基于铝合金车身结构的连接方法研究

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1、基于铝合金车身结构的连接方法研究摘要：采用轻质铝合金代替传统钢材是车身轻量化最行之有效的方法，但铝车身结构的连接方法成为其普及的制约因素之一。本文在连接特点及卫艺流程方面介绍了两种主要的铆接方式，并通过抗拉、抗剪试验得出铆接的连接强度优于铝板点焊这一结论。同时通过焊缝抗拉试验及焊接区域硬度分布的研究，总结出铝型材MIG焊后性能下降的趋势。最后根据上述研究结论，将铆接、MIG焊两种连接方式在铝合金车身上应用，该车身结构在碰撞、耐久、模态等方面均达到常规车水平，�楹笮�铝车身结构的应用提供了参考。中国

2、8/vie　　关键词：铝合金车身；连接方法；铆接；焊接　　1.背景　　随着节能和环保意识越来越强，轻量化车身已经成为汽车发展的趋势之一。研究表明，当整车质量降低10%时，燃油经济性提高3.8%，加速时间降低8%，CO排放减少4。5%，刹车距离减少5%，轮胎寿命提高7%，转向力减少6%m。由此可看出汽车轻量化的重要性。通常来讲，采用轻质高强材料来代替传统的钢材是最有效的方式。对于铝材，在满足相同试验和机械性能条件下，它比钢轻60%，例如奥迪A8轿车在采用铝车身后，整车质量可以减少15%。根据近三年的

3、EuroCarBody数据统计，应用铝材的车身结构占到总数的70%以上。　　常规车身的连接方式中电阻点焊占据绝对的主要地位，但由于铝材的电阻率低、导热率高，导致电阻点焊很难形成合格的熔核，因此适用于铝合金车身的连接技术的研究及应用势在必行。本文主要针对铝材的MIG焊接和铆接两种连接的工艺性、连接强度以及对结构设计的限制进行了介绍，为其广泛应用提供参考。　　2.铝材铆接方法简介　　2.1半空心自冲铆接　　半空心自冲铆接（SPR）是SPR铆钉在外力的作用下，通过穿透第一层材料和中间材料，并在底层材料中

4、进行流动和延展，形成一个相互镶嵌的塑性变形的铆钉连接过程嘲，如图1所示。该铆接点具有较高的抗拉强度和抗剪切强度，与粘胶工艺结合使用，可实现防水、隔音和降噪功能，适用于板材和板材之间的连接。　　SPR工艺过程为：压边圈首先向下运动对铆接材料进行预压紧，防止材料在铆钉的作用下向凹模内流动；然后冲头推动铆钉向下穿刺上层材料；在凹模与冲头的共同作用下，铆钉尾部在下层金属中张开形成喇叭口形状所致铆接材料，达到连接目的。如图2所示，主要分为定位、预紧、挤压、穿刺、镶嵌、成型几个工序。铆接原则为：由薄板压人厚板

5、、由硬板压入软板、由非金属压入金属板。　　SPR铆点具有动态疲劳强度高、重复生产可靠性好、可无损检测连接质量等优点，同时还可以实现不同材料不同厚度组合、不同硬度不同强度组合、多层材料、中间层由结构胶组合的连接。由TSPR无需进行连接的前后处理、工序简单、效率高、操作能耗低，所以其综合成本低，已成为目前铝合金车身应用最广泛的连接方式之一。　　2.2高速穿刺铆接　　高速穿刺铆接是铆钉在冲击外力的作用下，高速穿透被连接材料，瞬间高温和挤压使底层金属材料流动到铆钉螺牙之中并形成永久塑性变形的过程。该连接点

6、具备较高的抗拉强度和抗剪切强度，是一种单侧连接工艺，适用于板材与型材之间的连接，如图3所示：　　高速穿刺铆接工艺流程如图4所示，主要分为定位、冲击、刺穿、成型。铆接原则为由薄板冲到厚板、由硬板冲到软板。该连接方式也大量应用在铝车身上，主要部位为板材与型腔的贴合面以及无法实现双侧连接的部位，如门洞内外板与A柱、B柱的连接。　　3.铝板材铆接性能研究　　根据某车型的铝板材应用，将四种不同厚度组合、材料为5052H32的铝板进行SPR连接。SPR连接后四种组合的剖面如图5所示，铆钉已穿刺上层铝板，并在下

7、层铝板中流动和延展，形成了一个相互镶嵌塑性变形，因此两层铝板的SPRSE艺是可行的。然后对铆接点进行抗拉、抗剪强度试验，各重复进行五次试验后取平均值，作为SPR连接点的抗拉、抗剪强度值。抗拉强度试验与抗剪强度试验样片规格如图6所示：　　按上述试验方法取得试验数据如表1：　　按照上述试验过程重复完成高速穿刺铆接的连接强度试验。以1.2mm+1.2mm铝板组合为例，其与点焊的性能对比如表2所示。可以看出。SPR、高速穿刺铆接两种连接强度均高于普通铝板点焊。同时铆接具有能耗低、设备投入小、环境污染小等工

8、艺优点，所以铆接在铝车身的连接设计上具有较大的优势。　　4.铝型材焊接性能研究　　目前全铝车身有一种结构形式为铝型材组成承力框架然后再用铝板密封，而铝型材与铝型材的连接方式主要为MIG连接。基于此开展了铝型材MIG焊的性能研究。　　根据某车型上应用的不同材料及料厚的铝型材，然后配合不同的焊接工艺及焊丝组合形成试验矩阵。将焊接样件进行抗拉试验，记录屈服强度、抗拉强度数值以及断裂位置距焊缝中心的距离，形成试验数据如表3所示。　　从上述试验可以看出，铝型材MIG焊后热影响区强度急剧下降，