)制造中，壓力連接的總成本要明顯低于SPR連接；②在連接形成過程中，板件的防銹鍍層或漆層也隨之一起塑性變形流動而無撕裂損傷，因此不會對零件表面造成破壞，也不會影響連接點處材料的抗腐蝕性及強(qiáng)度。缺點是：目前其在車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用領(lǐng)域基本局限于車門、發(fā)動機(jī)罩、行李倉蓋、輪罩等強(qiáng)度要求相對較低的地方，并不如SPR廣泛，主要原因在于其連接強(qiáng)度不如后者，而鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)對連接點強(qiáng)度的要求就更高。Clinching設(shè)備目前主要還是由國外廠家提供，例如：TOX、BTM等。4、熱熔自攻絲（FDS）FDS工藝通過螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)軟化待連接板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待連接板材，最終在板材與螺釘之間形成螺紋連接，而中心孔處的母材則被擠出并在下層板的底部形成一個環(huán)狀套管。FDS工藝的優(yōu)點有：①因為螺釘不需要變形，因此可以用來連接包括超高強(qiáng)鋼、鋁鎂合金、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)、壁厚大或封閉腔體，無法使用SPR或Clinching；③板件被加熱，板件與螺釘接觸好，連接強(qiáng)度大。FDS工藝的缺點有：①設(shè)備系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于電阻點焊，鉚釘成本高(單價0.15歐元);②單面施力，連接時需要高強(qiáng)度剛性支撐;③操作時間長，約為5～8s;④工藝完成后材料正反面均有較大凸起，螺釘尺寸較長，如果大量使用會增加車身自重，同時過長的露出部分也會對車身的設(shè)計與制造產(chǎn)生影響;⑤因為下層要鉆穿，接頭的防腐能力會下降。FDS設(shè)備主要還是由國外廠家提供，例如：Weber/Stoger/Deparg等。5、鋁合金弧焊鋁合金的主要弧焊焊接特性及注意事項有：①低熔點，550~660℃；②鋁表面的高熔點氧化膜（熔點2040℃），使焊接難以進(jìn)行，易形成未熔合和氣孔；③鋁的熱膨脹系數(shù)是鋼的兩倍，因此焊接變形及焊接應(yīng)力增加；④需要采用低熱輸入量焊接工藝，因為熱輸入會導(dǎo)致熱影響區(qū)強(qiáng)度柔化，加大工件內(nèi)應(yīng)力和變形，增加裂紋的敏感度；⑤鋁的熱導(dǎo)性是鋼的四倍，起弧需要大的電流，收弧采用小電流；⑥因為鋁焊絲較軟及熱膨脹系數(shù)大，和焊絲接觸的硬件需要特殊設(shè)置；目前對于鋁合金弧焊比較成熟的技術(shù)是FroniusCMT和Lincoln先進(jìn)工藝焊機(jī)的交流脈沖技術(shù)，在此不多做介紹，可以與焊接設(shè)備廠家進(jìn)行詳細(xì)交流。6、激光釬焊激光釬焊在鋼制白車身上早已有廣泛應(yīng)用，例如頂蓋、后尾門、側(cè)圍流水槽等部位。與常規(guī)熔化焊相比，激光釬焊具有極高的能量密度、精確控制的局部熱輸入和加熱方位、焊接速度快等優(yōu)勢，早已應(yīng)用于鋁/鋼異種金屬的連接。優(yōu)點是：①連接法蘭小，節(jié)約材料；②可實現(xiàn)鋼和鋁異種金屬的連接；③可精確調(diào)節(jié)和控制熱輸入，熱影響區(qū)和變形小，可以焊接特殊結(jié)構(gòu)；④焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理；缺點是：①激光聚焦光斑直徑細(xì)小導(dǎo)致工件焊接裝配精度要求高，通常裝配間隙、錯邊量需小于0.1mm或板厚的10％，增大了具有復(fù)雜三維焊縫焊接結(jié)構(gòu)的實施難度；②由于室溫條件下鋁合金對激光的反射率高達(dá)90%，因而鋁合金激光深熔焊接要求激光器具有較高的功率。7、粘接&粘鉚復(fù)合連接膠接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)有很長時間的歷史，與其他連接方法相比，膠粘連接有其獨特優(yōu)勢：粘接采用面接觸而非點或線接觸，與點焊及鉚接相比，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，連接強(qiáng)度和剛度以及疲勞強(qiáng)度也相對較高，而且連接范圍廣，能應(yīng)用于各種輕金屬、鋼材以及不同材料的連接。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，同時在沖擊載荷作用的時候又具有足夠的韌性和柔性的特點，能夠滿足車身結(jié)構(gòu)的需求，擴(kuò)大了膠粘連接的應(yīng)用范圍。但膠粘連接也有其固有缺點：①由于其聚合物的本身特性，在相對較惡劣的環(huán)境下，粘膠劑的連接效果容易受溫度和濕度的影響，對二者比較敏感；②膠的凝固需要加熱且耗時較長，凝固之前需要對板料進(jìn)行固定以防板間相互滑動；③膠接破壞形式是突然性開裂，失效時承受的載荷瞬間降為零，在車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時存在著安全隱患，故而粘接一般是和鉚接一起形成鉚粘復(fù)合連接共同應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)。捷豹JaguarXJ全鋁車身、BMW5、BMW7車身中普遍使用了鉚粘復(fù)合連接。盡管鉚粘復(fù)合連接技術(shù)在實際車身結(jié)構(gòu)制造中有了一定的應(yīng)用，但從國內(nèi)外的研究及應(yīng)用的現(xiàn)狀來看，其在車身上的全面運用還處于初級階段，相關(guān)理論研究也還不成熟。例如，鉚粘復(fù)合連接所獲得的接頭的強(qiáng)度和剛度性能、疲勞特性、吸能特性等并不是鉚接和粘接的簡單相加。結(jié)構(gòu)膠由于黏度比較大，需要比較高的使用溫度。為了避開鉚接點需要點段式涂膠，所以對涂膠設(shè)備的要求也比較高。因結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量對車身強(qiáng)度有較大影響，所以大部分的結(jié)構(gòu)膠都采用實時視覺系統(tǒng)對涂膠缺陷進(jìn)行監(jiān)測，比如Cognex、Quiss、Coherix等品牌。8、包邊連接車身覆蓋于外形質(zhì)量要求高、精度控制嚴(yán)，傳統(tǒng)模壓包邊和包邊專機(jī)（Table-Top）投入大、柔性差，機(jī)器人滾壓工藝成為包邊柔性化的必然趨勢。國外成熟的汽車設(shè)備供應(yīng)商已有很多具備了柔性化鋁合金包邊技術(shù)，例如德國ThyssenKrupp、日本Hirotec、德國Edag和英國DVA等公司。鋁合金板料在常溫下的延展性能較差，很就難采用和鋼件板料一樣的冷加工工藝成形。鋁合金板料在成形方面存在的一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾點：1）鋁合金板料的成形性能不及鋼板的好，特別是在薄板方面。由于鋁合金板料局部拉延性能不及鋼板那么好，容易在成形過程中產(chǎn)生裂紋，尤其是形狀較復(fù)雜的零件更容易產(chǎn)生，所以難以良好成形。2）鋁合金板料成形過程中的機(jī)械、力學(xué)性能波動較大。金屬板料在軋制過程中基本上都存在性能指標(biāo)的波動。這些波動將造成實際沖壓結(jié)果與工藝設(shè)計預(yù)測有偏差，嚴(yán)重時，甚至?xí)霈F(xiàn)沖壓質(zhì)量問題。3）在回彈方面，鋁合金板料成形后的回彈比鋼板成形后的回彈控制更難。由于鋁合金板料的彈性模量只有鋼板的1/3，所以成形過程中鋁合金板料產(chǎn)生的回彈將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼板，進(jìn)一步使得成形后零件的表面質(zhì)量難以得到保證。一般包邊工藝都是可以分為兩步，預(yù)包邊和終包邊。預(yù)包邊可根據(jù)材料和翻邊角度設(shè)置為2~3次，例如90°-60°-30°。由于鋁合金包邊成形的特殊性，容易產(chǎn)生裂紋和斷裂，所以在滾邊中一般都采用小變形多道次滾壓的方法，一般3次或以上，這就使得鋁合金滾邊的效率大大的降低。也有采用三輪兩道次滾邊，既可提升滾邊效率，也可降低鋁合金板件滾邊后的波浪系數(shù)和伸縮量。影響滾邊效果的工藝參數(shù)主要有TCP-RTP、翻邊角度、滾邊速度、滾輪直徑、滾邊壓力等；另一類是板件沖壓成型的參數(shù)，如翻邊高度、板件曲率半徑等。機(jī)器人滾邊成型過程非常復(fù)雜，在滾邊過程中根據(jù)待滾邊板件的材料性能、不同區(qū)域的成型特點、板件滾邊后的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)節(jié)拍等要求，確定不同的滾邊工藝參數(shù)，需要進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究和試驗。以上是鋁合金車身或鋼鋁混合車身常用的連接工藝，還有一些其他工藝不在此做介紹，例如螺柱焊、摩擦攪拌焊和金屬鍵合連接等。連接工藝有時候也不是孤立存在的，有些工位可能同時用到鋁合金點焊、SPR和FDS，可以通過自動工具切換系統(tǒng)來切換，例如：ATI公司的產(chǎn)品可以實現(xiàn)鋁點焊焊鉗、SPR鉚槍和FDS槍之間的切換，滿足了工藝的柔性化。鋁合金及鋼鋁混合車身的連接工藝方式主要還是取決于車身材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計。真正意義上的輕量化必須以保證車輛的安全性為最基本的前提，面對世界各國日益嚴(yán)格的碰撞法規(guī)，鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計面臨的一個重要挑戰(zhàn)就是如何滿足車輛的碰撞法規(guī)，保證乘客的安全性。五、鋼鋁混合車身開發(fā)流程鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)的開發(fā)仍然面臨著異種材料的連接技術(shù)、材料匹配與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高強(qiáng)度鋼和鋁合金的先進(jìn)成形工藝技術(shù)、電化學(xué)腐蝕及熱變形不協(xié)調(diào)等突出問