輕量化的咬合連接與焊接技術
- 2017-08-07 14:53:00
- sawchina 原創
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所謂的“一升車”大眾XL1車型只進行了小批量生產，離巨大的市場成功還十分遙遠。但是這種超前的兩座車不僅在油耗這一點上成為了全世界的表率，其車身也樹立了新的標準：車身重量只有230公斤，主要由碳纖維增強塑料（CFK）構成。業界對此表示深受震動，不過如何把混合材料制成的車身零部件組裝起來，這對技術人員和連接專家提出的巨大挑戰。車輛的整體結構應該既輕盈，又穩定安全。“材料組合以及混合建造方式推動了連接技術的進步”，德國奇昊汽車公司（Kirchhoff）研究和產品開發部經理Christoph Wagener強調說。
這家位于德國伊塞隆（Iserlohn）的汽車制造商長期以來一直活躍于混合結構領域。在白車身的結構部件中，鋼和鋁或者金屬和塑料等材料組合已經不再罕見。但這絕不表示原有的成熟技術就要被淘汰：“我們一如既往地還在運用咬合、鉚合、旋合等機械式連接技術”，Wagener說。點焊和激光焊接等熱連接技術也屬于完全服務供應商的核心能力。但是點焊明顯具有不足之處：“鋼和鋁的接合不能用焊接的方式，”Wagener強調說。
標準連接方式的撤退？
作為一種成熟的連接工藝，電阻點焊仍然在混合結構的全鋼領域中處于主導地位，但卻不能用于混合搭配的材料接合。位于比勒費爾德的接合技術專業企業博爾豪夫公司（B?llhoff）供應許多種接合及緊固系統，不僅能夠將鋼，還可以將鋁、鎂、塑料及各種混合材料進行長效接合。從其產品范圍可以發現，標準連接件基本不再是核心產品。重要產品則是盲帽鉚接螺母、塑料制的螺栓及螺栓系統、振動及聲音耦合連接系統或者用于塑料及復合材料的螺紋接頭。所有產品均支持機械式連接工藝，如高速沖鉚、沖壓鉚合及螺紋連接等。
在有許多人正對于汽車制造中的這些趨勢感到十分高興，這其中毫無疑問地就有Elmar Locher。這位連接技術專家是一個家族企業的代理人，這家企業在近30年前首次推出其擁有專利的“Tox沖壓圓點連接工藝”后，不斷對這項通用而靈活的咬合連接技術進行進一步開發：這就是位于魏因加滕的托克斯沖壓技術有限公司（Tox Pressotechnik）。“所謂的TOX咬合連接是一種純機械的工藝，可以將相同或不同厚度、相同或不同材質的板材，以絕對恰當的形狀和力量互相連接”，Locher指出，還可以連接具有涂層或漆層的板材，板材之間可以夾入薄膜或減震材料。在資源保護和輕量化方面，Tox咬合連接也具有一個優勢：即使是高強度的特種鋼板和混合材料（鋼板、粘合劑、鋁板）也能進行連接，而且沒有任何生產技術問題，并能實現可復制的高連接質量。Locher說：“TOX沖壓圓點連接的連接質量非常高，在汽車制造中，甚至可以用此工藝將沖撞相關的零部件及組件安全地互相連接。今天，在汽車產業中就有200多處應用，包括車身、裝備、內飾方面所有可以想到的的零部件和組件。”與螺接、鉚接等其他機械連接方式相比，Tox咬合連接無需機械預備工作，如鉆孔、沖孔、沉孔等；也不需要任何輔助連接件。另外，這種工藝也無需使用焊接和硬焊或釬焊等熱熔連接所需的焊劑。還有，Tox咬合連接免去了焊接中不可避免的能源消耗。
工藝研究表明，咬合連接不僅在工藝上，而且在成本方面都明顯優于電焊。例如一家德國原始設備制造商（OEM）通過使用咬合連接代替焊接，在零部件方面節省了66%；而在生產一款日本汽車的行李箱蓋時，使用Tox咬合連接比沖壓鉚接整整節省了89%。保時捷新款車型Macan 的零部件也成功地使用了“Tox技術”。據了解，這樣的部件有行李箱蓋和車頂部位的壓鉚螺母。托克斯公司對保證沖壓時間非常自信，將特種機床、帶有獨立控制器的機器人系統和機械鉗系統都運用到國際汽車制造業的流水線上，確保對整個生產過程進行全程監控。目前，Tox公司正致力于研究一種新型模塊化的夾鉗：卡箍將由42公斤“塑身”為29公斤。
五年前，博爾豪夫公司就和輕量化方面的專業公司德國孚利模集團（Frimo）合作，將所謂的“一次成型工藝”及配套的機械制造技術發展至實際應用。該工藝旨在用于玻璃纖維增強塑料材質的薄壁型結構零部件。沖壓套管上有特殊的螺紋，無需預打孔便可以連接結構元件。目前又增加了螺釘的應用。所謂的“Rivtac螺釘”也可以實現金屬和塑料的混合部件連接，而無需預打孔。這種機械連接工藝是將一種類似于指甲的輔助連接件加速到高速后，打入沒有預打孔的部件。這種螺栓尖端呈尖拱形，可以刺穿材料而不產生毛邊。而應用這種工藝的前提條件是結合件要有足夠的剛性。比如奔馳公司在新的C級車車身制造中使用了這種工藝—在其內部被稱為“沖擊工藝”。C級車的鋁材混合車身根據結構輕量化原則設計而成，比傳統的鋼材車身減輕了70公斤。
缺點：復雜化
如今，這種直接的沖鉚工藝已在高強度零部件和型材的批量生產中占據一席之地。與目前的二步安裝沖壓套管的方法相比，這種新工藝的加工過程既快速，成本又低。博爾豪夫公司稱，汽車行業已經開始采用機器人操控自動沖鉚設備，甚至高強度鋼的多層連接也不再有任何問題。但是，混合式輕量化方式也有其代價：比如白車身連接技術的復雜化。Thomas Liedtke博士是不來梅奔馳工廠車身生產部（白車身和表面加工）主管，他說：“沖擊鉆或流鉆螺絲等新工藝加大了連接技術的復雜性。”據這位車身制造專業人士說，這些工藝的主要亮點是會給材料增加少許熱量。還有一點：“通過這些新的連接工藝，即使復雜的零部件也可以實現單面操作。”
機械連接的一大缺點是連接處會有發生腐蝕的危險。根據材料搭配的不同，零部件和連接件必須另外附加涂層。經濟實用的鋼板和鋁材連接以及可以再次剝離的螺栓連接，在OEM廠的車身制造中發揮著重要的作用。例如，大眾汽車公司在對螺栓和其他連接件的所謂“表面涂層”的特性規定了嚴格的標準。大眾標準TL180中明確規定了應有的摩擦系數和耐腐蝕性。為此，德爾肯微涂層防腐蝕系統公司（D?rken MKS-Systeme）等表面技術專業公司研發了高效鋅片涂覆系統，只要幾微米的涂層厚度便能夠起到良好的防腐蝕效果。防腐蝕技術的另外一種趨勢，尤其在沖壓鉚合技術中，就是另外使用粘合劑。不過這有一個基本缺陷，即粘合劑需要很長的硬化時間。
汽車的輕量化也激勵了德國伍爾特（Würth）集團的子公司阿諾德成型技術有限公司（Arnold Umformtechnik）。在螺絲方面，該公司正在尋找傳統板材連接工藝的功能性替代品。所謂的“流孔成型螺絲”可以無需預先鉆孔而穿透材料。在扭矩控制的裝配過程之中和之后，形成的孔洞均與螺絲的紋路嚴絲合縫。阿諾德公司的研發工程師Heiko Miller這樣描述結果：“形成的連接既不透水也不透氣，具有很大的拉拔力。”對于這種工藝的成本和流程效率，他強調說：“這種工藝省去了對部件進行預制的工序，例如鉆孔、沖壓和螺紋切削，同時也無需加入螺母和夾具等附加輔助連接元件。”
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