孔塞焊方法在铝合金车门导轨连接处的应用

2022-05-12宋小雨李井泉毛晓东刘庆永李秀磊徐志强

铝加工 2022年2期

宋小雨，李井泉，毛晓东，刘庆永，李秀磊，徐志强

（中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

汽车轻量化的发展给铝合金材料在汽车上的应用带来了巨大机遇。由于铝合金材料具有导热率高、导电性好、氧化性强以及线膨胀率系数大等特点，使用传统电阻点焊容易在焊缝区域出现气孔、变形以及裂纹等问题，难以保证铝合金车门结构件的牢固连接[1-2]。目前铝合金车门主要采用SPR 工艺、FDS 工艺与胶接工艺结合的方式[3]，连接强度可靠，可以满足铝合金车门的连接性能要求。

车门窗框造型及尺寸对驾驶员的视野、乘客的舒适感有较大影响，所以传统车门内板和窗框导轨搭接边长度通常设计较小，约为8~10 mm。受材料性能影响，铝合金车门主要采用胶铆连接，但车门窗框导轨处的搭接边宽度无法满足自冲铆接SPR工艺要求（大于20 mm），容易发生铆接失效，因而无法保证连接点强度。同时，采用自冲铆接在导轨外侧会存在1~2 mm 高的铆接凸点，导致玻璃尼槽的唇边安装不平顺，存在影响车门玻璃平顺运行及损害玻璃尼槽使用寿命等问题。

基于以上问题，本文探讨了在某铝合金车门窗框导轨与车门内板搭接处采用孔塞焊的形式，不仅解决了由于搭接边宽度小，铆接质量无法保证的问题，同时也解决了铆钉凸点影响车门玻璃平顺运行及损害玻璃尼槽使用寿命的问题。

1 铝合金车门玻璃导轨连接处结构设计

车门内板与玻璃导轨连接处的设计要考虑侧视野的开阔性、玻璃尼槽的安装、导轨连接处的强度等因素。某铝合金车门玻璃导轨连接处的结构由车门内板和钢制玻璃导轨组成（见图1（a）），且此处通常采用自冲铆接和胶粘配合连接。经过测量现有车门数据，发现车门内板与导轨连接处的有效搭接边尺寸L无法满足SPR工艺操作的空间要求，如图1（b）所示。因此，在不改变窗框尺寸和搭接边长度的情况下，如何实现玻璃导轨处的有效连接是当前需要解决的关键问题

图1 窗框结构及断面示意图

2 铝合金车门玻璃导轨处铆接连接

若铝合金车门玻璃导轨处采用胶铆连接工艺，需要满足的最小搭接边为20 mm。而现有窗框搭接尺寸L 为10 mm，无法满足SPR 连接工艺要求，如图2（a）所示；若直接加大搭接边宽度L，窗框开口尺寸会相应减小从而影响侧视野范围；L向空腔方向加大，断面空腔面积减小会降低窗框结构刚度。由此可见，二者任一结构上的改动都会影响整车舒适性和安全性[4-6]。

图2 铆接工艺示意图

3 铝合金塞焊形式的应用

基于玻璃窗框搭接边宽度不能满足铆接SPR工艺要求，同时又不能更改窗框开口尺寸和窗框断面空腔面积的情况下，本文利用孔塞焊连接形式替代铝合金胶铆连接，不仅解决了窗框结构空间受限问题，同时保证了连接强度，实现车门整体安装强度的安全。

3.1 窗框导轨处塞焊位置及强度要求

塞焊的一般布置间距为（80±10） mm，结构设计完成后根据性能分析适当微调，具体参见图3。

图3 塞焊位置示意图

建立车门总成分析模型，见图4。车门可靠性强度分析标准见表1。利用Hypermesh 软件进行可靠性强度分析，获得车门窗框导轨处塞焊位置的应力值分布，如图5所示。

表1 可靠性强度分析标准

图4 车门总成分析模型

图5 塞焊位置应力分析结果

结合车门窗框导轨处的受力工况，选取最大载荷进行分析，最终获得车门窗框导轨塞焊位置处的最大应力值为31 MPa，应力较小。

3.2 塞焊强度试验验证

为了进一步验证采用塞焊工艺的可行性，按照该车门所用的板材材质和厚度设计试验方案：采用钢板DC01-0.7 mm和铝板AL5182-1.5 mm试样进行塞焊连接，试样尺寸为120 mm×40 mm；通过改变塞焊孔的形状尺寸及塞焊方向，获得不同参数对接头强度的影响规律。采用图6所示的两种连接形式测试连接点的抗剪强度和抗拉强度。

图6 强度试验

结合表2 和图7 可以看出，塞焊孔形状采用长圆孔时连接强度较高，而长方孔在尖角处存在应力集中，铆点处板材脱落现象明显，对连接强度有削弱影响。

表2 塞焊孔形状尺寸对接头强度影响的试验结果

图7 塞焊孔形状尺寸对接头强度的影响

结合表3 和图8 可以看出，采用铝板开孔而钢板不开孔的塞焊方式时，失效形式均为焊点脱落，连接强度较差，应避免采用。这主要是因为钢板与铝板的熔点差异较大，出现了铝合金熔化时钢板未焊透的情况。当采用钢板开孔与铝板不开孔的塞焊方式时，失效形式均为板材撕裂，连接位置性能良好，且在塞焊孔边缘出现了自锁凸起，进一步增加了强度。