隨著全球汽車保有量的增加，汽車尾氣排放成為全球性溫室效應的主要原因之一，汽車輕量化是解決能源排放的最佳途徑之一。文章主要介紹了輕量化鋁合金車身各種連接技術，對推進輕量化車身制造有一定的參考借鑒作用。
得益于國內經濟持續增長和人民生活水平不斷提高，2009 ～ 2020 年中國汽車產銷連續 12 年穩居世界第一，但汽車大國遠非汽車強國。節能和新能源汽車是實現我國汽車產業升級換擋的重要途徑，輕量化是新能源汽車發展的一個主要議題，而鋁合金連接技術是輕量化車身工藝主要瓶頸之一。
鋁合金車身輕量化
車身輕量化材料一般有輕合金、高強度金屬材料、工程塑料、碳纖維增強復合材料和陶瓷材料等。鋁合金由于具有密度?。▋H為鋼或銅的約 1/3左右）、導電導熱性能好、優良的塑性和可焊接性好等特點，賦予鋁合金車身優秀的輕量化效果，使整車動力性、操控性和燃油經濟性都得到很大提升，良好的加工工藝性使鋁合金能塑造極美的車身曲面，超強的耐腐蝕性能，鋁合金表面氧化形成一層致密的氧化層與鋁基體牢固結，合從而對車身形成嚴密保護。
全鋁車身最大的問題，一方面是純鋁的冶煉和鋁合金的加工成本都較鋼更高，因此鋁合金的價格較高，另一方面是加工工藝比較復雜，特別是鋁合金連接工藝的復雜性和自動化程度要求都遠高于傳統車身。
據報道，電動汽車使用鋁合金車身車重每降低 10％，則電耗降低 5.5％，續航里程增加 5.5％，而增加相同里程需增加電池成本遠高于此。如大眾 e-Golf，通過使用全鋁車身成功減重 187 kg，優化電池配置后成本降低 635 歐元。Model S、Model X 和蔚來 ES8 據報道也采用全鋁車身，而入門的 Model 3 則采用成本更低的鋁鋼混合材料。
在可預見的未來，續航里程將長期是衡量純電動汽車的最重要指標之一，鋁制車身帶來的百公斤級減重必然是定位高端電動汽車十分看重的一點，而全鋁車身更大范圍的應用或許能夠有助于這一技術降低門檻，未來逐步下沉到入門車型。
鋁合金車身連接技術
鋁合金與傳統的鋼材在晶體結構和物理屬性上存在較大差異。例如，鋼的熔點為 1 536 ℃，而鋁合金熔點僅為 660 ℃，鋁合金的熱導率、電導率遠遠高于鋼。這些都導致傳統焊接工藝難以實現可靠連接。目前解決新能源汽車輕量化車身連接的主要技術路徑有：MIG/MAG 焊、自適應電阻點焊、激光焊、激光電弧復合焊技術、攪拌摩擦焊、鎖鉚、沖鉚連接（TOX 無釘和 SPR 有釘沖鉚）、自攻螺接 FDS 及膠接或聯合使用幾種方法完成輕量化車身連接。
車身輕量化有多種技術路徑，在材料和工藝兩種輕量化方面，各公司采取了不同的技術路徑。據報道 AUDI A8 共采用了 14 種連接方法。奇瑞捷豹路虎采用 SPR 技術完成 3 700 多個帶釘自沖鉚接，來自瑞典 HENROB 公司的專利自沖鉚鉗，每把鉚鉗 70 萬～ 130 萬元人民幣，鉚釘每個 0.5 元。上海通用凱迪拉克 CT6 車型使用專利電阻點焊（同心圓電極技術）、SPR、FDS 和膠接技術聯合完成新型輕量化車身連接。
1．鋁合金點焊（RSW）
鋁電阻點焊是一種傳統的焊接工藝方法，工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法?，F階段由于車身輕量化需求，需從電源和焊槍入手，來解決傳統鋁焊接電極壽命短、生產效率低的問題。
近年來，依靠伺服馬達驅動的伺服焊槍以及中頻逆變直流MFDC 電阻點焊設備，具有電極壓力精準、焊接電流平穩、響應快速等特點，正逐漸被推廣應用。中頻逆變自適應直流電阻焊具有反饋控制響應速度快、輸出穩定性好、熱效率高、焊接時間縮短、功率損耗很小、節能效果明顯且設備體積小等優點。整體而言，該設備功率因素達到 95％，節約能量達 30％以上，電極壽命提高 1 倍以上，焊接鋁及鋁合金等導熱性高的金屬效果顯著，質量更穩定可靠。
上海通用凱迪拉克 CT6 生產線應用 GM（通用汽車公司）專利技術的表面有特殊環狀紋路（Multi-Ring Domed Electrode）螺旋狀電極鋁合金點焊技術（圖1），伏能士（Fronius）電極帶式鋁點焊（DeltaSpot），都是實現鋁合金車身點焊的技術途徑。
▲圖 1 螺旋狀電極鋁合金點焊
2．鋁弧焊
鋁熔點低， 只 有 550 ～660℃，熱膨脹系數是鋼的 2 倍，導熱性是鋼的 4 倍，因此焊接變形及焊接應力增加，需要采用低熱輸入量焊接工藝（如 CMT、激光和等離子弧焊技術）。由于鋁合金吸熱后極容易熱應力集中，造成板件開裂，MIG 焊時目前主要采用 2 種方式減少產生熱量，即機械截斷式和電源截斷式，通過引弧—熄弧—再引弧的重復方式減小熱量的輸入。為解決高能量密度弧焊對零部件裝配間隙的要求，激光—電弧復合焊技術將來也有一定發展前途。
3．自沖鉚接（SPR）
SPR 屬于冷連接技術，使用大壓力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，待鉚接板材在鉚釘的壓力作用下和鉚釘發生塑性變形，成形后充盈于鉚模之中，形成穩定連接的一種全新的板材連接技術。
▲圖 2 SPR 連接工藝
SPR 獨特的連接方式，可有效克服鋁合金、鎂合金和鈦合金等輕金屬材料導電和導熱性快、熱容小、易氧化及難以采用傳統的連接方法進行焊接的缺點。
SPR 的工藝優點主要有：（1）不僅適于同種材料之間的連接，而且能夠實現鋁 / 鎂、鋁 / 鋼、鎂 / 鋼、鋁合金 / 鎂合金 / 高強度鋼等金屬材料和高分子材料 / 復合材料的同質和異質材料的雙層及多層連接；（2）鉚接過程能耗低、無熱效應、不會破壞涂層。
SPR 的工藝缺點主要有：（1）不同材質、厚度及硬度的接頭組合需要不同的鉚釘、沖頭及沖模，鉚釘成本較貴；（2）設備系統成本遠高于電阻點焊，鉚接點的平面凸起 2 ～3 mm，2 層板連接后再與第 3層板連接時，對進槍的方向有限制；（3）只能使用 C 形鉚接槍，雙側需要預留進槍空間（無法應用于封閉型腔）。
4. 無鉚釘自沖鉚接（Clinching）
Clinching 屬于壓力連接的一種，利用板件本身的冷變形能力，對板件進行壓力加工，使板件產生局部變形而將板件連接在一起的機械連接技術。
Clinching 與 SPR 工藝相比，優點有：（1）它不需要額外的鉚釘，總成本要明顯低于 SPR 連接；（2）在連接成形過程中，板件的防銹鍍層或漆層也隨之一起塑性變形流動而無撕裂損傷，因此，不會對零部件表面造成破壞，也不會影響連接點處材料的抗腐蝕性及強度。
缺點：目前其在車身結構上的應用主要局限于車門、發動機罩、行李箱蓋、輪罩等強度要求相對較低的部件上，其應用范圍并不如 SPR 廣泛，主要原因在于其連接強度不如鋼鋁混合車身，而鋼鋁混合車身結構對連接點強度的要求更高。
5．熱熔自攻螺釘（FDS）
熱熔自攻螺釘鉚接，又稱流鉆螺釘（Flow DrillScrew）技術。FDS 原理是利用螺釘的高速旋轉產生的熱量軟化待連接板母材，并在巨大的軸向壓力下，擠壓并旋入待連接板實現鉆孔和攻絲，最終在板材與螺釘之間形成螺紋擰緊連接，而中心孔處的母材則被擠出，并在下層板的底部形成一個環狀套管。FDS 工藝過程六階段如圖 3 所示?！ ?40.webp.jpg
▲圖 3 FDS 工藝過程六階段
FDS 工藝的優點主要有：（1）因為螺釘不需要變形，因此可以用來連接包括超高強度鋼、鋁鎂合金和復合材料在內的異種材料；（2）單面進槍可用于封閉型腔結構、壁厚或封閉腔體，無法使用 SPR 或 Clinching 的情況；（3）板件被加熱，板件與螺釘接觸好、連接強度大。
FDS 工藝的缺點主要有：（1）設備系統成本遠高于電阻點焊，鉚釘成本高；（2）單面施力，連接時需要高強度剛性支撐；（3）操 作 時 間 長， 約 為5 ～ 8 s ；（4）工藝完成后，材料正反面均有較大凸起，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；（5）因為下層要鉆穿，接頭的防腐能力會下降。
6．鎖鉚（Rivet）
鎖鉚連接主要特點有：（1）輔料成本高，Rivet 比FDS 的價格要貴 1 倍，因此設備壓力遠遠大于 FDS，造成設備成本較高，同時導致設備笨重；（2）噪聲大，必須建設單獨廠房，對生產廠房空間要求高；（3）連接時相對熱變形小，板件匹配效果好；（4）無法拆卸，相對 FDS返修更加困難。
7. 攪拌摩擦焊
攪拌摩擦焊是一種可用于各種合金板焊接的固態連接技術。與傳統熔焊方法相比，攪拌摩擦焊無飛濺、無煙塵，不需要添加焊絲和保護氣體，接頭無氣孔、裂紋，與普通摩擦相比，它不受軸類零部件的限制，可焊接直焊縫。這種焊接方法還有一系列其他優點，如接頭的力學性能好、節能、無污染、焊前準備要求低等。由于鋁及鋁合金熔點低，更適于采用攪拌摩擦焊。
摩擦塞鉚焊 EJOWELD 是一種新型連接技術，利用“釘子”的高速旋轉穿透上板板料（如鋁合金），并利用釘子和下層板的旋轉摩擦生熱熔化下層板料（如 22MnB5 硼鋼），并在壓力的作用下完成“釘子”（鋼質）與下層板料的焊接，從而形成穩固結合。
摩擦塞鉚焊 EJOWELD 的優點主要有：（1）是一種少有的可以直接連接鋁合金（如 6061）和高強度鋼（熱成形硼鋼 22MnB5）的新工藝；（2）無需預開孔。
摩擦塞鉚焊 EJOWELD 的缺點主要有：（1）雙面可達，必須雙面都能操作；（2）需要一個額外的連接元件；（3）在需要嚴格密封的位置（如海洋環境），釘頭處需要使用密封膠。
8. 結構膠（Adhesive）
膠粘連接在汽車工業中的應用已經有很長的歷史，與其他連接方法相比，膠粘連接有其獨特優勢，粘接采用面接觸，而非點或線接觸。與點焊及鉚接相比，不易產生應力集中，連接強度、剛度和疲勞強度也相對較高，而且連接范圍廣，應用于各種輕金屬、鋼材以及其他不同材料的連接。
膠粘劑在車身上的應用，最初是以防腐和密封為目的，后來逐步發展到對連接的剛度和強度也提出較高的要求。新一代結構膠粘劑具有高強度、高剛度的特性，同時在沖擊載荷的作用下，又具有足夠的韌性和柔性，能夠滿足車身結構的需求，整車性能得以提升，從而擴大了膠粘連接的應用范圍。
目前，結構膠在各大主機廠中的單車用量呈逐漸上升的趨勢。
連接工藝方式主要取決于車身材料、結構設計及設備水平。綜合考慮高質量、高效率、節省投資、維修備件、節約輔材、操作便利及節能環保等因素。目前國內輕量化車身應用較多的是點焊、Clinching 和 SPR 連接技術。連接工藝不是孤立存在的，不同的連接工藝可以通過自動工具切換系統來完成，以滿足行業柔性化的需要。目前鋼鋁混合車身的設計開發、材料成型制造工藝及連接設備等還處于研發應用推廣中，需要更多高校、科研機構、汽車廠以及設備供應商加強溝通和合作，相信不久會很快掌握輕量化車身連接技術并逐漸推廣應用
結論
?。?）鋁合金是車身輕量化的重要發展方向，鋁合金連接是其關鍵工藝；
?。?）由于車身造型特點和設計規范的差異，各種車型采用了不同鋁合金連接技術，從技術傳承及經濟合理性預測，電阻點焊、CMT 焊、高能密度焊接和膠接有較大的發展前景。
