汽车工业中铝连接技术

2017-04-19 13:35:00
sawchina
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     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 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。

 

    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。

 

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)

 

 

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 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。

 

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。

 

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。

 

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