轎車車身輕量化及其對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)

摘要：2009 年中國以 300 多萬輛的優(yōu)勢，首次超越美國，成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國，比預(yù)計提前了 5～6 年。中國車市的優(yōu)異表現(xiàn)，不僅有效拉動了中國本土汽車產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，也為經(jīng)濟危機條件下世界汽車工業(yè)做出巨大的貢獻。然而，全球產(chǎn)銷第一帶來的不僅僅是欣喜，更多的則是壓力。中國汽車工業(yè)在技術(shù)水平、創(chuàng)新能力、品牌影響力以及國際競爭力等方面與世界汽車強國還有明顯的差距。與此同時，汽車工業(yè)也成為我國能源安全、低碳經(jīng)濟和城市環(huán)境的巨大負(fù)擔(dān)，使其發(fā)展受到限制，轉(zhuǎn)型迫在眉睫。汽車輕量化作為降低原油消耗和尾氣排放的重要手段，已經(jīng)得到世界各國的高度重視，成為世界汽車強國提高品牌競爭力的重要手段。對全球汽車車身輕量化的方法和發(fā)展趨勢進行綜述，分析車身輕量化技術(shù)的發(fā)展對焊接與連接的挑戰(zhàn)，并對新型的車身連接技術(shù)進行分析和評價，以對我國輕量化車身的設(shè)計與制造提供有益借鑒。

0 前言 ?

截至 2010 年，全球汽車總保有量首次突破 10 億，比 2009 年增長了近 2 000 萬，而 1986 年，全球汽車總保有量僅為5億。據(jù)美國 Wardsauto 雜志分析，2000 年以來，全球汽車保有量平均增長3.6%。其中美國是目前最大的汽車擁有國，汽車注冊量達2.398 億，中國首次超過日本位居第二，從 1 680 萬一躍到了 7 800 萬，幾乎是全球半年的增長率 [1] ，僅 2010 年汽車注冊量猛增 27.5%。汽車保有量的迅速增加充分證明了我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的穩(wěn)步提高，然而也對我國經(jīng)濟和社會發(fā)展造成巨大影響，反過來又制約了我國汽車工業(yè)的發(fā)展。

（1）能源安全。我國汽油的 70%左右是汽車消費的，柴油也有 40%左右是汽車直接消費的。據(jù)工信部 2011 年公布的我國原油對外依存度的最新數(shù)據(jù)，我國原油對外依存度已經(jīng)高達 55.2%，顯著超過我國能源安全警戒線，也超過了美國的 53.5%。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，今后幾年我國經(jīng)濟將保持 7%左右的增長速度，石油需求將以 5%～6%的年均速度增長。由于國內(nèi)石油產(chǎn)量增幅遠低于 5%，在目前新能源尚不能大面積替代化石能源的條件下，未來 5 年我國石油對外依存度還將逐步提高。汽車保有量增加對我國能源安全造成巨大壓力。

（2）氣候安全。氣候變化問題已成為影響人類社會發(fā)展和全球政治經(jīng)濟格局的重大戰(zhàn)略課題。發(fā)達國家汽車行業(yè) CO2 排放占國家總排放量 25%左右，專家預(yù)測我國汽車行業(yè)的 CO2 排放可能占總排放量 8%～10%。但隨著汽車總量不斷增加，汽車排放在我國總體 CO 2 排放中的比例也將增加。我國作為溫室氣體排放的主要大國，已成為全球關(guān)注的對象，面臨巨大的國際壓力 [2] ，已經(jīng)向國際社會承諾到2020年單位GDP CO 2 排放比2005年下降40%～45%。

（3）環(huán)境安全。一輛轎車每年排出的有害廢氣比轎車自重大三倍，并且其中含有 100 多種有害物質(zhì)。汽車尾氣正在成為空氣污染的“罪魁禍?zhǔn)住?。雖然我國新車行駛標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)推行到了更為嚴(yán)格的國4 階段，但汽車總保有量的飆升使得總體排放量增加。汽車仍然是機動車?yán)镒钪饕奈廴疚飦碓?，給城市空氣質(zhì)量帶來巨大的環(huán)境壓力。如何破解汽車工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護的矛盾也成了擺在政府、社會面前一個現(xiàn)實、迫切的難題。

工信部預(yù)計到2020年中國汽車保有量將超過2億輛，由此帶來的能源安全和環(huán)境問題將更加突出。石油安全將成為制約中國汽車工業(yè)發(fā)展的第一因素，油耗和排放也將成為中國汽車走向世界的絆腳石。因此，通過各種方式降低原油消耗和尾氣排放已經(jīng)成為中國汽車工藝亟須解決的重大課題。目前，大力推進傳統(tǒng)汽車節(jié)能減排和新能源汽車產(chǎn)業(yè)化已成為中國的國家戰(zhàn)略。中國科技部、發(fā)改委、工信部以及各地方政府均出臺政策鼓勵和扶持節(jié)能汽車和新能源汽車的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，以加快我國汽車產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型，擺脫對傳統(tǒng)化石資源和生物燃料的依賴。然而，由于我國電池、電機以及電控三大核心技術(shù)目前比較落后，新能源汽車的安全性、續(xù)駛里程以及高昂的成本仍然無法滿足市場的要求，便其短期內(nèi)無法成為市場的主流。

汽車輕量化作為降低原油消耗和尾氣排放的重要手段得到了世界各國的高度重視，已經(jīng)成為各國汽車品牌提高自身競爭力的重要手段。研究表明：汽車自重每降低 10%，可降低油耗 6%～8%，減少CO2 排放 13%，而且當(dāng)汽車自重降低時，其起步加速性能會更好，制動時的制動距離也會顯著縮短。

汽車輕量化已經(jīng)被列入我國“十二五”規(guī)劃綱要，我國《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中也明確指出發(fā)展新能源汽車要著力突破材料和結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)。

2012 年 1 月 1 日，強制性國家標(biāo)準(zhǔn)《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》（GB 27999—2011）執(zhí)行，旨在“推動我國汽車節(jié)能技術(shù)革新，鼓勵車輛小型化和輕量化，進一步降低乘用車單車燃料消耗量水平，縮小與國外先進水平的差距，從整體上控制我國乘用車燃料消耗量和二氧化碳排放,使我國乘用車平均燃料消耗量水平在2015年下降至7 L/100km左右，對應(yīng)二氧化碳排放約為 167 g/km。”根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)可以看出，輕量化仍是我國現(xiàn)階段實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)最為重要的手段之一。

汽車車身占整車總重的 30%～60%左右，汽車運行過程中約 70%的燃料是消耗在車身質(zhì)量上，使得車身成為汽車輕量化的關(guān)鍵。此外，車身減輕后，汽車動力系統(tǒng)的功耗也會降低，從而有利于減小發(fā)動機和減速箱的尺寸，實現(xiàn)整車的進一步減重。因此，車身減重在汽車輕量化中具有至關(guān)重要的地位。

本文對汽車車身輕量化的方法、要求和發(fā)展趨勢進行綜述，分析了車身輕量化對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)，并對新型的連接技術(shù)進行介紹，旨在對輕量化車身的設(shè)計與制造提供有益的借鑒。

1 汽車車身輕量化方法及發(fā)展趨勢

1.1 汽車車身輕量化的方法

汽車車身輕量化并非是簡單地將汽車重量減輕，而是在保證車身的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車車身質(zhì)量，同時要保證汽車車身的制造成本在合理范圍內(nèi)。目前有以下三種手段。

（1）使用輕量化結(jié)構(gòu)。即以車身零件的強度和剛度要求為約束，借助 CAE 優(yōu)化設(shè)計方法對零件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過車身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，以減小車身骨架和車身覆蓋件的質(zhì)量或數(shù)量，從而達到車身減重目的。優(yōu)化汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一。圖 1a 中通過擠壓形成的封閉型鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)(Audi space frame，ASF)、圖 1b 中通過輥壓成形的變截面結(jié)構(gòu)零件以及圖 1c 內(nèi)高壓成副車架，都是典型的輕量化結(jié)構(gòu)，在顯著減重同時能夠有效保證強度和剛度需求。

圖 1 典型的輕量化結(jié)構(gòu)

（2）使用輕量化材料。通過大量使用輕質(zhì)、高強材料實現(xiàn)車身大幅減重已經(jīng)成為車身輕量化最為主要的手段。這些材料主要可以分為兩類：一類是高強鋼材料，包括普通高強鋼、先進高強鋼（Advanced high strength steel，AHSS）以及超高強鋼(Ultra high strength steel，UHSS)。圖 2a 所示的奧迪A4(B8)就是通過大量使用高強鋼來實現(xiàn)有效減重；另一類是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等，圖 2b 所示的奧迪 A8(D3)全部采用鋁合金制造，具有非常顯著的減重效果。表 1給出了不同低密度材料替代高密度材料的減重效果，顯然通過鋁合金替代鋼可以獲得較好的減重效果，而且成本增加也相對較低。

注：a 包括材料和制造成本；下界是預(yù)測值。b 下界來源于 Powers(2000)，上界來源NRC(2000)。

（3）使用輕量化結(jié)構(gòu)材料。即采用特種加工工藝制成的具有輕量化結(jié)構(gòu)特征的車身用毛坯材料，包括激光拼焊板(Tailor welded blank，TWB)和連續(xù)變截面軋制板(Tailor rolling blank，TRB)。TWB 即采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，形成沖壓用坯料。基于這種技術(shù)，工程師可以根據(jù)車身各個部位的強度和剛度的需求，像裁縫縫制衣服一樣預(yù)先“量身定做”所需的拼焊板坯料，然后進行沖壓，從而達到節(jié)省材料、減輕重量且提高車身零部件性能的目的。TRB 指在板料軋制過程中通過計算機實時控制和調(diào)整軋輥的間距，獲得沿軋制方向上按預(yù)定的厚度連續(xù)變化的坯料板材。如圖 3 所示，這樣的變截面薄板根據(jù)零件的強度需求實現(xiàn)材料厚度的按需分配，經(jīng)加工后制成的汽車零部件具有更好的承載能力，且能輕量化效果顯著。TRB 繼承了 TWB根據(jù)零件強度和剛度需求變截面的技術(shù)，可顯著降低車身零件的數(shù)量，從而降低車身焊裝的復(fù)雜性。同時解決了 TWB 焊縫兩側(cè)應(yīng)力突變以及焊縫存在對成形過程和零件表面質(zhì)量的不良影響。

圖 3 TRB 在福特?？怂怪械膽?yīng)用

輕量化材料為車身輕量化提供了巨大的潛力，但輕質(zhì)材料的應(yīng)用需要新的輕量化結(jié)構(gòu)和工藝做支撐?？偠灾?，輕量化材料、輕量化結(jié)構(gòu)以及輕量化結(jié)構(gòu)材料三種手段相輔相成，為汽車車身輕量化帶來更多的空間和可能。要獲得最佳的汽車車身輕量化效果，必須以成本和性能為約束，借助先進的數(shù)字化手段，充分發(fā)揮三者各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)三種方法在車身上的合理化和精細(xì)化使用。奧迪的 ASF車身技術(shù)，就實現(xiàn)了輕量化材料和輕量化結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，使車身剛度提高了 60%，成為全球汽車車身輕量化的典范。

1.2 汽車輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢

通過使用輕量化材料來降低汽車自重已經(jīng)得到汽車工業(yè)的普遍關(guān)注，成為汽車車身輕量化的主流技術(shù)。目前主要有以下 4 種途徑。

(1) 高強鋼板替代普通鋼板。采用高強度鋼板代替普通鋼板，能使構(gòu)件厚度減薄，又能保證其使用性能，從而減輕汽車的質(zhì)量，而且鋼鐵材料價格便宜、工藝成熟，因此迄今仍然是汽車車身使用最多的材料。1993 年美國克林頓政府的 PNGV 項目就是通過高強度鋼替代普通板實現(xiàn)大幅減重。

1995年，18 個國家 32 家跨國鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合提出了“超輕碳鋼車身(Ultra light steel auto body，ULSAB)”概念，這種采用高強度鋼板制造的車身實現(xiàn)了更薄更輕的結(jié)構(gòu)，使車身減重達 25%。目前在汽車中使用的高強鋼已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代高強鋼具有強度越高延展率越低的特點。全球車企普遍采用的雙相鋼(Duplex steel，DP)、相變誘發(fā)塑性鋼(Transformation induced plasticity steel，TRIP)、烘烤硬化鋼、熱成形硼鋼都屬于第一代汽車鋼；第二代汽車鋼通過大量增加合金元素在增加強度的同時提升了鋼材的塑性，但是成本較高，限制了其在汽車中的規(guī)模應(yīng)用，代表鋼種是孿晶誘發(fā)塑性鋼(Twinning induced plasticity steel，TWIP)。第三代汽車鋼的性能和成本介于第一代和第二代汽車鋼之間，強度高、可塑性強，性價比更易被企業(yè)接受。目前仍然在開發(fā)之中，代表鋼種為淬火分配鋼。由于成本優(yōu)勢，第一代汽車鋼仍然是現(xiàn)階段汽車用鋼的主體。同時，在中國市場，通過高強鋼替代普通低碳鋼板仍然是汽車車身輕量化最為主要的方式 [8] 。2010 年，寶鋼與上海汽車集團股份有限公司共同簽署了《汽車用鋼輕量化戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，并宣布雙方將共同研發(fā)、應(yīng)用汽車用鋼輕量化技術(shù)，并將汽車輕量化列為上海汽車“十二五”汽車技術(shù)發(fā)展的一個重要路徑。

(2) 輕金屬材料替代鋼板。鋁合金因其密度低、比強度高，在顯著減重的同時仍然能夠大幅提高車身零部件的剛性。奧迪汽車公司1999年推出的AudiA2 便是世界第一款大批量生產(chǎn)的全鋁車身轎車，其采用全鋁空間框架結(jié)構(gòu)，平均油耗接近 3 L/100km。2004 年問世的捷豹 XJ8 也是采用全鋁車身，其車身剛性比舊款的鋼制車身提高了 60%，但質(zhì)量卻減少了 40%。但鋁合金由于成本高，目前在市面上銷售的全鋁車身汽車只有奧迪A8、R8和捷豹等豪華車型。

(3) 復(fù)合材料替代鋼板。復(fù)合材料因為密度低(鋁合金的 1/3 左右)、比強度極高、耐撞擊、抗斷裂韌度好、減振隔音性能好、可設(shè)計性好、耐腐蝕等一系列優(yōu)點，已經(jīng)得到汽車工業(yè)的重視。但由于成本較高以及許多和復(fù)合材料使用相關(guān)的技術(shù)仍然沒有解決，現(xiàn)階段復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用主要集中在豪華跑車和賽車上，如梅賽德斯—奔馳 SLR 跑車就通過高強度的碳纖維復(fù)合材料制成的車身來大幅降低整車質(zhì)量，而在普通乘用車上的使用則主要集中在保險杠等零件上。由于其與金屬材料相比具有無與倫比的優(yōu)點，可以預(yù)見復(fù)合材料在未來汽車車身材料中將占有越來越重要的地位。

(4) 多材料混合車身結(jié)構(gòu)。如圖 4 所示 [8] ，單純采用高強鋼板雖然具有較大的成本優(yōu)勢，但在現(xiàn)階段條件下采用高強鋼進行車身輕量化的空間已經(jīng)十分有限。采用輕金屬雖然可以獲得較好的輕量化效果，但是成本仍然較高。復(fù)合材料可以獲得最佳的輕量化效果，但是成本極高，無法規(guī)模應(yīng)用。綜合考慮成本與輕量化效果，德國學(xué)者 HAHN 等 [9] 提出“多材料輕量化結(jié)構(gòu)”(Mixed material constructions)概念，認(rèn)為合理的輕量化應(yīng)該是“合適的材料用在合適的部位”，多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計將代表今后汽車車身結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

圖 4 汽車輕量化的發(fā)展趨勢

2005 年，歐盟啟動了著名的超輕車項目（SuperLIGHT-Car，SLC）。在德國大眾汽車公司的主導(dǎo)下，通過 38 家汽車生產(chǎn)廠家、汽車零部件供應(yīng)廠商、高等院校和研究所 4 年的共同努力，在不顯著增加轎車成本的前提下，設(shè)計并制造出了減重達35%(101 kg)的超輕 A 級轎車車身。如圖 5 所示，為了提高減重的效果，在采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，該車身中大量使用了輕金屬，尤其是鋁合金，并采用了多種連接工藝支撐多材料車身的制造，如弧焊、MIG 焊、電阻點焊、冷金屬過渡(Gold metaltransfer, CMT)弧焊、自沖鉚接、抽芯鉚釘、流鉆螺釘、攪拌摩擦點焊和膠接等。目前已經(jīng)有多款量產(chǎn)的多材料車身，如寶馬 5/6/7 系車身上鋁合金的用量都達到了 18%以上，奧迪 TT/TTS Coupe 車身達到 68%，奧迪 TT/TTS Roadster 也達到 58%。通過在全鋼車身中逐步引入鋁、鎂、復(fù)合材料等低密度材料，即開發(fā)“多材料混合車身”，已經(jīng)成為全球汽車車身輕量化的必然趨勢。

圖 5 SLC 輕量化設(shè)計結(jié)果

2 多材料輕量化車身對連接技術(shù)挑戰(zhàn)

通過多種材料的混合使用可以有效減輕車身重量，為汽車工業(yè)的發(fā)展提供更多的機遇。然而，也對車身制造技術(shù)，尤其是焊接與連接技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。

2.1 電阻點焊工藝

電阻點焊因其高效率、低成本、易于自動化等優(yōu)點在鋼制轎車車身裝配中長期占主導(dǎo)地位，一輛典型的鋼制車身90%以上裝配量由電阻點焊工藝完成 。然而，多材料輕量化車身由于高強鋼的大量使用以及鋁鋼的混合使用，使得傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

2.1.1 先進高強鋼的電阻點焊

根據(jù)美國達科環(huán)球的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2007 年北美汽車用材中高強鋼用量達 44.6%，其預(yù)測 2015 年則會高達 68.5%，尤其是雙相鋼、復(fù)相鋼(Complex steel，CP)、相變誘發(fā)塑性鋼、孿生誘發(fā)塑性鋼等先進高強鋼以及烘烤硬化鋼將大規(guī)模應(yīng)用于汽車車身。高強鋼由于含碳量和合金元素增加，奧氏體穩(wěn)定性顯著增加，在焊點快速冷卻過程中不可避免會出現(xiàn)淬硬馬氏體，導(dǎo)致接頭容易產(chǎn)生界面斷裂。同時，由于點焊熔核結(jié)晶過程具有較強的方向性，導(dǎo)致接頭中容易出現(xiàn)合金元素偏析、結(jié)晶裂紋和氣孔，使接頭綜合力學(xué)性能變差。采用中頻逆變直流焊機精確控制能量輸入并配合焊后回火可以改善接頭性能，但會降低生產(chǎn)節(jié)拍、提高車身制造成本。磁控電阻點焊技術(shù) [12-13] 已經(jīng)證明可以宏觀上增大熔核直徑、微觀上細(xì)化晶粒，最終顯著提高接頭的靜態(tài)強度和疲勞性能，并改善界面斷裂(圖 6)，但是要應(yīng)用在實際生產(chǎn)上還有許多技術(shù)問題有待解決。

2.1.2 鋁—鋼的異種電阻點焊

由于輕金屬和鋼在電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熔點等諸多方面的顯著差異(表 2)，以及熔化焊時鋁鋼連接界面極易形成脆性相，采用傳統(tǒng)電阻點焊技術(shù)難以實現(xiàn)輕金屬與鋼的可靠連接。2006 年，F(xiàn)ronius 公司開發(fā)了 Deltaspot 電阻點焊工藝用以實現(xiàn)鋁鋼的異種點焊。如圖 7 所示，該工藝通過在鋁板側(cè)使用高電阻率的電極帶，在鋼側(cè)使用低電阻率的電極帶，使鋁—鋼結(jié)合面上的鋁快速熔化，而鋼則保持固態(tài)，從而使得鋁向鋼中擴散形成的脆性相厚度得到控制(小于 4 μm)，實現(xiàn)了鋁鋼的電阻釬焊。然而，由于鋁合金的熔化，接頭中鋁合金熱影響軟化比較嚴(yán)重。當(dāng)焊接熱處理強化鋁合金時，熱影響區(qū)強度會損失30%～40%。而對于工作硬化鋁合金，由于重結(jié)晶，熱影響區(qū)的強度也會顯著降低。

2.2 膠接技術(shù)

膠接技術(shù)是通過膠粘劑與被連接件之間的化學(xué)反應(yīng)或物理凝固等作用將材料連接在一起的連接技術(shù)。膠粘連接以其良好的抗疲勞性、隔音性、減振性在現(xiàn)階段的車身制造中有著廣泛的應(yīng)用，目前在SGM和SVW所有的車型上都大量使用了膠接技術(shù)。捷豹 X350 上用膠量高達 154 m，以顯著提高整車的安全性和舒適性。

對于多材料混合車身，由于膠接技術(shù)不存在熔化問題，而且可以隔絕異種金屬接觸從而避免電化學(xué)腐蝕，因此具有明顯的優(yōu)越性。然而，多材料車身的膠接卻面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在高溫烤漆固化的時候，由于鋁鋼熱膨脹系數(shù)差異較大，會導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，并使膠粘接頭失效，如圖 8所示。陶氏化學(xué)已經(jīng)開發(fā)出雙組分常溫固化膠以解決高溫固化引起的大變形，但是這些雙組分膠的力學(xué)性能要明顯低于目前大規(guī)模使用的單組分膠，而且在與單組分膠一起使用時存在較大的問題。

2.3 固相連接技術(shù)

攪拌摩擦點焊(Friction stir spot welding，F(xiàn)SSW)作為一種固相連接方法，熱輸入低，可有效控制鋁
鋼結(jié)合面金屬間化合物形成，在鋁鋼異種連接方面具有很大優(yōu)勢 [14] ，其原理如圖9所示。2006年Mazda宣稱開發(fā)出全球第一個基于FSSW的鋁鋼連接技術(shù)，然而迄今該技術(shù)仍局限于非承載部件連接。這是因為高強鋼的應(yīng)用使得針對鋁合金設(shè)計的 FSSW 技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

（1）FSSW 工藝會產(chǎn)生一個與攪拌針形狀一致的工藝凹孔（圖10），該孔會大大降低接頭承載面積，從而削弱接頭力學(xué)性能。通過金屬回填可以消除工藝孔，但需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和較長的工藝時間，難以滿足汽車車身的高生產(chǎn)節(jié)拍要求。

（2）高強鋼變形困難，需更多的熱量來軟化金屬，因此需要更多的工藝時間以產(chǎn)生更多的摩擦熱。

（3）與鋁合金相比，高強鋼熱導(dǎo)率很低，摩擦熱很難通過鋼板快速散出去，導(dǎo)致攪拌針溫度很高，在高速摩擦中容易發(fā)生磨損失效。對于鋼，符合要求的攪拌頭材料往往是難熔金屬合金或者結(jié)構(gòu)陶瓷，但價格極其昂貴，無法規(guī)模應(yīng)用于汽車工業(yè)。

2.4 機械連接技術(shù)

無鉚釘鉚接和自沖鉚接是汽車車身中應(yīng)用最為廣泛的兩種機械冷連接技術(shù)，它們不需要預(yù)沖孔便可實現(xiàn)汽車板的連接，而且對連接對象的表面清潔度和氧化層不敏感，同時具有電阻點焊技術(shù)的高效率和易于自動化等特點。

2.4.1 無鉚釘鉚接

無鉚釘連接(Clinching)技術(shù)，又叫“沖壓鉚接”，1897 年由德國人發(fā)明。如圖 11 所示，無鉚釘連接是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(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的機械連接技術(shù)。目前國際上提供該工藝裝備的公司主要為德國的TOX和美國的BTM（注冊商標(biāo)為Tog-L-Loc）。因為成本低的優(yōu)勢，無鉚釘鉚接工藝已經(jīng)在國外汽車工業(yè)中普遍應(yīng)用。國內(nèi) SVW 的途安、波羅、斯柯達明睿、斯柯達晶睿，以及 SGM的愛維歐、科魯茲、別克英朗、邁瑞寶、君越、君威都采用了 TOX 的技術(shù)與裝備。

如圖 12 所示，無鉚釘鉚接主要有直壁整體下模和分體下模兩種形式。其中前者的模具是一個整體，模具結(jié)構(gòu)簡單。后者模具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，模具中存在活動部分，在連接時下模在金屬的作用下向側(cè)面滑開，使金屬材料能夠充分從而形成塑性鑲嵌，所以其強度也較高。無鉚釘鉚接接頭強度是由頸厚值和嵌入量決定的，頸厚值決定抗剪強度，嵌入量則決定剝離強度，同時接頭底厚對強度也有重要影響 [18] 。但總體而言，無鉚釘鉚接接頭的剝離強度和疲勞強度都比較低，所以通常只用在發(fā)動機罩、行李箱蓋等非承載部位。

2.4.2 自沖鉚接

1985 年基恩·瓊斯在英國創(chuàng)建 Henrob 公司，研發(fā)和生產(chǎn)出世界上第一套自沖鉚接（Self-piercing
riveting，SPR）設(shè)備。此后，美國 EMHART 公司與德國 BOLLHOFF 公司也相繼開發(fā)出了自沖鉚接設(shè)
備。Henrob 公司作為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，在全世界范圍內(nèi)有超過 5 300 套設(shè)備在運行，其在歐洲市場占有率高達 70%，中國目前有 60 多套。如圖 13 所示，自沖鉚接是通過半空心鉚釘刺穿上層板并與下層板之間通過塑性大變形形成機械自鎖來實現(xiàn)。要形成一個合格的自沖鉚接接頭，必須遵循三個基本原則。

（1）鉚釘腿部在驅(qū)動桿的推動下刺穿上層板材，否則無法與下層板之間形成自鎖。

（2）鉚釘腿部要在下層板中呈喇叭形張開，以使下層板能夠勾住張開的鉚釘腿，從而形成機械自鎖。在外觀滿足要求的情況下，接頭強度可通過圖13b 所示的底切量大小來衡量。

（3）下層鋼板不能被穿透，以保證接頭具有良好的氣密性和抗腐蝕能力。

圖 13 自沖鉚接工藝過程及其接頭

目前，自沖鉚接方法已廣泛應(yīng)用于奧迪、寶馬、捷豹、沃爾沃、通用、福特和戴姆勒—克萊斯勒等公司鋁合金合身的制造，接頭疲勞強度可達電阻點焊的 2 倍。國內(nèi)在自沖鉚接方面研究起步較晚，近幾年天津大學(xué)、華東交通大學(xué)、以及清華大學(xué)，等圍繞鋁合金做了大量的理論和試驗研究。上海交通大學(xué)針對鋁鋼異種連接研究了凹模、鉚釘尺寸等工藝要素對鋁—鋼自沖鉚接質(zhì)量的影響規(guī)律。總而言之，SPR 由于沒有熱輸入，已經(jīng)成為最具潛力的多材料車身連接方法。然而，高強鋼的引入使得 SPR 工藝面臨巨大挑戰(zhàn)。

（1）如圖 14 所示，高強鋼變形困難，從鋼鉚向鋁時鉚釘內(nèi)會形成空腔，而從鋁鉚向鋼時，鉚釘腿部難以使下層鋼板產(chǎn)生足夠塑性變形以形成自鎖。由于高強鋼延展率低，容易出現(xiàn)鉚穿缺陷。另外，鉚釘也容易因強度不足發(fā)生墩粗甚至開裂。通過預(yù)熱可明顯改善高強鋼鉚接性能，但難以應(yīng)用于生產(chǎn)。

（2）鉚槍需要承受更大的鉚接力，容易產(chǎn)生變形，難以保證鉚釘和凹模的同軸度，導(dǎo)致接頭質(zhì)量穩(wěn)定性降低。

3 新型的多材料連接技術(shù)

隨著超高強鋼、復(fù)合材料等材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)的連接方法已經(jīng)難以滿足多材料車身制造的需求。為迎接多材料輕量化車身挑戰(zhàn)，世界各國已經(jīng)提出許多新型連接方法。機械連接方法在異種金屬連接方法具有無與倫比的優(yōu)勢，受到較多的關(guān)注。

4 結(jié)論

（1）輕量化材料、輕量化結(jié)構(gòu)以及輕量化結(jié)構(gòu)材料三種手段在車身上的合理化和精細(xì)化使用為車身輕量化帶來更多的空間和可能。多材料車身成為全球汽車車身輕量化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

（2）連接技術(shù)成為制約多材料車身制造的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)以及單純的自沖鉚接技術(shù)已經(jīng)不能滿足多材料車身發(fā)展的需要。

（3）多材料車身的制造需要多種工藝的支撐。機械連接與固相連接相復(fù)合成為未來汽車連接技術(shù)發(fā)展的新方向。新型的復(fù)合連接技術(shù)距離生產(chǎn)應(yīng)用仍有較大距離。