康洁 陈玮 张铁 汪沛伟 龚侃
摘要：采用轻质铝合金代替传统钢材是车身轻量化最行之有效的方法，但铝车身结构的连接方法成为其普及的制约因素之一。本文在连接特点及卫艺流程方面介绍了两种主要的铆接方式，并通过抗拉、抗剪试验得出铆接的连接强度优于铝板点焊这一结论。同时通过焊缝抗拉试验及焊接区域硬度分布的研究，总结出铝型材MIG焊后性能下降的趋势。最后根据上述研究结论，将铆接、MIG焊两种连接方式在铝合金车身上应用，该车身结构在碰撞、耐久、模态等方面均达到常规车水平，為后续铝车身结构的应用提供了参考。
关键词：铝合金车身；连接方法；铆接；焊接
1.背景
随着节能和环保意识越来越强，轻量化车身已经成为汽车发展的趋势之一。研究表明，当整车质量降低10%时，燃油经济性提高3.8%，加速时间降低8%，CO排放减少4。5%，刹车距离减少5%，轮胎寿命提高7%，转向力减少6%m。由此可看出汽车轻量化的重要性。通常来讲，采用轻质高强材料来代替传统的钢材是最有效的方式。对于铝材，在满足相同试验和机械性能条件下，它比钢轻60%，例如奥迪A8轿车在采用铝车身后，整车质量可以减少15%。根据近三年的Euro CarBody数据统计，应用铝材的车身结构占到总数的70%以上。
常规车身的连接方式中电阻点焊占据绝对的主要地位，但由于铝材的电阻率低、导热率高，导致电阻点焊很难形成合格的熔核，因此适用于铝合金车身的连接技术的研究及应用势在必行。本文主要针对铝材的MIG焊接和铆接两种连接的工艺性、连接强度以及对结构设计的限制进行了介绍，为其广泛应用提供参考。
2.铝材铆接方法简介
2.1半空心自冲铆接
半空心自冲铆接（SPR）是SPR铆钉在外力的作用下，通过穿透第一层材料和中间材料，并在底层材料中进行流动和延展，形成一个相互镶嵌的塑性变形的铆钉连接过程嘲，如图1所示。该铆接点具有较高的抗拉强度和抗剪切强度，与粘胶工艺结合使用，可实现防水、隔音和降噪功能，适用于板材和板材之间的连接。
SPR工艺过程为：压边圈首先向下运动对铆接材料进行预压紧，防止材料在铆钉的作用下向凹模内流动；然后冲头推动铆钉向下穿刺上层材料；在凹模与冲头的共同作用下，铆钉尾部在下层金属中张开形成喇叭口形状所致铆接材料，达到连接目的。如图2所示，主要分为定位、预紧、挤压、穿刺、镶嵌、成型几个工序。铆接原则为：由薄板压人厚板、由硬板压入软板、由非金属压入金属板。
SPR铆点具有动态疲劳强度高、重复生产可靠性好、可无损检测连接质量等优点，同时还可以实现不同材料不同厚度组合、不同硬度不同强度组合、多层材料、中间层由结构胶组合的连接。由TSPR无需进行连接的前后处理、工序简单、效率高、操作能耗低，所以其综合成本低，已成为目前铝合金车身应用最广泛的连接方式之一。
2.2高速穿刺铆接
高速穿刺铆接是铆钉在冲击外力的作用下，高速穿透被连接材料，瞬间高温和挤压使底层金属材料流动到铆钉螺牙之中并形成永久塑性变形的过程。该连接点具备较高的抗拉强度和抗剪切强度，是一种单侧连接工艺，适用于板材与型材之间的连接，如图3所示：
高速穿刺铆接工艺流程如图4所示，主要分为定位、冲击、刺穿、成型。铆接原则为由薄板冲到厚板、由硬板冲到软板。该连接方式也大量应用在铝车身上，主要部位为板材与型腔的贴合面以及无法实现双侧连接的部位，如门洞内外板与A柱、B柱的连接。
3.铝板材铆接性能研究
根据某车型的铝板材应用，将四种不同厚度组合、材料为5052H32的铝板进行SPR连接。SPR连接后四种组合的剖面如图5所示，铆钉已穿刺上层铝板，并在下层铝板中流动和延展，形成了一个相互镶嵌塑性变形，因此两层铝板的SPRSE艺是可行的。然后对铆接点进行抗拉、抗剪强度试验，各重复进行五次试验后取平均值，作为SPR连接点的抗拉、抗剪强度值。抗拉强度试验与抗剪强度试验样片规格如图6所示：
按上述试验方法取得试验数据如表1：
按照上述试验过程重复完成高速穿刺铆接的连接强度试验。以1.2mm+1.2mm铝板组合为例，其与点焊的性能对比如表2所示。可以看出。SPR、高速穿刺铆接两种连接强度均高于普通铝板点焊。同时铆接具有能耗低、设备投入小、环境污染小等工艺优点，所以铆接在铝车身的连接设计上具有较大的优势。
4.铝型材焊接性能研究
目前全铝车身有一种结构形式为铝型材组成承力框架然后再用铝板密封，而铝型材与铝型材的连接方式主要为MIG连接。基于此开展了铝型材MIG焊的性能研究。
根据某车型上应用的不同材料及料厚的铝型材，然后配合不同的焊接工艺及焊丝组合形成试验矩阵。将焊接样件进行抗拉试验，记录屈服强度、抗拉强度数值以及断裂位置距焊缝中心的距离，形成试验数据如表3所示。
从上述试验可以看出，铝型材MIG焊后热影响区强度急剧下降，最弱位置处在焊缝中心两侧10mm左右的区域，且屈服强度只有母材的50%到60%。
为验证这一结论，选取材料为6082-T5、厚度为2.6mm的型材进行MIG焊接，焊丝为5087。完成焊接后以焊缝中心为原点向两侧扩展，测量各位置的维氏硬度，得出试验结果如图7。充分验证了上述结论的正确性。
5.应用验证
某纯电动汽车采用桁架式全铝车身结构，如图8所示。其综合运用了铝铸件、铝型材、铝板材等多种零件形式，结构方案为铝型材构成框架然后覆以铝板达到安装、密封的作用。在连接形式上，该全铝车身采用了SPR铆接、高速穿刺铆接、MIG焊等多种连接方式。
根据各连接方式的主要特点，同时考虑到白车身性能要求、工艺水平、生产效率等因素，其连接方式的策略为：铝型材与铝型材采用MIG焊接、铝型材与铝板材采用高速穿刺铆接、铝板材与铝板材采用SPR连接。
在铆接实车应用前，除了第3节所述的铝板材铆接性能研究外，还对SPR、穿刺铆这两种连接方式进行了多次工艺试验，积累数据总结出铆点间距、铆接厚度、铆接方向、铆接结构限制等设计规范，同时还完成了不同板厚及不同材料的压力值、操作规范等工艺要素。
根据上述研究的积累及两种铆接方式的主要工艺特点，形成了如下所述的铆接应用方案：门洞止口、侧围、后围等铝板件与铝板件之间采用SPR连接，共用铆点160个；在地板梁与地板、A柱与侧围、B柱与侧围等铝型材与铝板材之间的连接采用高速穿刺铆接，共用铆点431个。如图9所示为门洞止口区域的SPR连接方案及实际操作。
尽管铝型材MIG焊后热影响区性能下降明显，但目前并没有较好的连接方式来替换型材的对接、T型接头。这就要求在进行结构设计时，必须考虑到接头两侧的弱化现象，同时进行最大限度的规避。主要方法为尽可能的加大焊缝之间的距离，以免由于焊缝密集导致同一区域经过多次热影响后材料性能出现几何式下降；重要安装点及承力结构与焊缝之间需满足一定的安全距离，必要时建议选用铝铸件或者钢板件与型材进行铆接、螺接来代替MIG焊。
进行仿真分析时，焊接接头两侧需进行弱化处理以尽可能模拟实际状况。弱化最合理的方式为根据焊后性能下降的趋势在模型上附以不同材料性能，但这种方式仿真难度大、耗时长。该全铝车身在仿真过程中提出了一种简化方式，即将焊接区域进行减薄处理。选用抗拉强度为310MPa的6061-T6焊接型材进行抗拉试验，在38.93KN时焊接热影响区断裂，如图10所示。进行CAE仿真时，在型材两侧施加38.93KN的力，发现无处理的焊接区域其应力仅为175.6MPa，与材料抗拉强度相差较大，如图11a所示；而经过减薄处理的焊接区域应力为339.4MPa，明显高于型材其他区域且与抗拉强度基本相当，较好的模拟了试验情况，如图11b所示。充分验证了减薄处理应用于与铝型材MIG焊仿真也是可行的。
经统计该全铝车身共应用MIG焊40mL右，同时经过碰撞试验验证，减薄处理的接头变形模式与实车基本一致。
将上述车身结构进行白车身相关试验，并与性能目標进行对比，发现在碰撞、弯曲、模态、耐久等各项白车身主要性能方面均达到或超过了目标值。目前该纯电动车已顺利SOP，通过市场验证白车身的各项性能均达到主流常规车身的水平，最终验证了铝材MIG焊及铆接这两种连接方式的可靠性。
6.结论
基于铝车身的结构设计，对可应用与铝材连接的SPR、高速穿刺铆接、MIG焊等连接方式的应用及性能进行了初步的研究。可以得出高速穿刺铆接主要应用于铝板与型腔之间的单侧连接，SPR主要应用于板材与板材之间的连接，上述两种铆接的连接性能均优于铝板电焊。MIG焊应用于型材与型材的对接或铆接无法实现的区域，但焊接热影响区的材料性能下降明显。同时通过实车应用验证了上述连接方法的工艺性、可靠性，为以后铝车身的开发应用提供了经验积累。
