摘要：2009 年中國以 300 多萬(wàn)輛的優(yōu)勢，首次超越美國，成為世界汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)第一大國，比預計提前了 5～6 年。中國車(chē)市的優(yōu)異表現，不僅有效拉動(dòng)了中國本土汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，也為經(jīng)濟危機條件下世界汽車(chē)工業(yè)做出巨大的貢獻。然而，全球產(chǎn)銷(xiāo)第一帶來(lái)的不僅僅是欣喜，更多的則是壓力。中國汽車(chē)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(chē)強國還有明顯的差距。與此同時(shí)，汽車(chē)工業(yè)也成為我國能源安全、低碳經(jīng)濟和城市環(huán)境的巨大負擔，使其發(fā)展受到限制，轉型迫在眉睫。汽車(chē)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(chē)強國提高品牌競爭力的重要手段。對全球汽車(chē)車(chē)身輕量化的方法和發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述，分析車(chē)身輕量化技術(shù)的發(fā)展對焊接與連接的挑戰，并對新型的車(chē)身連接技術(shù)進(jìn)行分析和評價(jià)，以對我國輕量化車(chē)身的設計與制造提供有益借鑒。

0 前言 ?

截至 2010 年，全球汽車(chē)總保有量首次突破 10 億，比 2009 年增長(cháng)了近 2 000 萬(wàn)，而 1986 年，全球汽車(chē)總保有量?jì)H為5億。據美國 Wardsauto 雜志分析，2000 年以來(lái)，全球汽車(chē)保有量平均增長(cháng)3.6%。其中美國是目前最大的汽車(chē)擁有國，汽車(chē)注冊量達2.398 億，中國首次超過(guò)日本位居第二，從 1 680 萬(wàn)一躍到了 7 800 萬(wàn)，幾乎是全球半年的增長(cháng)率 [1] ，僅 2010 年汽車(chē)注冊量猛增 27.5%。汽車(chē)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)量的穩步提高，然而也對我國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展造成巨大影響，反過(guò)來(lái)又制約了我國汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。

（1）能源安全。我國汽油的 70%左右是汽車(chē)消費的，柴油也有 40%左右是汽車(chē)直接消費的。據工信部 2011 年公布的我國原油對外依存度的最新數據，我國原油對外依存度已經(jīng)高達 55.2%，顯著(zhù)超過(guò)我國能源安全警戒線(xiàn)，也超過(guò)了美國的 53.5%。根據“十二五”規劃，今后幾年我國經(jīng)濟將保持 7%左右的增長(cháng)速度，石油需求將以 5%～6%的年均速度增長(cháng)。由于國內石油產(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(lái) 5 年我國石油對外依存度還將逐步提高。汽車(chē)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(wèn)題已成為影響人類(lèi)社會(huì )發(fā)展和全球政治經(jīng)濟格局的重大戰略課題。發(fā)達國家汽車(chē)行業(yè) CO2 排放占國家總排放量 25%左右，專(zhuān)家預測我國汽車(chē)行業(yè)的 CO2 排放可能占總排放量 8%～10%。但隨著(zhù)汽車(chē)總量不斷增加，汽車(chē)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(huì )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(chē)每年排出的有害廢氣比轎車(chē)自重大三倍，并且其中含有 100 多種有害物質(zhì)。汽車(chē)尾氣正在成為空氣污染的“罪魁禍首”。雖然我國新車(chē)行駛標準已經(jīng)推行到了更為嚴格的國4 階段，但汽車(chē)總保有量的飆升使得總體排放量增加。汽車(chē)仍然是機動(dòng)車(chē)里最主要的污染物來(lái)源，給城市空氣質(zhì)量帶來(lái)巨大的環(huán)境壓力。如何破解汽車(chē)工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護的矛盾也成了擺在政府、社會(huì )面前一個(gè)現實(shí)、迫切的難題。

工信部預計到2020年中國汽車(chē)保有量將超過(guò)2億輛，由此帶來(lái)的能源安全和環(huán)境問(wèn)題將更加突出。石油安全將成為制約中國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的第一因素，油耗和排放也將成為中國汽車(chē)走向世界的絆腳石。因此，通過(guò)各種方式降低原油消耗和尾氣排放已經(jīng)成為中國汽車(chē)工藝亟須解決的重大課題。目前，大力推進(jìn)傳統汽車(chē)節能減排和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化已成為中國的國家戰略。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能汽車(chē)和新能源汽車(chē)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，以加快我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速轉型，擺脫對傳統化石資源和生物燃料的依賴(lài)。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(chē)的安全性、續駛里程以及高昂的成本仍然無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求，便其短期內無(wú)法成為市場(chǎng)的主流。

汽車(chē)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(chē)品牌提高自身競爭力的重要手段。研究表明：汽車(chē)自重每降低 10%，可降低油耗 6%～8%，減少CO2 排放 13%，而且當汽車(chē)自重降低時(shí)，其起步加速性能會(huì )更好，制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離也會(huì )顯著(zhù)縮短。

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

2012 年 1 月 1 日，強制性國家標準《乘用車(chē)燃料消耗量評價(jià)方法及指標》（GB 27999—2011）執行，旨在“推動(dòng)我國汽車(chē)節能技術(shù)革新，鼓勵車(chē)輛小型化和輕量化，進(jìn)一步降低乘用車(chē)單車(chē)燃料消耗量水平，縮小與國外先進(jìn)水平的差距，從整體上控制我國乘用車(chē)燃料消耗量和二氧化碳排放,使我國乘用車(chē)平均燃料消耗量水平在2015年下降至7 L/100km左右，對應二氧化碳排放約為 167 g/km?！备鶕藰藴实哪繕丝梢钥闯?，輕量化仍是我國現階段實(shí)現節能減排目標最為重要的手段之一。

汽車(chē)車(chē)身占整車(chē)總重的 30%～60%左右，汽車(chē)運行過(guò)程中約 70%的燃料是消耗在車(chē)身質(zhì)量上，使得車(chē)身成為汽車(chē)輕量化的關(guān)鍵。此外，車(chē)身減輕后，汽車(chē)動(dòng)力系統的功耗也會(huì )降低，從而有利于減小發(fā)動(dòng)機和減速箱的尺寸，實(shí)現整車(chē)的進(jìn)一步減重。因此，車(chē)身減重在汽車(chē)輕量化中具有至關(guān)重要的地位。

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

1 汽車(chē)車(chē)身輕量化方法及發(fā)展趨勢

1.1 汽車(chē)車(chē)身輕量化的方法

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

（1）使用輕量化結構。即以車(chē)身零件的強度和剛度要求為約束，借助 CAE 優(yōu)化設計方法對零件的結構進(jìn)行優(yōu)化設計，通過(guò)車(chē)身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，以減小車(chē)身骨架和車(chē)身覆蓋件的質(zhì)量或數量，從而達到車(chē)身減重目的。優(yōu)化汽車(chē)的結構設計是實(shí)現汽車(chē)輕量化的有效途徑之一。圖 1a 中通過(guò)擠壓形成的封閉型鋁合金空間框架結構(Audi space frame，ASF)、圖 1b 中通過(guò)輥壓成形的變截面結構零件以及圖 1c 內高壓成副車(chē)架，都是典型的輕量化結構，在顯著(zhù)減重同時(shí)能夠有效保證強度和剛度需求。

圖 1 典型的輕量化結構

（2）使用輕量化材料。通過(guò)大量使用輕質(zhì)、高強材料實(shí)現車(chē)身大幅減重已經(jīng)成為車(chē)身輕量化最為主要的手段。這些材料主要可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是高強鋼材料，包括普通高強鋼、先進(jìn)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(guò)大量使用高強鋼來(lái)實(shí)現有效減重；另一類(lèi)是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料、復合材料等，圖 2b 所示的奧迪 A8(D3)全部采用鋁合金制造，具有非常顯著(zhù)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(guò)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；下界是預測值。b 下界來(lái)源于 Powers(2000)，上界來(lái)源NRC(2000)。

（3）使用輕量化結構材料。即采用特種加工工藝制成的具有輕量化結構特征的車(chē)身用毛坯材料，包括激光拼焊板(Tailor welded blank，TWB)和連續變截面軋制板(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?；谶@種技術(shù)，工程師可以根據車(chē)身各個(gè)部位的強度和剛度的需求，像裁縫縫制衣服一樣預先“量身定做”所需的拼焊板坯料，然后進(jìn)行沖壓，從而達到節省材料、減輕重量且提高車(chē)身零部件性能的目的。TRB 指在板料軋制過(guò)程中通過(guò)計算機實(shí)時(shí)控制和調整軋輥的間距，獲得沿軋制方向上按預定的厚度連續變化的坯料板材。如圖 3 所示，這樣的變截面薄板根據零件的強度需求實(shí)現材料厚度的按需分配，經(jīng)加工后制成的汽車(chē)零部件具有更好的承載能力，且能輕量化效果顯著(zhù)。TRB 繼承了 TWB根據零件強度和剛度需求變截面的技術(shù)，可顯著(zhù)降低車(chē)身零件的數量，從而降低車(chē)身焊裝的復雜性。同時(shí)解決了 TWB 焊縫兩側應力突變以及焊縫存在對成形過(guò)程和零件表面質(zhì)量的不良影響。

圖 3 TRB 在福特?？怂怪械膽?/span>

輕量化材料為車(chē)身輕量化提供了巨大的潛力，但輕質(zhì)材料的應用需要新的輕量化結構和工藝做支撐?？偠灾?，輕量化材料、輕量化結構以及輕量化結構材料三種手段相輔相成，為汽車(chē)車(chē)身輕量化帶來(lái)更多的空間和可能。要獲得最佳的汽車(chē)車(chē)身輕量化效果，必須以成本和性能為約束，借助先進(jìn)的數字化手段，充分發(fā)揮三者各自的優(yōu)勢，實(shí)現三種方法在車(chē)身上的合理化和精細化使用。奧迪的 ASF車(chē)身技術(shù)，就實(shí)現了輕量化材料和輕量化結構的完美結合，使車(chē)身剛度提高了 60%，成為全球汽車(chē)車(chē)身輕量化的典范。

1.2 汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢

通過(guò)使用輕量化材料來(lái)降低汽車(chē)自重已經(jīng)得到汽車(chē)工業(yè)的普遍關(guān)注，成為汽車(chē)車(chē)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，能使構件厚度減薄，又能保證其使用性能，從而減輕汽車(chē)的質(zhì)量，而且鋼鐵材料價(jià)格便宜、工藝成熟，因此迄今仍然是汽車(chē)車(chē)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(guò)高強度鋼替代普通板實(shí)現大幅減重。

1995年，18 個(gè)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(chē)身(Ultra light steel auto body，ULSAB)”概念，這種采用高強度鋼板制造的車(chē)身實(shí)現了更薄更輕的結構，使車(chē)身減重達 25%。目前在汽車(chē)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(diǎn)。全球車(chē)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(chē)鋼；第二代汽車(chē)鋼通過(guò)大量增加合金元素在增加強度的同時(shí)提升了鋼材的塑性，但是成本較高，限制了其在汽車(chē)中的規模應用，代表鋼種是孿晶誘發(fā)塑性鋼(Twinning induced plasticity steel，TWIP)。第三代汽車(chē)鋼的性能和成本介于第一代和第二代汽車(chē)鋼之間，強度高、可塑性強，性?xún)r(jià)比更易被企業(yè)接受。目前仍然在開(kāi)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(chē)鋼仍然是現階段汽車(chē)用鋼的主體。同時(shí)，在中國市場(chǎng)，通過(guò)高強鋼替代普通低碳鋼板仍然是汽車(chē)車(chē)身輕量化最為主要的方式 [8] 。2010 年，寶鋼與上海汽車(chē)集團股份有限公司共同簽署了《汽車(chē)用鋼輕量化戰略合作框架協(xié)議》，并宣布雙方將共同研發(fā)、應用汽車(chē)用鋼輕量化技術(shù)，并將汽車(chē)輕量化列為上海汽車(chē)“十二五”汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(zhù)減重的同時(shí)仍然能夠大幅提高車(chē)身零部件的剛性。奧迪汽車(chē)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(chē)身轎車(chē)，其采用全鋁空間框架結構，平均油耗接近 3 L/100km。2004 年問(wèn)世的捷豹 XJ8 也是采用全鋁車(chē)身，其車(chē)身剛性比舊款的鋼制車(chē)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(xiāo)售的全鋁車(chē)身汽車(chē)只有奧迪A8、R8和捷豹等豪華車(chē)型。

(3) 復合材料替代鋼板。復合材料因為密度低(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、可設計性好、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到汽車(chē)工業(yè)的重視。但由于成本較高以及許多和復合材料使用相關(guān)的技術(shù)仍然沒(méi)有解決，現階段復合材料在汽車(chē)上的應用主要集中在豪華跑車(chē)和賽車(chē)上，如梅賽德斯—奔馳 SLR 跑車(chē)就通過(guò)高強度的碳纖維復合材料制成的車(chē)身來(lái)大幅降低整車(chē)質(zhì)量，而在普通乘用車(chē)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(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)，可以預見(jiàn)復合材料在未來(lái)汽車(chē)車(chē)身材料中將占有越來(lái)越重要的地位。

(4) 多材料混合車(chē)身結構。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，但在現階段條件下采用高強鋼進(jìn)行車(chē)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。復合材料可以獲得最佳的輕量化效果，但是成本極高，無(wú)法規模應用。綜合考慮成本與輕量化效果，德國學(xué)者 HAHN 等 [9] 提出“多材料輕量化結構”(Mixed material constructions)概念，認為合理的輕量化應該是“合適的材料用在合適的部位”，多材料結構設計將代表今后汽車(chē)車(chē)身結構的發(fā)展趨勢。

圖 4 汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢

2005 年，歐盟啟動(dòng)了著(zhù)名的超輕車(chē)項目（SuperLIGHT-Car，SLC）。在德國大眾汽車(chē)公司的主導下，通過(guò) 38 家汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家、汽車(chē)零部件供應廠(chǎng)商、高等院校和研究所 4 年的共同努力，在不顯著(zhù)增加轎車(chē)成本的前提下，設計并制造出了減重達35%(101 kg)的超輕 A 級轎車(chē)車(chē)身。如圖 5 所示，為了提高減重的效果，在采用輕量化結構設計的同時(shí)，該車(chē)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(chē)身的制造，如弧焊、MIG 焊、電阻點(diǎn)焊、冷金屬過(guò)渡(Gold metaltransfer, CMT)弧焊、自沖鉚接、抽芯鉚釘、流鉆螺釘、攪拌摩擦點(diǎn)焊和膠接等。目前已經(jīng)有多款量產(chǎn)的多材料車(chē)身，如寶馬 5/6/7 系車(chē)身上鋁合金的用量都達到了 18%以上，奧迪 TT/TTS Coupe 車(chē)身達到 68%，奧迪 TT/TTS Roadster 也達到 58%。通過(guò)在全鋼車(chē)身中逐步引入鋁、鎂、復合材料等低密度材料，即開(kāi)發(fā)“多材料混合車(chē)身”，已經(jīng)成為全球汽車(chē)車(chē)身輕量化的必然趨勢。

圖 5 SLC 輕量化設計結果

2 多材料輕量化車(chē)身對連接技術(shù)挑戰

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

2.1 電阻點(diǎn)焊工藝

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

2.1.1 先進(jìn)高強鋼的電阻點(diǎn)焊

根據美國達科環(huán)球的統計數據，2007 年北美汽車(chē)用材中高強鋼用量達 44.6%，其預測 2015 年則會(huì )高達 68.5%，尤其是雙相鋼、復相鋼(Complex steel，CP)、相變誘發(fā)塑性鋼、孿生誘發(fā)塑性鋼等先進(jìn)高強鋼以及烘烤硬化鋼將大規模應用于汽車(chē)車(chē)身。高強鋼由于含碳量和合金元素增加，奧氏體穩定性顯著(zhù)增加，在焊點(diǎn)快速冷卻過(guò)程中不可避免會(huì )出現淬硬馬氏體，導致接頭容易產(chǎn)生界面斷裂。同時(shí)，由于點(diǎn)焊熔核結晶過(guò)程具有較強的方向性，導致接頭中容易出現合金元素偏析、結晶裂紋和氣孔，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(huì )降低生產(chǎn)節拍、提高車(chē)身制造成本。磁控電阻點(diǎn)焊技術(shù) [12-13] 已經(jīng)證明可以宏觀(guān)上增大熔核直徑、微觀(guān)上細化晶粒，最終顯著(zhù)提高接頭的靜態(tài)強度和疲勞性能，并改善界面斷裂(圖 6)，但是要應用在實(shí)際生產(chǎn)上還有許多技術(shù)問(wèn)題有待解決。

2.1.2 鋁—鋼的異種電阻點(diǎn)焊

由于輕金屬和鋼在電導率、熱導率、熔點(diǎn)等諸多方面的顯著(zhù)差異(表 2)，以及熔化焊時(shí)鋁鋼連接界面極易形成脆性相，采用傳統電阻點(diǎn)焊技術(shù)難以實(shí)現輕金屬與鋼的可靠連接。2006 年，Fronius 公司開(kāi)發(fā)了 Deltaspot 電阻點(diǎn)焊工藝用以實(shí)現鋁鋼的異種點(diǎn)焊。如圖 7 所示，該工藝通過(guò)在鋁板側使用高電阻率的電極帶，在鋼側使用低電阻率的電極帶，使鋁—鋼結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(shí)現了鋁鋼的電阻釬焊。然而，由于鋁合金的熔化，接頭中鋁合金熱影響軟化比較嚴重。當焊接熱處理強化鋁合金時(shí)，熱影響區強度會(huì )損失30%～40%。而對于工作硬化鋁合金，由于重結晶，熱影響區的強度也會(huì )顯著(zhù)降低。

2.2 膠接技術(shù)

膠接技術(shù)是通過(guò)膠粘劑與被連接件之間的化學(xué)反應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、減振性在現階段的車(chē)身制造中有著(zhù)廣泛的應用，目前在SGM和SVW所有的車(chē)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(zhù)提高整車(chē)的安全性和舒適性。

對于多材料混合車(chē)身，由于膠接技術(shù)不存在熔化問(wèn)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(chē)身的膠接卻面臨前所未有的挑戰。在高溫烤漆固化的時(shí)候，由于鋁鋼熱膨脹系數差異較大，會(huì )導致車(chē)身結構產(chǎn)生嚴重變形，并使膠粘接頭失效，如圖 8所示。陶氏化學(xué)已經(jīng)開(kāi)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模使用的單組分膠，而且在與單組分膠一起使用時(shí)存在較大的問(wèn)題。

2.3 固相連接技術(shù)

攪拌摩擦點(diǎn)焊(Friction stir spot welding，FSSW)作為一種固相連接方法，熱輸入低，可有效控制鋁
鋼結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(chēng)開(kāi)發(fā)出全球第一個(gè)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用使得針對鋁合金設計的 FSSW 技術(shù)面臨巨大挑戰。

（1）FSSW 工藝會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與攪拌針形狀一致的工藝凹孔（圖10），該孔會(huì )大大降低接頭承載面積，從而削弱接頭力學(xué)性能。通過(guò)金屬回填可以消除工藝孔，但需要復雜的控制系統和較長(cháng)的工藝時(shí)間，難以滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)身的高生產(chǎn)節拍要求。

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

（3）與鋁合金相比，高強鋼熱導率很低，摩擦熱很難通過(guò)鋼板快速散出去，導致攪拌針溫度很高，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構陶瓷，但價(jià)格極其昂貴，無(wú)法規模應用于汽車(chē)工業(yè)。

2.4 機械連接技術(shù)

無(wú)鉚釘鉚接和自沖鉚接是汽車(chē)車(chē)身中應用最為廣泛的兩種機械冷連接技術(shù)，它們不需要預沖孔便可實(shí)現汽車(chē)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(shí)具有電阻點(diǎn)焊技術(shù)的高效率和易于自動(dòng)化等特點(diǎn)。

2.4.1 無(wú)鉚釘鉚接

無(wú)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(wú)鉚釘連接是利用板件本身的冷變形能力，對板件進(jìn)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（注冊商標為T(mén)og-L-Loc）。因為成本低的優(yōu)勢，無(wú)鉚釘鉚接工藝已經(jīng)在國外汽車(chē)工業(yè)中普遍應用。國內 SVW 的途安、波羅、斯柯達明睿、斯柯達晶睿，以及 SGM的愛(ài)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(wú)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(gè)整體，模具結構簡(jiǎn)單。后者模具結構相對復雜，模具中存在活動(dòng)部分，在連接時(shí)下模在金屬的作用下向側面滑開(kāi)，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(wú)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(shí)接頭底厚對強度也有重要影響 [18] 。但總體而言，無(wú)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(dòng)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）設備。此后，美國 EMHART 公司與德國 BOLLHOFF 公司也相繼開(kāi)發(fā)出了自沖鉚接設
備。Henrob 公司作為行業(yè)的領(lǐng)導者，在全世界范圍內有超過(guò) 5 300 套設備在運行，其在歐洲市場(chǎng)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(guò)半空心鉚釘刺穿上層板并與下層板之間通過(guò)塑性大變形形成機械自鎖來(lái)實(shí)現。要形成一個(gè)合格的自沖鉚接接頭，必須遵循三個(gè)基本原則。

（1）鉚釘腿部在驅動(dòng)桿的推動(dòng)下刺穿上層板材，否則無(wú)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(kāi)，以使下層板能夠勾住張開(kāi)的鉚釘腿，從而形成機械自鎖。在外觀(guān)滿(mǎn)足要求的情況下，接頭強度可通過(guò)圖13b 所示的底切量大小來(lái)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(guò)程及其接頭

目前，自沖鉚接方法已廣泛應用于奧迪、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(diǎn)焊的 2 倍。國內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)量的影響規律?？偠灾?，SPR 由于沒(méi)有熱輸入，已經(jīng)成為最具潛力的多材料車(chē)身連接方法。然而，高強鋼的引入使得 SPR 工藝面臨巨大挑戰。

（1）如圖 14 所示，高強鋼變形困難，從鋼鉚向鋁時(shí)鉚釘內會(huì )形成空腔，而從鋁鉚向鋼時(shí)，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，容易出現鉚穿缺陷。另外，鉚釘也容易因強度不足發(fā)生墩粗甚至開(kāi)裂。通過(guò)預熱可明顯改善高強鋼鉚接性能，但難以應用于生產(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，導致接頭質(zhì)量穩定性降低。

3 新型的多材料連接技術(shù)

隨著(zhù)超高強鋼、復合材料等材料的應用，傳統的連接方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足多材料車(chē)身制造的需求。為迎接多材料輕量化車(chē)身挑戰，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(wú)與倫比的優(yōu)勢，受到較多的關(guān)注。

4 結論

（1）輕量化材料、輕量化結構以及輕量化結構材料三種手段在車(chē)身上的合理化和精細化使用為車(chē)身輕量化帶來(lái)更多的空間和可能。多材料車(chē)身成為全球汽車(chē)車(chē)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(chē)身制造的關(guān)鍵。傳統的電阻點(diǎn)焊技術(shù)以及單純的自沖鉚接技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足多材料車(chē)身發(fā)展的需要。

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