连接技术在汽车制造中的应用

李小飞 魏建

（浙江吉利汽车研究院有限公司）

汽车轻量化已成为汽车行业发展趋势，钢铝混合车身的设计开发已经在部分汽车公司开始研究和实施应用。研究表明：钢铝连接接头成本约为白车身成本的10%～20%，连接技术的正确使用对车身降成本意义重大。积累钢铝混合连接技术设计开发/CAE/Safety/同步工程经验，有利于支持后续类似新车型开发。文章介绍了钢铝混合车身连接技术，并通过案例讲述各种连接技术在车型设计开发和制造中的典型应用。

1 连接技术介绍及应用

1.1 铝合金点焊

焊接接头形式，如图1所示。铝合金熔点低、热膨胀率及导电率高，表面易氧化，铝点焊需大电流、短时间、多脉冲、大电极压力，对焊机、变压器及焊枪的供电要求高，大电极压力需要焊枪结构坚固可靠[1]。因此，铝合金点焊设备费用很高，国内汽车制造厂应用较少。通用汽车在量产车型中应用，由于焊钳体积较大，无法手持，需要机器人自动化实现。图2示出铝合金点焊焊钳。

图1 铝合金点焊接头形式

图2 铝合金点焊焊钳

1.2 铝弧焊（MIG）

焊接接头形式，如图3所示。铝熔点低，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技术）。由于铝合金吸热后极容易热应力集中，造成板件开裂。目前主要采用2种方式减少MIG焊时所产生的热量，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。

图3MIG接头形式

目前，MIG在车身上应用比较广泛，如全铝前防撞梁、吸能盒等碰撞安全关键零部件；另外，铝铸件与铝型材之间也可以通过MIG进行连接，图4示出MIG产品。

图4MIG产品

1.3 自穿钉铆接（SPR）

SPR（Self-piercing rivet）属于冷连接技术，接头形式，如图5所示。其独特的连接方式，使其可以有效克服铝合金、镁合金、钛合金等轻金属材料导电、导热性快，热容小，易氧化，难以采用传统的连接方法进行焊接的缺点。与传统电焊相比，自冲铆接的强度能增加30%。图6示出SPR连接工作原理图。

图5 SPR接头形式

图6 SPR工作原理图

SPR工艺优点：1）不仅适于同种材料之间的连接，而且能够实现铝/镁、铝/钢、镁/钢、铝合金/镁合金/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工艺缺点：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2～3mm，2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型铆接枪，如图7所示，连接点处的双侧需要预留进枪空间（无法应用于封闭型腔）。

图7C型SPR铆枪

目前，SPR已广泛应用于奥迪、宝马、捷豹、沃尔沃、通用、福特和菲亚特克莱斯勒等公司铝合金车身的制造，接头疲劳强度可达电阻点焊的2倍。国内奇瑞捷豹路虎、凯迪拉克CT6车身普遍采用的连接工艺就是SPR。

1.4 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。图8示出Clinching接头形式。

图8 Clinching接头形式

Clinching与SPR工艺相比，优点：1）它不需要额外的铆钉，在大规模生产制造中，压力连接的总成本要明显低于SPR连接；2）在连接形成过程中，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[2]。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，如图9所示，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。

图9 Clinching车身外覆盖件的应用

1.5 热熔自攻螺钉（FDS）

FDS接头形式，如图10所示。FDS工艺通过螺钉的高速旋转软化待连接板，并在巨大的轴向压力下，挤压并旋入待连接板，最终在板材与螺钉之间形成螺纹连接，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。图11示出FDS工作原理图。

图10 FDS接头形式

FDS工艺的优点有：1）因为螺钉不需要变形，因此可以用来连接包括超高强钢、铝镁合金、复合材料在内的异种材料，如图12所示；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或Clinching；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。

目前，FDS作为单面进入多层板材连接技术中最常见的应用，设备主要由国外厂家提供。

1.6 压力穿刺铆(Rivet）

图13示出压力穿刺铆钉。

图13 压力穿刺铆钉

压力穿刺铆主要特点有：1）辅料成本高，Rivet比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。压力穿刺铆工作原理，如图14所示。

图14 应力穿刺铆连接过程示意图

目前，该技术只在少数公司试用，如：奔驰、特斯拉等。

1.7 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，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，扩大了胶粘连接的应用范围。图15示出结构胶在车身上使用的区域。

图15 结构胶在车身上使用的区域

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，以提升车身的整体性能。

2 结论

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。连接工艺方式主要取决于车身材料及结构设计。

综合各种因素，在汽车制造中，国内轻量化车身应用较多的是Clinching和SPR连接技术。国内钢铝混合车身的设计开发、材料成型工艺、制造工艺及连接设备等并不是很成熟，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，人们会很快掌握轻量化车身连接技术并逐渐推广应用。