汽车车身钢—铝搭接连接技术的研究现状

汽车车身钢—铝搭接连接技术的研究现状

作者：曹霞张书权栗慧姚君山

来源：《机械制造文摘·焊接分册》2017年第04期

摘要：目前汽车车身钢-铝搭接的连接方式有机械连接、焊接和粘铆复合连接三种方式。为适应汽车轻量化的趋势，单一的连接方法已经满足不了钢-铝搭接接头性能的要求，其连接技术亟待创新。突破传统的工艺局限，在钢-铝中添加夹层（或粘结剂），采用特制的搅拌头进行热致搅拌摩擦点焊或是激光点焊。钢-铝接头的连接机理、过程形成特征以及接头受力、力学响应特征是当前研究的主要发展趋势。论文概述了其搭接连接的研究现状及成果，并展望了前景。

关键词：搭接；点焊；轻量化；钢-铝；接头性能

中图分类号： TG 4

The status quo of car body steel and aluminum lap connection technology

Cao Xia， Zhang Shuquan， Li Hui， Yao Junshan

（School of Mechanical & Vehicle Engineering， Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002， China）

Abstract： At present， mechanical connection， welding and rivet-bonded hybrid joining are the main connection modes of steel-aluminum lap for car body. But with the trend of automobile lightweight， a single connection method cannot meet the performance requirements of the steel-aluminum overlap joint. The connection technology needs to be innovated to break through the limitations of traditional methods. Steel-aluminum lap added with inter-layer （or binder） can be connected by thermally friction stir spot welding （FSSW） or laser welding using a special stirring tool. It becomes a tendency to investigate the steel-aluminum joint connection mechanism， the formation characteristics and the response characteristics of joint bearing capacity based on this welding method. The development of the steel-aluminum lap joint is reviewed and prospect of this field is previewed in this paper.

Key words： lap connection； spot welding； lightweight； steel-aluminum； property of joint

0 前言

随着石油能源危机和汽车废气排放污染问题的日益突出，汽车轻量化已成为必然趋势，为保证汽车综合性能，寻求总体最优化，车身常选用高强钢，以及高比强度高比刚度的铝合金、镁合金和复合材料等新材料，而高强钢-铝合金搭接（后文简称“钢-铝搭接”）是车身结构中常

见的结构形式之一。钢-铝搭接的连接部位通常是应力集中区，其受力情况复杂且高度非线性，直接影响车身整体结构的碰撞性能，从而成为失效的发源地，并带来异种金属间的电偶腐蚀问题。因此，钢-铝搭接的连接技术，是汽车车身轻量化的难题之一。目前适于汽车车身钢-铝搭接的连接技术主要有：机械连接、焊接和粘铆复合连接技术。1 钢-铝搭接的机械连接技术自穿孔铆接和冲铆连接是常用于钢-铝搭接的机械连接技术。

1.1 自穿孔铆接（Self-piercing rivet，SPR）自穿孔铆接是一种通过半管型铆钉穿透上层工件，扩张到下层工件内，形成机械互锁的低温成形工艺。其连接过程如图1所示。该技术适用于同种和异种材料的双层和多层连接，而且可以克服铝、镁、钛等合金材料难以实现电阻点焊的缺点，实现铝-镁、钢-铝、钢-镁之间的连接[1-3]。目前已广泛应用于奥迪A8、捷豹XJ全铝车身，宝马新5系/7系钢-铝车身，以及欧洲“超轻汽车（SLC）”项目中的铝-铝、镁-铝、钢-铝间的连接。

1.2 冲铆连接（Clinch joint）亦称冲压连接或锁接，它在凸模、压边圈和凹模的共同作用下，通过局部塑性变形形成自锁点实现连接，其工艺过程如图2所示[4]。与自穿孔铆接相比，它不需要铆钉，降低了成本；且在连接形成过程中，工件的防锈镀层或漆层也随之一起塑性变形流动而不会撕裂损伤，故零件表面以及连接点处的强度和抗腐蚀性不受影响；适用材料范围广，目前已被广泛应用于大众帕萨特、捷豹XJ全铝车身、Volvo S80轿车钢-铝车身结构中。Y.Abe和T.Kato等人[5]通过实验和仿真证实了铝合金-低碳钢和铝合金-高强度钢之间进行冲铆连接的可行性，并发现铝合金在凸模侧时，铝-钢的可连接性最好。Chan-Joo Lee等人[6]对

A5052铝合金和厚度1.6 mm，2 mm的DP780高强度钢，进行铝上钢下的冲铆连接，研究了压边圈和凸模之间的间隙、凹模深度、凹模半径、凹模沟槽形状等因素对连接点颈厚值和自锁值的影响规律。

2 钢-铝搭接的焊接技术传统的电阻点焊并不适用于汽车车身的钢-铝搭接，因为：两者间的固溶度较低、热物理性能差异较大，熔化的铝与钢极易反应生成脆性的金属间化合物从而降低接头力学性能[7]；两者间的电极电位相差较大，接头会存在着电偶腐蚀问题[8]；两者热膨胀系数相差较大，焊接时容易引起内应力以及装配失效。适合钢-铝搭接的焊接技术主要有：扩散焊、冷金属过渡焊、钎焊和熔钎焊等[9]。目前开发的能满足钢-铝间可靠连接要求的新型连接工艺有：搅拌摩擦点焊、激光点焊[10-12]。2.1 搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）搅拌摩擦点焊，有匙孔型、无孔型两类。匙孔型FSSW原理[13]如图3，搅拌头与轴肩一体，通过搅拌头插入→搅拌→拔出三个阶段完成，焊后留有匙孔。已成功应用在Mazda

公司RX-8跑车铝合金车身的搭接点焊、MX-5跑车的铝合金行李箱盖-钢栓定位器的连接上。

无孔型（即回填式）FSSW原理[13]如图4，搅拌头由搅拌针、套筒、夹套三部分组成（搅拌头和轴肩分离），通过控制三部分的相对运动使搅拌头在回撤的过程中填满之前形成的匙孔。通过摩擦加热→搅拌流动1→搅拌流动2→焊接成形，其点焊接头平整且不带匙孔、接头力学性能优于其他形式的搅拌摩擦点焊接头，但搅拌工具较复杂，效率偏低。