铝合金车身已成为汽车轻量化发展趋势，为满足铝合金材质在车身上的应用，需要开发新的连接工艺，本文介绍了集中先进的连接工艺，阐述其工艺原理和技术优势，可有效实现铝合金车身的连接应用。随着国家对节能减排的要求日趋加严，以及建设制造强国的要求，在2015年发布的“中国制造2025”重点领域制造路线图中要求加大轻质合金（特别是铝合金）在车身上的应用研究，实现轻量化。

　　铝合金具有密度小，可铸性好的特点，复杂部位可采用铝铸件及挤出件，减少零件数量，简化连接工艺，减低车身总重。铝合金是一种绿色材料，具有良好的耐腐蚀性能，减少腐蚀产生的浪费，相对成本低，原材料应用广泛，可回收再利用，易实现批量化制造。

　　铝合金在车身上的应用主要有三种形态，分别是铝合金冲压件、铝合金铸件以及铝合金型材。在车身上的分布主要如下图1所示。

　　然而，因铝合金材料有导热性好、导电率高、易与铜发生合金反应等特点，传统电阻点焊在铝合金材料的连接中遇到能耗大、电极易失效、点焊质量不稳定等困难，需要开发新的连接工艺。调研国内外车企开发的铝合金车身上使用的连接技术，目前主要使用的工艺见图2所示，本文将重点介绍这几种铝合金连接技术的工作原理、技术优势和应用情况。

　　SPR技术

　　SPR（Self-piercing rivets）即自冲铆接，该技术是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。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。

　　技术优势

　　SPR是冷连接工艺，其连接原理与传统电阻点焊的热熔连接相比，有其独特的技术优势，主要有：可实现多层、属性不同、有镀层的焊接性较差的材料可靠连接；无需预先开孔，可保护涂层镀层，耐腐蚀性强，铆点强度高，寿命长；环境友好型清洁连接工艺，无烟、汽、火花产生；相比传统点焊耗能较少，且无冷却水和压缩空气消耗；铆接质量稳定，可目视检查，一致性较好；铆接过程易于实现自动化和在线监控，可满足大批量生产需求。

　　应用分析

　　1. 车身板件要求

　　SPR技术要求铆接时薄板在上（铆鼻端），厚板在下（铆模端），强度大的板件在上，强度小的板件在下，底层板延伸率>8%。两层板搭接时，底层板厚度占总板厚的1/2以上；三层板搭接时，底层板厚度占总板厚的1/3以上；避免出现相同厚度板材的搭接组合。

　　2. 法兰边尺寸要求

　　使用3 mm铆钉时法兰边最小为18 mm；使用5 mm铆钉时法兰边最小为20 mm；两个铆钉之间的最小距离为30 mm。

　　3. 铆模选择要求

　　铆接不同的材质和厚度，对铆模的选择也有所不同。目前，国际国内众多车企已开始应用SPR连接技术，如奥迪A8、捷豹全铝车身XJF等车型，均采用了不同数量的SPR连接，如图3所示。事实证明，SPR是实现铝合金材料连接的最优方式之一，且可靠性较高，未来将大量应用于铝合金材料车身的开发制造中。

　　FDS技术

　　FDS（Flow Dirll Screwing）即流钻螺钉，通过高速旋转及轴向下压力使工件发生塑性变形，螺钉穿透工件，形成圆柱形通道，自攻形成完全啮合的螺纹，拧紧至最终扭矩。

　　技术优势

　　FDS是单面连接工艺，对工件的要求较为宽松，这种连接工艺主要技术优势有：单面进入工件，无需前置工作，有无预留孔都可连接；可连接不同的材料及多于两层板的连接，如型材、铸铝件等材料；不引起材料热形变，减少制造公差问题；高拉出力，高破坏扭矩以及良好的抗振能力；可作为临时连接，易拆除易修复，并且可用为标准螺纹孔；可与胶同用，水、气密性好。

　　应用分析

　　1. 板件厚度要求

　　为避免螺钉在钻穿零件的过程中螺牙磨损，导致拧紧过程中与板件结合滑牙，造成连接失效，在板材厚度过厚的情况下，要求上层板件预开孔，一般板件总厚度超过5 mm就需要预开孔。

　　2. 零部件法兰边尺寸要求

　　FDS连接工艺对零部件法兰边的尺寸有较严格的要求，不同的FDS连接组合要求也不同。

　　3. 零部件匹配要求

　　零部件匹配要求主要在两方面，一是连接面平整度，FDS螺钉要求垂直进入板件，否则会因为螺牙受力不均匀导致连接失效，因此要求连接面与FDS枪头的倾斜角度不大于5°；二是板件之间搭接间隙要求，搭接间隙过大，FDS有效连接螺牙不足，连接强度不够，因此对板件之间间隙要求不大于1 mm，对于下层板件较薄，强度不足的搭接组合，需设置工装支撑夹紧，以尽量消除板件间隙。

　　4. 实际应用

　　FDS技术因其可单侧操作的便利性，弥补了汽车制造中传统连接技术对生产线空间和车身结构操作空间的约束条件，目前已在部分车企的高端车型中得到应用，如捷豹XK及X150车型、奥迪A8及TT车型，保时捷及宝马等众多汽车厂家也都引入了FDS技术，如图4所示。

　　激光焊

　　激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法，常用的激光焊有激光钎焊和激光熔焊两种。

　　技术优势

　　激光焊接与其它焊接方法相比，其优点主要集中在以下几方面：

　　1.激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，可焊接一些高熔点、高强度的合金材料；

　　2.自动化程度高，焊接速度快，功效高，可方便地进行任何复杂形状的焊接；

　　3.热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理，可适用于不同材料之间的焊接；

　　4.激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；

　　5.加工质量稳定可靠，提高车身强度及安全性，提高密封性，缩短焊接边，减轻车身重量。

　　应用分析

　　1.板件搭接间隙不能过大，否则影响焊接质量，一般要求搭接间隙不大于0.2 mm。

　　2.板件表面质量要求较高，不能有油污、金属屑等杂物，否则会损坏激光设备。

　　3.激光焊热影响区内（5 mm）不能有胶，否则会影响焊接质量，损坏激光设备。

　　4.铝合金表面反射率高，激光束要以一定的倾斜角度（15~30°）进入焊接区域，以免反射光线损坏设备，因此要求激光束路径范围内无零部件阻挡干涉。

　　5.激光焊接区域余姚建立专门的激光房，恒温恒湿，避免安全隐患，因此激光焊及其配套设备一次性投资成本较大。

　　国外汽车工业生产大量应用激光加工装备，激光焊接已成为标准工艺，德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司也相继将激光焊接引入汽车制造，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接。图5为在铝合金车型上应用的顶盖激光钎焊和地板激光熔焊。

　　CMT

　　CMT 是 Cold Metal Transfer 的缩写，冷金属过渡技术是一种全新的MIG/MAG焊接工艺。

　　技术优势

　　CMT实现了几乎无电流状态下的溶滴过渡。焊丝与工件短路时，电流即转变为小的短路电流，送丝机停止送丝并自动回抽焊丝。这样就减少了电弧输入热量的时间，电弧熄灭，大幅降低热输入量。实验数据表明，CMT比传统的MIG/MAG热输入量要小15%~30%。

　　CMT另一个重要的优点就是可精确控制输入量，具有高重复焊接质量精度。传统的MIG/MAG焊接方法，电弧的稳定性往往受到工件表面状态及焊接速度的影响。而CMT是通过焊丝回抽的机械方式，主动干预熔滴的过渡，降低了外界因素的干扰，过渡周期更稳定，热量输入控制更精确。

　　实际应用

　　CMT的设备投入成本较小，通用性高，适用性强，比点焊、SPR和激光焊等连接工艺受产品结构、零部件材质、板件搭接状态的影响因素小，比传统MIG焊工艺稳定性高，焊接质量好，因此是一种应用较为广泛的辅助连接工艺。如图6为CMT技术在某款铝合金电动车上的应用。

　　但CMT产生的烟气污染比其它连接方式大，需要配备除尘设备，如果大批量使用，则需要规划专门的除尘房以供使用，投入成本较大。

　　CMT焊缝处会产生焊渣、气孔、咬边等缺陷，外观不太美观，因此不适用于外观可视面，对于一些安装匹配面，如采用CMT工艺，通常都要在后续增加打磨工艺，以避免造成产品安装问题。

　　铝点焊

　　由于铝合金材料有导热性好、导电率高、易与铜发生合金反应等特点，传统电阻点焊在铝合金材料结构件的连接中遇到能耗大、电极易失效、点焊质量不稳定等困难。因此为改善上述问题，铝合金点焊目前主要是采用大功率中频焊机加自适应技术。

　　技术优势

　　电极带的使用不仅可用来保护电极，还可有许多用途：

　　1.可依据不同的材料选用不同电阻性能的电极带，以增加焊缝热量的输入，从而达到增加核心直径或者达到节能的目的；

　　2.上下电极选用不同的电极带，从而实现电极两端的热平衡，例如应用厚薄不均的多层板，钢与铝异种材料的连接等；

　　3.采用电极带后，通水的铜电极直接接触母材，避免了焊后强冷导致焊超强钢、铝合金焊后产生裂纹。

　　应用分析

　　电极带式铝点焊的设备昂贵，铜质的电极带作为辅材消耗量很大，生产成本较高，目前已知在铝合金车身上的应用不多，特斯拉在其多款铝合金电动车上均用到了该项技术，此外韩国一家车企也采用了电极带点焊技术生产其汽车铝合金汽车发动机盖。

　　综合考虑，普通铝点焊设备加上修模器的设备投入相对来说要更低。因此铝点焊数量少的情况，可以考虑使用电极带式铝点焊。而铝点焊数量多的车型，只要规划好每把焊枪上的焊点数量，在保证工位节拍的前提下，使用普通铝点焊设备加自动修模器，也可以实现铝点焊的自动化生产。

　　结论

　　目前，汽车轻量化已成为车企和全行业提高核心能力的现实需求，铝合金的应用将在汽车的轻量化过程中发挥重大作用。未来的车身设计发展方向，会依据部位要求采用不同性能的铝合金材料，再选择适宜的连接技术，以实现材料与功能，以及材料与工艺的最佳匹配。而我国已逐步成为全球第一大汽车生产和消费市场，汽车产业业已成为我国支柱产业，只有加快开发铝合金连接技术，才能拓宽铝合金在车身上的应用，为汽车的创新设计提供更多的可行性，从而实现我国汽车可持续性发展，最终由汽车生产大国转型为汽车强国。