汽车用铝合金不同连接技术对比研究

摘要：利用铝弧焊、自冲铆接(Self-Piercing Riveting,SPR)，热熔自攻丝(Flow Drilling Screw,FDS)、无铆连接(Clinch)对2 mm厚度6082-T6铝合金进行连接，利用万能拉力试验机对接头进行静力学试验，分析接头的失效形式，最大载荷和能量吸收值。结果表明，铝弧焊的3种连接方式中对接的接头效率最高，达到64%，断位置位于距离焊缝中心约10 mm的热影响区；双面焊接次之，达到60.9%，拉断位置为热影响区；搭接较弱，为48.9%，拉断位置为焊缝处；FDS接头平均拉力最大，为8.39 kN，能量吸收效果为SPR接头的1.1倍，拉断形式为自攻钉剪切断裂，SPR接头平均拉力为7.11 kN，能量吸收大小为36.2 J，失效行为为铆钉从板材中脱离；相同条件下Clinch接头力学性能最低，吸能效果较差，失效形式为两层板铆点分离。

关键词：弧焊 自冲铆接 热熔自攻丝 无铆连接 6082-T6

1 前言

为了降低汽车尾气排放和提升燃油效率，汽车轻量化已经成为现代汽车工业发展的必然趋势，轻量化不仅促进汽车的节能环保，同时也会对汽车性能有所提升，相关数据表明，汽车减重10%，加速性能提升0.5 s(0～100 km/h)，制动距离缩短3 m，尾气排放减少7%，燃油经济性提升(100 km节省0.7 L)，动力提升，底盘操控提升，有效负载和牵引增加130 kg。采用铝合金材质车身、底盘等是实现轻量化的有效途径，目前主机厂对汽车用铝合金的连接方式主要有铝弧焊，自冲铆接，热熔自攻丝，无铆连接等。易明辉对汽车制造中的铝合金连接技术进行了综述研究。张杰等对5052铝合金板材在不同连接工艺条件下进行了接头强度的对比研究，研究对象包括自冲铆接，电阻点焊，压印连接技术，结果表明，5052电阻点焊接头的失效载荷最高，约为自冲铆接头的1.1倍、压印接头的2.5倍；自冲铆接头的能量吸收值最高，约为电阻点焊接头的1.5倍、压印接头的18.8倍。秦兴国等对6082铝型材MIG焊接性能进行了研究，结果表明6082-T6铝型材焊接系数为0.65左右，热影响区内的软化区是6082-T6铝型材焊接接头最薄弱的环节。

6082-T6铝合金时目前国内汽车轻量化常用材料，本文将对其常用四种连接方式铝弧焊，自冲铆接(SPR)，热熔自攻丝(FDS)，无铆连接(Clinch)进行对比研究。

2 试验

2.1 准备

铝弧焊选取板料为120 mm×60 mm×2 mm的6082-T6铝板；自冲铆接，热熔自攻丝，无铆连接等采用100 mm×20 mm×2 mm的6082-T6铝板，6082-T6化学成分及力学性能如下表，6082-T6抗拉强度实测330 MPa，断后延伸率10%。

表1 6082-T6铝合金化学成 wt.%

2.2 连接试验

2.2.1 铝弧焊

试验设备TPS2700型CMT焊机，保护气为99.99%氩气，流量为20 L/min，对接焊缝坡口形式为I型（I=0）,采用一元参数单面焊接，焊接前用钢丝刷去除表面氧化皮，焊接完成后切头去尾25 mm，中间部分切成拉伸试样，宽度统一为20 mm。采用万能拉力试验机分析焊缝接头强度,每组强度测试平行样3组。对对接接头进行显微硬度测试，硬度测试点间距为0.5 mm。

2.2.2 SPR

根据上述基本方程以及整机模型的划分，运用Matlab软件建立计算流程并进行初始条件的定义。基于Matlab软件平台的计算流程如图2。

2.2.3 FDS

FDS采用WEBERRSF系统，如图1b，流钻螺钉采用EJOT品牌。采用100 mm×20 mm×2 mm的6082-T6铝板搭接，每组三组平行样进行拉伸试验。

2.2.4 Clinch

SPR 采用 Tucker设备,如图 1a，选用 C5.3×7H2钉，M260028模。采用100 mm×20 mm×2 mm的6082-T6铝板搭接，每组三组平行样进行拉伸试验。

图1 连接试验设备

3 讨论

3.1 MIG焊接3种连接方式比较

焊接接头常用的形式有对接，搭接，角接，以及双面搭接等。采用2 mm厚度6082-T6，对可进行力学拉伸测试的3种接头进行焊接强度研究比较，如图2所示。

图2 MIG焊三种焊接形式接头力学性能对比图

a. 对接，厚2 mm宽20 mm的6082-T6对接最大拉力为8.82 kN，接头效率为64%，拉伸断裂位置为距离焊缝中心10 mm左右位置的热影响区，断口处呈现轻微颈缩，如图3a，对于6系铝合金，特别是6082-T6这种强烈依靠Mg2Si强化相强化的铝合金，焊接接头强度损失较为明显，对于6xxx铝合金来说主要是过时效带来的Mg2Si强化相粒子的长大，从而弱化了对位错移动的钉扎作用，是接头最弱的区域。如图4，对对接接头的显微硬度进行了测试，发现焊缝本体在距离焊缝中心线0～2 mm区域显微硬度较低，焊缝本体在距离焊缝中心线2～4 mm区域显微硬度逐渐增大，这是因为在距离焊缝边缘时焊缝熔体凝固冷却速度较快，晶粒细化，硬度逐渐增大，在距离焊缝中心线6～13 mm区域，显微硬度值最低约为67.7 HV1，相比较于母材区域显微硬度值超过95 HV1，该区域强度明显较弱，为热影响区，当轴向拉力作用时，一般在此区域断裂，虽然焊缝本身中心区域硬度也较低，但由于有焊缝余高的加强作用，所以一般不会断裂在焊缝本身。

b. 搭接，厚2 mm宽20 mm的6082-T6对接最大拉力为6.74 kN，接头效率为48.9%，断裂位置在焊缝处，如图3b，搭接接头效率低，断在焊缝处的原因主要是搭接接头两层板之间的间隙处存在应力集中，该间隙点位断裂起源，沿着焊缝撕裂。

c. 双面焊接，厚2 mm宽20 mm的6082-T6对接最大拉力为8.39 kN，接头效率为60.9%，断裂位置在热影响区，如图3c，双面搭接能较好的避免单面搭接由于间隙应力集中点带来的接头效率较低的问题。

图3 MIG焊三种焊接形式

图4 对接接头显微硬度值随焊缝中心距离变化

3.2 SPR，FDS，CLinch等连接方式比较

SPR，FDS，Clinch是目前铝合金最常用的铝合金连接方式，不同连接方式拉断失效方式不同，如图5。

图5 SPR、FDS、Clinch三种连接方式断裂失效示意图

a. SPR，厚2 mm宽20 mm的6082-T6 SPR搭接接头平均拉力为7.11 kN，能量吸收值为36.2 J，拉断失效方式为铆钉从板材中脱出(当然不能一概而论，具体失效方式决定于板材厚度，强度，铆接效果等)，SPR铆钉材料成本大约为0.3元/颗。SPR目前主要用于钢铝连接(配合结构胶使用)，铝铝连接，需要板材双面可达，单个铆点节拍大约为5～6 s。

b. FDS，厚2 mm宽20 mm的6082-T6 FDS搭接接头平均拉力为8.39 kN，能量吸收值为40.1 J，断裂方式为钉子剪切断裂，FDS钉子价格大约为0.8元，FDS适合于板材和型材的搭接，因为剩余的钉子长度更适合在型材空腔中，对于铝合金的连接无需预开孔，对于钢和铝型材的连接，钢板侧需要预开孔(当然1.2 mm厚度一下的DC04等强度较低材质也可不用开孔)，拉断失效方式为钉子断裂(当然也不能一概而论，具体失效方式决定于板材厚度和强度)。

c. Clinch，厚2 mm宽20 mm的6082-T6 Clinch搭接接头平均拉力为3.02 kN，能量吸收值为2.6 J。6082-T6 2 mm厚度材料Clinch为无铆连接，不需要额外的钉子，所以成本较低，适用于对力学性能要求不高的地方，拉断的失效方式为上下板形成的互锁结构分离。

d. 铝弧焊，弧焊与以上3种连接方式比较有点复杂，需要转换，按照目前设计一般SPR铆点等设计间距约为60 mm，铝弧焊为减小热变形需采用间断焊接，假设设计上6082-T6 2 mm厚度材料焊接长度20 mm，间断40 mm，而20 mm焊接搭接长度最大平均拉力为6.74 kN，能量吸收值为13.5J，接头效率约为48.9%，拉断位置在焊缝本体处。国产铝焊丝价格大约50元/Kg，进口铝焊丝价格约为100元/Kg，按照国产焊丝计算，20 mm铝焊缝焊丝成本大约0.04元。

对比不同的连接方式接头的力学性能曲线，如图6，FDS静强度力学性能最好，吸能效果最好，吸能效果是SPR的1.1倍；SPR具有较高的静强度力学性能和良好的吸能效果，吸能效果是铝弧焊的2.68倍；铝弧焊具有次之的力学性能和吸能效果；相同条件下Clinch连接力学性能最低，吸能效果最差。

图6 SPR、FDS、Clinch三种连接方式接头力学性能对比

4 结论

a. 对于2 mm厚度6082-T6的连接，MIG焊接的三种连接方式中对接的接头效率最高，达到64%；双面焊接次之，达到60.9%；搭接较弱，为48.9%，在采用搭接条件下，双面焊接可有效避免搭接(单面焊接)由于应力集中点导致的接头效率较低的问题。

b. 对于2 mm厚度6082-T6的连接，FDS接头平均拉力最大，为8.39 kN，能量吸收效果为SPR接头的1.1倍；SPR接头平均拉力为7.11 kN，能量吸收大小为36 202 N·mm；相同条件下Clinch接头力学性能最低，吸能效果较差。

c. 根据设计受力要求、设备可达性、成本等多方面需求，不同部位选用不同的汽车用铝合金连接方式。