易緊通
資訊
查标準 找產品 材料 資訊 展會會議 行業雜志 緊博會
标準 緊固件 材料 供應商 資訊 展會
打電話發采購:4006-164580
當前位置:首頁 >> 資訊中心 >> 标準與技術 >> 轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰
标準與技術

轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰

發布時間:2018-05-11   來源:GAF  

  2009 年中國以 300 多萬輛的優勢,首次超越美國,成為世界汽車產銷第一大國,比預計提前了 5~6 年。中國車市的優異表現,不僅有效拉動了中國本土汽車產業鏈的發展,也為經濟危機條件下世界汽車工業做出巨大的貢獻。然而,全球產銷第一帶來的不僅僅是欣喜,更多的則是壓力。中國汽車工業在技術水平、創新能力、品牌影響力以及國際競争力等方面與世界汽車強國還有明顯的差距。與此同時,汽車工業也成為我國能源安全、低碳經濟和城市環境的巨大負擔,使其發展受到限制,轉型迫在眉睫。汽車輕量化作為降低原油消耗和尾氣排放的重要手段,已經得到世界各國的高度重視,成為世界汽車強國提高品牌競争力的重要手段。對全球汽車車身輕量化的方法和發展趨勢進行綜述,分析車身輕量化技術的發展對焊接與連接的挑戰,并對新型的車身連接技術進行分析和評價,以對我國輕量化車身的設計與制造提供有益借鑒。

  前言

  截至 2010 年,全球汽車總保有量首次突破 10億,比 2009 年增長了近 2 000 萬,而 1986 年,全球汽車總保有量僅為 5 億。據美國 Wardsauto 雜志分析,2000 年以來,全球汽車保有量平均增長3.6%。其中美國是目前最大的汽車擁有國,汽車注冊量達2.398 億,中國首次超過日本位居第二,從1 680 萬一躍到了7 800 萬,幾乎是全球半年的增長率 ,僅 2010 年汽車注冊量猛增 27.5%。汽車保有量的迅速增加充分證明了我國經濟的快速發展和人民生活質量的穩步提高,然而也對我國經濟和社會發展造成巨大影響,反過來又制約了我國汽車工業的發展。

  (1) 能源安全。我國汽油的 70%左右是汽車消費的,柴油也有 40%左右是汽車直接消費的。據工信部 2011 年公布的我國原油對外依存度的最新數據,我國原油對外依存度已經高達 55.2%,顯著超過我國能源安全警戒線,也超過了美國的 53.5%。根據“十二五”規劃,今後幾年我國經濟将保持 7%左右的增長速度,石油需求将以 5%~6%的年均速度增長。由于國内石油產量增幅遠低于 5%,在目前新能源尚不能大面積替代化石能源的條件下,未來 5 年我國石油對外依存度還将逐步提高。汽車保有量增加對我國能源安全造成巨大壓力。

  (2) 氣候安全。氣候變化問題已成為影響人類社會發展和全球政治經濟格局的重大戰略課題。發達國家汽車行業 CO 2 排放占國家總排放量 25%左右,專家預測我國汽車行業的 CO 2 排放可能占總排放量8%~10%。但随着汽車總量不斷增加,汽車排放在我國總體 CO 2 排放中的比例也将增加。我國作為溫室氣體排放的主要大國,已成為全球關注的對象,面臨巨大的國際壓力 [2] ,已經向國際社會承諾到2020年單位GDP CO 2 排放比2005年下降40%~45%。

  (3) 環境安全。一輛轎車每年排出的有害廢氣比轎車自重大三倍,并且其中含有 100 多種有害物質。汽車尾氣正在成為空氣污染的“罪魁禍首”。雖然我國新車行駛标準已經推行到了更為嚴格的國4 階段,但汽車總保有量的飙升使得總體排放量增加。汽車仍然是機動車裏最主要的污染物來源,給城市空氣質量帶來巨大的環境壓力。如何破解汽車工業發展和環境保護的矛盾也成了擺在政府、社會面前一個現實、迫切的難題。

  工信部預計到2020年中國汽車保有量将超過2億輛,由此帶來的能源安全和環境問題将更加突出。石油安全将成為制約中國汽車工業發展的第一因素,油耗和排放也将成為中國汽車走向世界的絆腳石。因此,通過各種方式降低原油消耗和尾氣排放已經成為中國汽車工藝亟須解決的重大課題。

  目前,大力推進傳統汽車節能減排和新能源汽車產業化已成為中國的國家戰略。中國科技部、發改委、工信部以及各地方政府均出台政策鼓勵和扶持節能汽車和新能源汽車的研發與產業化,以加快我國汽車產業快速轉型,擺脫對傳統化石資源和生物燃料的依賴。然而,由于我國電池、電機以及電控三大核心技術目前比較落後,新能源汽車的安全性、續駛裏程以及高昂的成本仍然無法滿足市場的要求,便其短期内無法成為市場的主流。

  汽車輕量化作為降低原油消耗和尾氣排放的重要手段得到了世界各國的高度重視,已經成為各國汽車品牌提高自身競争力的重要手段。研究表明:汽車自重每降低 10%,可降低油耗 6%~8%,減少CO 2 排放 13% ,而且當汽車自重降低時,其起步加速性能會更好,制動時的制動距離也會顯著縮短。汽車輕量化已經被列入我國“十二五”規劃綱要,我國《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中也明确指出發展新能源汽車要着力突破材料和結構的輕量化技術。

  2012 年 1 月 1 日,強制性國家标準《乘用車燃料消耗量評價方法及指标》(GB 27999—2011)執行,旨在“推動我國汽車節能技術革新,鼓勵車輛小型化和輕量化,進一步降低乘用車單車燃料消耗量水平,縮小與國外先進水平的差距,從整體上控制我國乘用車燃料消耗量和二氧化碳排放,使我國乘用車平均燃料消耗量水平在2015年下降至7 L/100km左右,對應二氧化碳排放約為 167 g/km。”根據此标準的目标可以看出,輕量化仍是我國現階段實現節能減排目标最為重要的手段之一。

  汽車車身占整車總重的 30%~60%左右,汽車運行過程中約 70%的燃料是消耗在車身質量上,使得車身成為汽車輕量化的關鍵。此外,車身減輕後,汽車動力系統的功耗也會降低,從而有利于減小發動機和減速箱的尺寸,實現整車的進一步減重。因此,車身減重在汽車輕量化中具有至關重要的地位。

  本文對汽車車身輕量化的方法、要求和發展趨勢進行綜述,分析了車身輕量化對連接技術的挑戰,并對新型的連接技術進行介紹,旨在對輕量化車身的設計與制造提供有益的借鑒。

  1、汽車車身輕量化方法及發展趨勢

  1.1 汽車車身輕量化的方法

  汽車車身輕量化并非是簡單地将汽車重量減輕,而是在保證車身的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車車身質量,同時要保證汽車車身的制造成本在合理範圍内。目前有以下三種手段。

  (1) 使用輕量化結構。即以車身零件的強度和剛度要求為約束,借助 CAE 優化設計方法對零件的結構進行優化設計,通過車身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化,以減小車身骨架和車身覆蓋件的質量或數量,從而達到車身減重目的。優化汽車的結構設計是實現汽車輕量化的有效途徑之一。圖1a 中通過擠壓形成的封閉型鋁合金空間框架結構(Audi space frame,ASF)、圖 1b 中通過輥壓成形的變截面結構零件以及圖 1c 内高壓成副車架,都是典型的輕量化結構,在顯著減重同時能夠有效保證強度和剛度需求。


  圖 1 典型的輕量化結構  

  (2) 使用輕量化材料。通過大量使用輕質、高強材料實現車身大幅減重已經成為車身輕量化最為主要的手段。這些材料主要可以分為兩類:一類是高強鋼材料,包括普通高強鋼、先進高強鋼(Advanced high strength steel,AHSS)以及超高強鋼(Ultra high strength steel,UHSS)。圖 2a 所示的奧迪 A4(B8)就是通過大量使用高強鋼來實現有效減重;另一類是低密度材料,包括鋁合金、鎂合金、塑料、複合材料等,圖 2b 所示的奧迪 A8(D3)全部采用鋁合金制造,具有非常顯著的減重效果。表 1給出了不同低密度材料替代高密度材料的減重效果,顯然通過鋁合金替代鋼可以獲得較好的減重效果,而且成本增加也相對較低。


  圖 2 典型的輕量化車身  

  

  表 1 低密度材料替代高密度的減重效果和相對成本比較

  (3) 使用輕量化結構材料。即采用特種加工工藝制成的具有輕量化結構特征的車身用毛坯材料,包括激光拼焊闆(Tailor welded blank,TWB)和連續變截面軋制闆(Tailor rolling blank,TRB)。TWB 即采用激光焊接技術把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄闆焊接在一起,形成沖壓用坯料。基于這種技術,工程師可以根據車身各個部位的強度和剛度的需求,像裁縫縫制衣服一樣預先“量身定做”所需的拼焊闆坯料,然後進行沖壓,從而達到節省材料、減輕重量且提高車身零部件性能的目的。TRB 指在闆料軋制過程中通過計算機實時控制和調整軋輥的間距,獲得沿軋制方向上按預定的厚度連續變化的坯料闆材。如圖 3 所示,這樣的變截面薄闆根據零件的強度需求實現材料厚度的按需分配,經加工後制成的汽車零部件具有更好的承載能力,且能輕量化效果顯著。TRB 繼承了 TWB根據零件強度和剛度需求變截面的技術,可顯著降低車身零件的數量,從而降低車身焊裝的複雜性。同時解決了 TWB 焊縫兩側應力突變以及焊縫存在對成形過程和零件表面質量的不良影響。


  圖 3 TRB 在福特福克斯中的應用   

  輕量化材料為車身輕量化提供了巨大的潛力,但輕質材料的應用需要新的輕量化結構和工藝做支撐。總而言之,輕量化材料、輕量化結構以及輕量化結構材料三種手段相輔相成,為汽車車身輕量化帶來更多的空間和可能。要獲得最佳的汽車車身輕量化效果,必須以成本和性能為約束,借助先進的數字化手段,充分發揮三者各自的優勢,實現三種方法在車身上的合理化和精細化使用。奧迪的 ASF車身技術,就實現了輕量化材料和輕量化結構的完美結合,使車身剛度提高了 60%,成為全球汽車車身輕量化的典範。

  1.2 汽車輕量化技術發展趨勢

  通過使用輕量化材料來降低汽車自重已經得到汽車工業的普遍關注,成為汽車車身輕量化的主流技術。目前主要有以下 4 種途徑。

  (1) 高強鋼闆替代普通鋼闆。采用高強度鋼闆代替普通鋼闆,能使構件厚度減薄,又能保證其使用性能,從而減輕汽車的質量,而且鋼鐵材料價格便宜、工藝成熟,因此迄今仍然是汽車車身使用最多的材料。1993 年美國克林頓政府的 PNGV 項目就是通過高強度鋼替代普通闆實現大幅減重。1995年,18個國家 32 家跨國鋼鐵生產企業聯合提出了“超輕碳鋼車身(Ultra light steel auto body,ULSAB)”概念,這種采用高強度鋼闆制造的車身實現了更薄更輕的結構,使車身減重達 25%。目前在汽車中使用的高強鋼已經發展到第三代。第一代高強鋼具有強度越高延展率越低的特點。全球車企普遍采用的雙相鋼(Duplex steel,DP)、相變誘發塑性鋼(Transformation induced plasticity steel,TRIP)、烘烤硬化鋼、熱成形硼鋼都屬于第一代汽車鋼;第二代汽車鋼通過大量增加合金元素在增加強度的同時提升了鋼材的塑性,但是成本較高,限制了其在汽車中的規模應用,代表鋼種是孿晶誘發塑性鋼(Twinning induced plasticity steel,TWIP)。第三代汽車鋼的性能和成本介于第一代和第二代汽車鋼之間,強度高、可塑性強,性價比更易被企業接受。目前仍然在開發之中,代表鋼種為淬火分配鋼。由于成本優勢,第一代汽車鋼仍然是現階段汽車用鋼的主體。同時,在中國市場,通過高強鋼替代普通低碳鋼闆仍然是汽車車身輕量化最為主要的方式 [8] 。2010 年,寶鋼與上海汽車集團股份有限公司共同簽署了《汽車用鋼輕量化戰略合作框架協議》,并宣布雙方将共同研發、應用汽車用鋼輕量化技術,并将汽車輕量化列為上海汽車“十二五”汽車技術發展的一個重要路徑。

  (2) 輕金屬材料替代鋼闆。鋁合金因其密度低、比強度高,在顯著減重的同時仍然能夠大幅提高車身零部件的剛性。奧迪汽車公司1999年推出的AudiA2 便是世界第一款大批量生產的全鋁車身轎車,其采用全鋁空間框架結構,平均油耗接近 3 L/100km。2004 年問世的捷豹 XJ8 也是采用全鋁車身,其車身剛性比舊款的鋼制車身提高了 60%,但質量卻減少了 40%。但鋁合金由于成本高,目前在市面上銷售的全鋁車身汽車隻有奧迪A8、R8和捷豹等豪華車型。

  (3) 複合材料替代鋼闆。複合材料因為密度低(鋁合金的 1/3 左右)、比強度極高、耐撞擊、抗斷裂韌度好、減振隔音性能好、可設計性好、耐腐蝕等一系列優點,已經得到汽車工業的重視。但由于成本較高以及許多和複合材料使用相關的技術仍然沒有解決,現階段複合材料在汽車上的應用主要集中在豪華跑車和賽車上,如梅賽德斯—奔馳 SLR 跑車就通過高強度的碳纖維複合材料制成的車身來大幅降低整車質量,而在普通乘用車上的使用則主要集中在保險杠等零件上。由于其與金屬材料相比具有無與倫比的優點,可以預見複合材料在未來汽車車身材料中将占有越來越重要的地位。

  (4) 多材料混合車身結構。如圖 4 所示,單純采用高強鋼闆雖然具有較大的成本優勢,但在現階段條件下采用高強鋼進行車身輕量化的空間已經十分有限。采用輕金屬雖然可以獲得較好的輕量化效果,但是成本仍然較高。複合材料可以獲得最佳的輕量化效果,但是成本極高,無法規模應用。綜合考慮成本與輕量化效果,德國學者 HAHN 等提出“多材料輕量化結構”(Mixed material constructions)概念,認為合理的輕量化應該是“合适的材料用在合适的部位”,多材料結構設計将代表今後汽車車身結構的發展趨勢


  圖 4 汽車輕量化的發展趨勢    

  2005 年,歐盟啟動了著名的超輕車項目(SuperLIGHT-Car,SLC)。在德國大眾汽車公司的主導下,通過 38 家汽車生產廠家、汽車零部件供應廠商、高等院校和研究所 4 年的共同努力,在不顯著增加轎車成本的前提下,設計并制造出了減重達35%(101 kg)的超輕 A 級轎車車身。如圖 5 所示,為了提高減重的效果,在采用輕量化結構設計的同時,該車身中大量使用了輕金屬,尤其是鋁合金,并采用了多種連接工藝支撐多材料車身的制造,如弧焊、MIG 焊、電阻點焊、冷金屬過渡(Gold metal transfer, CMT)弧焊、自沖鉚接、抽芯鉚釘、流鑽螺釘、攪拌摩擦點焊和膠接等。目前已經有多款量產的多材料車身,如寶馬5/6/7 系車身上鋁合金的用量都達到了 18%以上,奧迪 TT/TTS Coupe 車身達到 68%,奧迪 TT/TTS Roadster 也達到 58%。通過在全鋼車身中逐步引入鋁、鎂、複合材料等低密度材料,即開發“多材料混合車身”,已經成為全球汽車車身輕量化的必然趨勢。


  圖 5 SLC 輕量化設計結果    

  2、多材料輕量化車身對連接技術挑戰    

  通過多種材料的混合使用可以有效減輕車身重量,為汽車工業的發展提供更多的機遇。然而,也對車身制造技術,尤其是焊接與連接技術提出巨大挑戰。

  2.1 電阻點焊工藝

  電阻點焊因其高效率、低成本、易于自動化等優點在鋼制轎車車身裝配中長期占主導地位,一輛典型的鋼制車身90%以上裝配量由電阻點焊工藝完成 。然而,多材料輕量化車身由于高強鋼的大量使用以及鋁鋼的混合使用,使得傳統的電阻點焊技術面臨巨大挑戰。

  2.1.1 先進高強鋼的電阻點焊

  根據美國達科環球的統計數據,2007 年北美汽車用材中高強鋼用量達 44.6%,其預測 2015 年則會高達 68.5%,尤其是雙相鋼、複相鋼(Complex steel,CP)、相變誘發塑性鋼、孿生誘發塑性鋼等先進高強鋼以及烘烤硬化鋼将大規模應用于汽車車身。高強鋼由于含碳量和合金元素增加,奧氏體穩定性顯著增加,在焊點快速冷卻過程中不可避免會出現淬硬馬氏體,導緻接頭容易產生界面斷裂。同時,由于點焊熔核結晶過程具有較強的方向性,導緻接頭中容易出現合金元素偏析、結晶裂紋和氣孔,使接頭綜合力學性能變差。采用中頻逆變直流焊機精确控制能量輸入并配合焊後回火可以改善接頭性能,但會降低生產節拍、提高車身制造成本。磁控電阻點焊技術已經證明可以宏觀上增大熔核直徑、微觀上細化晶粒,最終顯著提高接頭的靜态強度和疲勞性能,并改善界面斷裂(圖 6),但是要應用在實際生產上還有許多技術問題有待解決。



圖 6 電磁攪拌對點焊熔核宏觀形貌和微觀組織影響

  2.1.2 鋁—鋼的異種電阻點焊

  由于輕金屬和鋼在電導率、熱導率、熔點等諸多方面的顯著差異(表 2),以及熔化焊時鋁鋼連接界面極易形成脆性相,采用傳統電阻點焊技術難以實現輕金屬與鋼的可靠連接。2006 年,Fronius 公司開發了 Deltaspot 電阻點焊工藝用以實現鋁鋼的異種點焊。如圖 7 所示,該工藝通過在鋁闆側使用高電阻率的電極帶,在鋼側使用低電阻率的電極帶,使鋁—鋼結合面上的鋁快速熔化,而鋼則保持固态,從而使得鋁向鋼中擴散形成的脆性相厚度得到控制(小于 4 µm),實現了鋁鋼的電阻□焊。然而,由于鋁合金的熔化,接頭中鋁合金熱影響軟化比較嚴重。當焊接熱處理強化鋁合金時,熱影響區強度會損失30%~40%。而對于工作硬化鋁合金,由于重結晶,熱影響區的強度也會顯著降低


  圖 7 基于 Deltaspot 工藝的鋁—鋼電阻□焊    

  2.2 膠接技術

  膠接技術是通過膠粘劑與被連接件之間的化學反應或物理凝固等作用将材料連接在一起的連接技術。膠粘連接以其良好的抗疲勞性、隔音性、減振性在現階段的車身制造中有着廣泛的應用,目前在SGM和SVW所有的車型上都大量使用了膠接技術。捷豹 X350 上用膠量高達 154 m,以顯著提高整車的安全性和舒适性。

  對于多材料混合車身,由于膠接技術不存在熔化問題,而且可以隔絕異種金屬接觸從而避免電化學腐蝕,因此具有明顯的優越性。然而,多材料車身的膠接卻面臨前所未有的挑戰。在高溫烤漆固化的時候,由于鋁鋼熱膨脹系數差異較大,會導緻車身結構產生嚴重變形,并使膠粘接頭失效,如圖 8所示。陶氏化學已經開發出雙組分常溫固化膠以解決高溫固化引起的大變形,但是這些雙組分膠的力學性能要明顯低于目前大規模使用的單組分膠,而且在與單組分膠一起使用時存在較大的問題。

  2.3 固相連接技術

  攪拌摩擦點焊(Friction stir spot welding,FSSW)作為一種固相連接方法,熱輸入低,可有效控制鋁鋼結合面金屬間化合物形成,在鋁鋼異種連接方面具有很大優勢,其原理如圖9所示。2006年Mazda宣稱開發出全球第一個基于FSSW的鋁鋼連接技術,


  圖 8 鋁鋼異種金屬膠接固化大變形    


  圖 9 摩擦點焊工藝原理    

  然而迄今該技術仍局限于非承載部件連接。這是因為高強鋼的應用使得針對鋁合金設計的 FSSW技術面臨巨大挑戰。

  (1) FSSW 工藝會產生一個與攪拌針形狀一緻的工藝凹孔(圖 10),該孔會大大降低接頭承載面積,從而削弱接頭力學性能。通過金屬回填可以消除工藝孔,但需要複雜的控制系統和較長的工藝時間,難以滿足汽車車身的高生產節拍要求。


  圖 10 攪拌摩擦點焊殘留工藝孔   

  (2) 高強鋼變形困難,需更多的熱量來軟化金屬,因此需要更多的工藝時間以產生更多的摩擦熱。

  (3) 與鋁合金相比,高強鋼熱導率很低,摩擦熱很難通過鋼闆快速散出去,導緻攪拌針溫度很高,在高速摩擦中容易發生磨損失效。對于鋼,符合要求的攪拌頭材料往往是難熔金屬合金或者結構陶瓷,但價格極其昂貴,無法規模應用于汽車工業。

  2.4 機械連接技術

  無鉚釘鉚接和自沖鉚接是汽車車身中應用最為廣泛的兩種機械冷連接技術,它們不需要預沖孔便可實現汽車闆的連接,而且對連接對象的表面清潔度和氧化層不敏感,同時具有電阻點焊技術的高效率和易于自動化等特點。

  2.4.1 無鉚釘鉚接

  無鉚釘連接(Clinching)技術,又叫“沖壓鉚接”,1897 年由德國人發明。如圖 11 所示,無鉚釘連接是利用闆件本身的冷變形能力,對闆件進行壓力加工,使闆件產生局部變形而将闆件連接在一起的機械連接技術。目前國際上提供該工藝裝備的公司主要為德國的TOX和美國的BTM(注冊商标為Tog-L-Loc)。因為成本低的優勢,無鉚釘鉚接工藝已經在國外汽車工業中普遍應用。國内 SVW 的途安、波羅、斯柯達明睿、斯柯達晶睿,以及 SGM的愛維歐、科魯茲、别克英朗、邁瑞寶、君越、君威都采用了 TOX 的技術與裝備。


  圖 11 無鉚釘鉚接工藝過程示意圖    

  如圖 12 所示,無鉚釘鉚接主要有直壁整體下模和分體下模兩種形式。其中前者的模具是一個整體,模具結構簡單。後者模具結構相對複雜,模具中存在活動部分,在連接時下模在金屬的作用下向側面滑開,使金屬材料能夠充分從而形成塑性鑲嵌,所以其強度也較高。無鉚釘鉚接接頭強度是由頸厚值和嵌入量決定的,頸厚值決定抗剪強度,嵌入量則決定剝離強度,同時接頭底厚對強度也有重要影響。但總體而言,無鉚釘鉚接接頭的剝離強度和疲勞強度都比較低,所以通常隻用在發動機罩、行李箱蓋等非承載部位。


  圖 12 典型的無鉚釘連接形式    

  2.4.2 自沖鉚接

  1985 年基恩·瓊斯在英國創建 Henrob 公司,研發和生產出世界上第一套自沖鉚接(Self-piercingriveting,SPR)設備。此後,美國 EMHART 公司與德國 BOLLHOFF 公司也相繼開發出了自沖鉚接設備。Henrob 公司作為行業的領導者,在全世界範圍内有超過 5 300 套設備在運行,其在歐洲市場占有率高達 70%,中國目前有 60 多套。如圖 13 所示,自沖鉚接是通過半空心鉚釘刺穿上層闆并與下層闆之間通過塑性大變形形成機械自鎖來實現。要形成一個合格的自沖鉚接接頭,必須遵循三個基本原則。

  (1) 鉚釘腿部在驅動杆的推動下刺穿上層闆材,否則無法與下層闆之間形成自鎖。

  (2) 鉚釘腿部要在下層闆中呈喇叭形張開,以使下層闆能夠勾住張開的鉚釘腿,從而形成機械自鎖。在外觀滿足要求的情況下,接頭強度可通過圖13b 所示的底切量大小來衡量。

  (3) 下層鋼闆不能被穿透,以保證接頭具有良好的氣密性和抗腐蝕能力。


圖 13 自沖鉚接工藝過程及其接頭

  目前,自沖鉚接方法已廣泛應用于奧迪、寶馬、捷豹、沃爾沃、通用、福特和戴姆勒—克萊斯勒等公司鋁合金合身的制造,接頭疲勞強度可達電阻點焊的 2 倍 [18] 。國内在自沖鉚接方面研究起步較晚,近幾年天津大學 [19] 、華東交通大學 [20] 以及清華大學 [21]等圍繞鋁合金做了大量的理論和試驗研究。上海交通大學 [22-24] 針對鋁鋼異種連接研究了凹模、鉚釘尺寸等工藝要素對鋁—鋼自沖鉚接質量的影響規律。總而言之,SPR 由于沒有熱輸入,已經成為最具潛力的多材料車身連接方法。然而,高強鋼的引入使得 SPR 工藝面臨巨大挑戰。

  (1) 如圖 14 所示,高強鋼變形困難,從鋼鉚向鋁時鉚釘内會形成空腔,而從鋁鉚向鋼時,鉚釘腿部難以使下層鋼闆產生足夠塑性變形以形成自鎖。由于高強鋼延展率低,容易出現鉚穿缺陷。另外,鉚釘也容易因強度不足發生墩粗甚至開裂。通過預熱可明顯改善高強鋼鉚接性能,但難以應用于生產。

  (2) 鉚槍需要承受更大的鉚接力,容易產生變形,難以保證鉚釘和凹模的同軸度,導緻接頭質量穩定性降低。

  3、新型的多材料連接技術    

  随着超高強鋼、複合材料等材料的應用,傳統的連接方法已經難以滿足多材料車身制造的需求。為迎接多材料輕量化車身挑戰,世界各國已經提出許多新型連接方法。機械連接方法在異種金屬連接方法具有無與倫比的優勢,受到較多的關注。


  圖 14 鋁合金—高強鋼鉚接中容易出現的質量問題

  (鋁為 AA6061-T6,鋼為 DP780)    

  3.1 FDS 技術

  流鑽螺釘(Flow drill screw,FDS)發明于 1990年,1996 年首次應用于蓮花轎車車身框架的連接。由于采用手持夾具進行裝夾,整個裝配過程的時間和精度不好控制,使得該工藝使用受到限制。20世紀 90 年代末,Weber Schraubautomaten 為 EJOT 公司開發了 RSF20S 螺釘驅動系統,RSF20S 的問世實現了 FDS 工藝的自動化生產,并增大了可連接闆材的厚度,于 2000 年首次用于 Audi A4 後輪罩連接。在過去五年中,許多歐洲汽車廠商開始使用 FDS 技術,如捷豹 XK 和 X150,奧迪 R8、A8、TT Coupe、A6 等,其中新奧迪 A8 上有多達 740 個流鑽螺釘。歐洲的尼桑、路虎、保時捷、寶馬等眾多汽車品牌也都引入了流鑽螺釘連接工藝。目前全球已經有德國、意大利、英國、丹麥、匈牙利、波蘭六個國家在汽車中使用了該技術。

  如圖 15 所示,FDS 工藝通過螺釘的高速旋轉軟化待連接闆材,并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待連接闆材,最終在闆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闆的底部形成一個環狀套管。其優點如下:① 因為螺釘不需要變形,因此可以用來連接包括超高強鋼、鋁鎂合金、複合材料在内的任何材料及異種材料;②螺釘高速旋轉可以軟化金屬,因此可在較小變形的情況下實現單邊連接,使得連接更加方便;③ 鉚釘可以拆卸,回收方便。但是該方法也有其明顯的缺點:① 因為下層闆要鑽穿,因此接頭的防腐蝕能力會降低;② 工藝結束後螺釘前端必須露出于擠出套管之外,加上尖頭的過渡部分,使得螺釘尺寸較長,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計與制造產生影響。


圖 15 FDS 工藝原理及接頭宏觀形貌

  3.2 FBJ 技術

  為了解決殘留工藝孔和攪拌針軟化帶來的問題,從 2008 年迄今,在美國自然科學基金、美國能源部以及日本教育部的支持下,美國Brigham Young University 和日本東北大學提出了一種叫做摩擦塞焊(Friction bit joining,FBJ) [25-26] 的技術。如圖 16 所示,FBJ 采用可消耗的攪拌針(用低成本合金結構鋼制作)替代傳統的非消耗攪拌針,解決了攪拌針的高溫軟化失效問題;在焊接結束後,攪拌頭與夾持部位通過剪斷實現分離,使攪拌頭留在接頭中,從而解決了殘留工藝孔問題。但是該工藝會產生較大的變形,而且實心鉚釘會影響輕量化效果。


  圖 16 FBJ 工藝過程及接頭宏觀形貌    

  3.3 階梯沖頭無鉚釘鉚接技術

  無鉚釘鉚接技術因為成本低的特點,在 2011年 9 月份于德國亞琛大學舉辦的第十屆 ICTP 大會上受到較多關注 [27-29] 。日本豐橋科技大學的 ABE等 [25] 提出了一種新型的階梯形無鉚釘鉚接沖頭,以提高鋁鋼異種鉚接的可鉚性範圍以及接頭強度。研究發現,通過階梯沖頭代替傳統沖頭在鉚接鋼—鋁闆組合時可以有效避免上層鋼闆發生斷裂失效(圖17),而在鉚接鋁—鋼組合件時可以增加上層鋁闆在沖頭一側的剩餘壁厚,進而提高接頭強度。


  圖 17 典型鋁—鋼接頭(SPCC+A5052)    

  3.4 電緻塑性自沖鉚接技術

  考慮到高強鋼在自沖鉚接時變形困難,使得設備噸位大幅提升,而且成形質量下降,上海交通大學車身設計與制造技術研究所提出了一種稱為電緻塑性自沖鉚接(Electro plastic self-piercing riveting,EP-SPR)的方法 [30] ,其試驗裝置原理如圖 18 所示。通過與傳統的自沖鉚接接頭比較發現,外部直流電場的短時間作用可以降低先進高強鋼 DP780 的變形抗力,增加接頭的底切量,同時鉚釘的镦粗現象也得到緩解。但如何實現 SPR 系統和直流電源的無縫集成,成為該技術應用的技術關鍵。


  圖 18 電緻塑性自沖鉚接原理

  4 結論

  (1) 輕量化材料、輕量化結構以及輕量化結構材料三種手段在車身上的合理化和精細化使用為車身輕量化帶來更多的空間和可能。多材料車身成為全球汽車車身輕量化技術發展的必然趨勢。

  (2) 連接技術成為制約多材料車身制造的關鍵。傳統的電阻點焊技術以及單純的自沖鉚接技術已經不能滿足多材料車身發展的需要。

  (3) 多材料車身的制造需要多種工藝的支撐。機械連接與固相連接相複合成為未來汽車連接技術發展的新方向。新型的複合連接技術距離生產應用仍有較大距離。

  作者:李永兵 、李亞庭、 樓 銘 、林忠欽

  來源: 1、上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室

  2、上海交通大學上海市數字化汽車車身工程重點實驗室

聲明:
1、本網站所有注明“來源:易緊通”的文字、圖片和音視頻資料,版權均屬于易緊通所有,非經授權,任何媒體、網站或個人不得轉載,授權轉載時須注明“來源:易緊通。
2、本網所有轉載文章系出于傳遞更多信息之目的,且明确注明來源和作者,不希望被轉載的媒體或個人可與我們聯系,我們将立即進行删除處理。
複制本文地址】 【打印該頁
相關新聞