汽车工业中轻量化必备铝连接技术

　　用铝及铝合金制造汽车零部件具有明显的减重节能效果，以铝代替钢铁制造发动机可减重30％，汽车铝车轮可减重30％左右，铝制轿车车身更是比钢制品轻40％以上。汽车每使用1kg铝可降低自重2.25kg，减重效应高达125％，在汽车整个使用寿命周期内可减少废气排放20kg。一辆汽车若减重10％，可相对减少6％~8％的燃油消耗，燃油效率提高5.5％。汽车的轻量化除了降低油耗还有利于改善汽车在行驶、转向、加速、制动等多方面的性能。

　　国外，早在1990年，本田公司就已经向市场推出了全铝车身的NSX型小汽车。2009年北美汽车的平均用铝量可达157kg/辆。福特汽车公司宣称2020年单车铝镁合金用量将上升到90kg。德国大众汽车公司要在每一辆轿车上设计含有80kg以上的镁铝合金零件。奥迪汽车公司已经将铝合金车身用于成批生产的轿车。奥迪A8车身已经采用了第一代铝合金空间构架Aluminum-Space-Frame(ASF)，并且积累了经验，也在奥迪A2车身上使该技术得到进一步发展。

　　目前汽车轻量化用材铝件的连接工艺有十多种，分别为点焊、螺柱焊、弧焊、自攻螺丝连接(FDS)、自冲铆接工艺(SPR、TOX)、激光焊、粘接、压铆、拉铆、搅拌摩擦焊、电子束焊接。使用频率最高的主要为FDS工艺、SPR工艺、螺柱焊工艺和铝点焊。

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　　SPR工艺

　　SPR工艺称为自冲铆接技术，通过液压缸或伺服电机提供动力将铆钉直接压入待铆接板材，待铆接板材在铆钉的压力作用下和铆钉发生塑性变形，成型后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接的一种全新的板材连接技术。具体过程如为：铆鼻首先压住被铆接板材，铆钉被铆杆施压嵌入，穿透上层板材，并扩张进入下一层板材，而后铆钉与板材一起扩张，充满铆模，铆钉腿部向四周翻开形成“钮扣”，从而完成上下板材牢固的连接(如图1)。

　　自冲式铆接技术的优点：

　　·冷连接工艺，适用于多层、多种类型板材连接。

　　·工序完成迅速，可满足大批量生产需求。

　　·铆接点强度很高，寿命长。

　　·连接重复精度高。

　　·铆接质量可以通过目测检查。

　　·无需预先开孔，保护涂层镀层，提高防腐蚀能力。

　　·环境友好型清洁工艺，无烟、汽、火花产生。

　　目前汽车中一般用于铝铁等异种金属的连接(见图2、3)。

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　　FDS工艺

　　FDS(Flow Drill Screws)特制的轻质自攻螺钉和铆钉充分利用螺钉自攻时产生的热量，形成紧密连接接头，防止部件锈蚀，大大提升了铆接的强度。FDS可用于异种金属或同种金属的连接。目前铝车身中大量使用该工艺。图4为奥迪A8中仪表板工位的FDS工艺点图，图5为FDS设备图。

　　FDS工艺为单面施工，工作时枪对工件的冲击力大，需焊接夹具有足够的支撑力。且机器人工作时需钉子与零件垂直，否则铆接点为失效点。因此，该工艺对机器人示教要求高。

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　　铝合金螺柱焊

　　铝材螺柱焊不同于碳钢螺柱焊。因铝的特殊性，表面易氧化生成耐高温氧化膜，焊接时采用交流变频焊接加纯氩气保护。铝合金与碳钢设备的主要区别如表1所示。

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　　铝点焊

　　铝点焊是连接工艺中较难的一种。目前主要有Fronius公司的Deltaspot(铜带铝点焊)方式和北美螺旋电极帽点焊方式。

　　因铝的熔点低，线膨胀率高，导电率高等特性，铝点焊的焊接工艺规范一般是碳钢的3倍左右(区别见表2)。高的电流易产生强磁场，因此焊接工装需防磁；高的压力需焊枪结构牢固可靠，焊枪重量高达190kg(见图6)；高的容量，焊接变压器一般两个并联使用等。

　　轻量化的推进，必然促使铝合金在汽车工艺中的快速运用。铝合金的运用取决于铝连接工艺的发展。因此，铝连接的新工艺会得到快速发展。