钢铝混合车身连接技术及发展趋势

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源：中国一汽

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所谓钢铝混合车身是与传统钢车身相比，车身部分采用了铝板、铝型材、挤压铝、铸铝等材料。目前典型钢铝混合车身结构有两类，一是车身结构件采用铝合金，代表车型有凯迪拉克CT6、AudiA8、蔚来ES8等，二是门盖等开闭件采用铝合金，代表车型有AudiA6L、讴歌TLX等。

但无论哪种产品结构，铝合金材料的广泛应用，对传统车身焊接技术提出了挑战，传统车身电阻点焊工艺工作量占85%～90%，但由于铝合金焊接性比碳钢差，因此目前更多的车企以机械连接工艺取代传统电阻点焊工艺，以适应钢铝混合车身生产需要。

1. 全钢车身与钢铝混合车身

主要连接工艺对比对传统车身，由于低碳钢焊接性能良好，焊接效率高、成本低，电阻点焊具有不可取代的优势；而由于铝合金焊接性能远低于低碳钢，钢铝混合车身的连接工艺主要以机械连接辅以胶接。涂胶的作用一方面杜绝钢铝之间的电化学反应，另一方面增加车身强度。全钢车身与钢铝混合车身采用的主要工艺对比见表1。

2. 钢铝混合车身连接工艺分析

受车身材料、产品结构及连接工艺可靠性等因素影响，钢铝混合车身所用工艺明显多于全钢车身，目前主流钢铝混合车身所用连接工艺主要有包括三类：

（1）机械连接。如自冲铆SPR、热熔自攻丝FDS、无铆连接Clinch、高速射钉铆ImpAcT等。

（2）焊接。激光焊、CMT等。

（3）粘接。与机械连接、焊接复合使用。其中粘接工艺与传统车身基本相同，本文仅讨论机械连接与焊接工艺，钢铝车身主要连接工艺分析见表2。

3. 钢铝混合车身连接技术发展趋势浅析

20世纪80年代末，世界上欧、美、日等很多汽车生产厂家与铝业公司合作加强了对铝制汽车车身的研究，1995年德国奥迪公司首先开始批量生产铝制车身，把车身用铝的研究推向了高潮，铝合金在整车材料中的使用比例逐年提高。以Audi A8为例，从A8-D3的完全依赖铝合金降重到A8-D5铝合金与多种轻质材料共用，Audi A8轻量化车身材料见表3。

仍以Audi为例，A6L车身的连接工艺如图1所示，AudiA8车身的连接工艺如图2所示。

通过Audi车身材料和连接工艺案例，可以看出，Audi轻量化车身材料趋于在铝合金基础上多种轻质材料混合应用，Audi轻量化连接工艺最明显的是焊接工艺比重加大，如A8首次采用了铝合金电阻点焊、铝合金激光焊、铝合金MIG焊、摩擦元件焊接工艺。另有资料表明，Audi公司也在研究搅拌摩擦焊。

（1）铝合金电阻点焊

已量产钢铝车身车身中，铝合金电阻点焊成功应用案例并不多，只有MRD电极铝点焊、DeltaSpot电阻点焊等，MRD电极铝点焊为通用公司专利技术，DeltaSpot电阻点焊电极带成本高，都难以推广应用。因铝合金熔点低、热导率高、表面易氧化等特性，铝合金的焊接质量控制比传统钢车身要难得多，主要表现在：

• 焊点质量不稳定。飞溅较为严重、焊点表面质量差、熔核尺寸波动大和熔核内部容易产生缺陷等。

• 电极易烧损。电极表面的铜与铝合金存在强烈的合金化倾向，烧损严重。

因此铝点焊必须采用大电流、短时间、多脉冲、大电极压力，铝点焊对焊机、变压器及焊枪等的要求较高，传统焊机难以稳定输出铝合金电阻点焊所需要的大电流，因此使用受到限制。

随着铝合金材料应用比例日益增高，现在有越来越多的设备厂商开始研究铝合金电阻点焊技术，铝自适应控制器、双控制器、大球面电极等技术日益成熟，铝合金电阻点焊具备广泛应用的基本条件。

铝电阻点焊工艺与铆接工艺对产品结构设计要求对比示例见表4。

2017年12月投产的某新能源车铝合金电阻点焊应用已近全车身结构，具体情况见表5。

3.2 铝合金激光焊

铝合金激光焊具有如下优势：

• 热变形小。激光能量密度高，热输入量低，熔化区和热影响区窄，熔深深。

• 接头性能良好。冷却速度高，能得到微细焊缝组织。

• 工作效率高。

• 可实现远距离飞行焊。

但也存在以下缺点：

• 工件之间匹配精度要求高，表面需清洁干净。

• 夹具结构复杂，调试难度大。

• 设备投资高，维护成本高。

• 铝件需要进行表面处理去除氧化层。

（3）铝合金MIG焊

铝合金MIG主要采用冷金属过渡焊CMT方式进行焊接，CMT(ColdMetalTransfer)冷金属过渡技术将送丝与熔滴过程进行数字化协调。当焊机的DSP处理器监测到一个短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机做出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，使熔滴在无电流状态下过渡。工作原理如图3所示。

• 电弧引燃，向前送丝。

• 熔滴短路，电弧熄灭。

• 焊丝回抽，促使熔滴脱落。

• 向前送丝，焊接过程循环。

冷金属过渡焊设备成本相对低，零件匹配精度要求容易达成，但热输入量相对其他连接方式较高，焊缝缺陷不容易控制，铝件需要进行表面处理去除氧化层。

（4）摩擦元件焊接

是一种利用“元件”的高速旋转穿透上板板料（如铝合金），下层板料（如22MnB5硼钢）处于红热状态，并在压力的作用下，完成“元件”（钢质）与下层板料的焊接，从而形成稳固结合的一种新型连接技术。如图4所示。工作原理如图5所示。

• 预热。转动“元件”加热上层板料。

• 穿透。在轴向压力的作用下转动元件穿透上层板料。

• 熔化。转动的“元件”摩擦生热，并在压力的作用下，下层板料（钢板）的上表面处于红热状态。

• 焊接。“元件”与下层板料焊接，完成上下板料的结合。

具有以下优点：是一种少有的可以直接连接铝合金和高强钢的新工艺；无需预开孔；连接强度高，可相应减少铆钉的数量；可以与结构胶配合使用。

但也存在以下缺点：双面可达，必须双面都能操作；需要一个额外的连接元件；钉头突出，约3mm；在需要严格密封的位置（如销售区域为海洋环境），在钉头处需要使用密封胶。

（5）搅拌摩擦点焊

搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊的基础上新近研究开发的一种创新的焊接技术，其基本原理与缝焊相同，与搅拌摩擦焊FSW的区别在于，在搅拌摩擦点焊过程中，搅拌头相对工件不做直线运动，焊接完成后仅在固定位置得到一个点焊接头。

与传统的电阻点焊、铆接等相比，可实现钢铝异种材料连接，具有接头强度高、质量好、性能稳定、绿色无污染等优点。

搅拌摩擦点焊分为非填充式和填充式两种，钢铝混合车身所用的是填充式，如图6所示。搅拌摩擦焊原理如图7所示。

• 摩擦生热阶段。搅拌活塞压紧工件，搅拌针和搅拌套贴紧工件表面旋转加热工件，使材料塑化。

• 下扎阶段。搅拌套旋转压人材料内部，搅拌针旋转上升，材料流向搅拌针区域。

• 回填阶段。搅拌针旋转下压，搅拌套旋转上升，材料流向搅拌套区域。

• 撤离阶段。搅拌活塞、搅拌针和搅拌套下表面平齐后，脱离工件表面，搭接工件被焊点连接成一体。

铝合金焊接技术随着研究的深入，理论技术的成熟，新工艺设备的开发，许多焊接问题迎刃而解。可以看出未来材料连接技术的发展方向：对传统技术的优化以及新技术的开发，降低连接成本，改善焊接的连接性能；降低能源的消耗，开发高效节能的铝焊接技术；开发标准化、模块化、通用化的连接设备。

（本文完）