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汽车工业中的铝连接技术

原标题:汽车工业中的铝连接技术

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。

如今,随着汽车轻量化要求提高,铝材料在汽车上将会得到更加广泛的应用,特斯拉铝钢混用,蔚来汽车ES8更是采用全铝车身,用量达高到99%;传统汽车中的揽胜也号称采用全铝车身。。。

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。

来源:汽车材料网

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