轻量化的咬合连接与焊接技术

轻量化推动了车身制造中新的接合工艺的发展，因为使用传统的点焊方法无法再连接新型的混合部件。未来竞争依靠的是完全匹配的连接系统。

所谓的“一升车”大众XL1车型只进行了小批量生产，离巨大的市场成功还十分遥远。但是这种超前的两座车不仅在油耗这一点上成为了全世界的表率，其车身也树立了新的标准：车身重量只有230公斤，主要由碳纤维增强塑料（CFK）构成。业界对此表示深受震动，不过如何把混合材料制成的车身零部件组装起来，这对技术人员和连接专家提出的巨大挑战。车辆的整体结构应该既轻盈，又稳定安全。“材料组合以及混合建造方式推动了连接技术的进步”，德国奇昊汽车公司（Kirchhoff）研究和产品开发部经理Christoph Wagener强调说。

这家位于德国伊塞隆（Iserlohn）的汽车制造商长期以来一直活跃于混合结构领域。在白车身的结构部件中，钢和铝或者金属和塑料等材料组合已经不再罕见。但这绝不表示原有的成熟技术就要被淘汰：“我们一如既往地还在运用咬合、铆合、旋合等机械式连接技术”，Wagener说。点焊和激光焊接等热连接技术也属于完全服务供应商的核心能力。但是点焊明显具有不足之处：“钢和铝的接合不能用焊接的方式，”Wagener强调说。


标准连接方式的撤退？


作为一种成熟的连接工艺，电阻点焊仍然在混合结构的全钢领域中处于主导地位，但却不能用于混合搭配的材料接合。位于比勒费尔德的接合技术专业企业博尔豪夫公司（Böllhoff）供应许多种接合及紧固系统，不仅能够将钢，还可以将铝、镁、塑料及各种混合材料进行长效接合。从其产品范围可以发现，标准连接件基本不再是核心产品。重要产品则是盲帽铆接螺母、塑料制的螺栓及螺栓系统、振动及声音耦合连接系统或者用于塑料及复合材料的螺纹接头。所有产品均支持机械式连接工艺，如高速冲铆、冲压铆合及螺纹连接等。

在有许多人正对于汽车制造中的这些趋势感到十分高兴，这其中毫无疑问地就有Elmar Locher。这位连接技术专家是一个家族企业的代理人，这家企业在近30年前首次推出其拥有专利的“Tox冲压圆点连接工艺”后，不断对这项通用而灵活的咬合连接技术进行进一步开发：这就是位于魏因加滕的托克斯冲压技术有限公司（Tox Pressotechnik）。“所谓的TOX咬合连接是一种纯机械的工艺，可以将相同或不同厚度、相同或不同材质的板材，以绝对恰当的形状和力量互相连接”，Locher指出，还可以连接具有涂层或漆层的板材，板材之间可以夹入薄膜或减震材料。在资源保护和轻量化方面，Tox咬合连接也具有一个优势：即使是高强度的特种钢板和混合材料（钢板、粘合剂、铝板）也能进行连接，而且没有任何生产技术问题，并能实现可复制的高连接质量。Locher说：“TOX冲压圆点连接的连接质量非常高，在汽车制造中，甚至可以用此工艺将冲撞相关的零部件及组件安全地互相连接。今天，在汽车产业中就有200多处应用，包括车身、装备、内饰方面所有可以想到的的零部件和组件。”与螺接、铆接等其他机械连接方式相比，Tox咬合连接无需机械预备工作，如钻孔、冲孔、沉孔等；也不需要任何辅助连接件。另外，这种工艺也无需使用焊接和硬焊或钎焊等热熔连接所需的焊剂。还有，Tox咬合连接免去了焊接中不可避免的能源消耗。

工艺研究表明，咬合连接不仅在工艺上，而且在成本方面都明显优于电焊。例如一家德国原始设备制造商（OEM）通过使用咬合连接代替焊接，在零部件方面节省了66%；而在生产一款日本汽车的行李箱盖时，使用Tox咬合连接比冲压铆接整整节省了89%。保时捷新款车型Macan 的零部件也成功地使用了“Tox技术”。据了解，这样的部件有行李箱盖和车顶部位的压铆螺母。托克斯公司对保证冲压时间非常自信，将特种机床、带有独立控制器的机器人系统和机械钳系统都运用到国际汽车制造业的流水线上，确保对整个生产过程进行全程监控。目前，Tox公司正致力于研究一种新型模块化的夹钳：卡箍将由42公斤“塑身”为29公斤。

五年前，博尔豪夫公司就和轻量化方面的专业公司德国孚利模集团（Frimo）合作，将所谓的“一次成型工艺”及配套的机械制造技术发展至实际应用。该工艺旨在用于玻璃纤维增强塑料材质的薄壁型结构零部件。冲压套管上有特殊的螺纹，无需预打孔便可以连接结构元件。目前又增加了螺钉的应用。所谓的“Rivtac螺钉”也可以实现金属和塑料的混合部件连接，而无需预打孔。这种机械连接工艺是将一种类似于指甲的辅助连接件加速到高速后，打入没有预打孔的部件。这种螺栓尖端呈尖拱形，可以刺穿材料而不产生毛边。而应用这种工艺的前提条件是结合件要有足够的刚性。比如奔驰公司在新的C级车车身制造中使用了这种工艺—在其内部被称为“冲击工艺”。C级车的铝材混合车身根据结构轻量化原则设计而成，比传统的钢材车身减轻了70公斤。

缺点：复杂化

如今，这种直接的冲铆工艺已在高强度零部件和型材的批量生产中占据一席之地。与目前的二步安装冲压套管的方法相比，这种新工艺的加工过程既快速，成本又低。博尔豪夫公司称，汽车行业已经开始采用机器人操控自动冲铆设备，甚至高强度钢的多层连接也不再有任何问题。但是，混合式轻量化方式也有其代价：比如白车身连接技术的复杂化。Thomas Liedtke博士是不来梅奔驰工厂车身生产部（白车身和表面加工）主管，他说：“冲击钻或流钻螺丝等新工艺加大了连接技术的复杂性。”据这位车身制造专业人士说，这些工艺的主要亮点是会给材料增加少许热量。还有一点：“通过这些新的连接工艺，即使复杂的零部件也可以实现单面操作。”

机械连接的一大缺点是连接处会有发生腐蚀的危险。根据材料搭配的不同，零部件和连接件必须另外附加涂层。经济实用的钢板和铝材连接以及可以再次剥离的螺栓连接，在OEM厂的车身制造中发挥着重要的作用。例如，大众汽车公司在对螺栓和其他连接件的所谓“表面涂层”的特性规定了严格的标准。大众标准TL180中明确规定了应有的摩擦系数和耐腐蚀性。为此，德尔肯微涂层防腐蚀系统公司（Dörken MKS-Systeme）等表面技术专业公司研发了高效锌片涂覆系统，只要几微米的涂层厚度便能够起到良好的防腐蚀效果。防腐蚀技术的另外一种趋势，尤其在冲压铆合技术中，就是另外使用粘合剂。不过这有一个基本缺陷，即粘合剂需要很长的硬化时间。

汽车的轻量化也激励了德国伍尔特（Würth）集团的子公司阿诺德成型技术有限公司（Arnold Umformtechnik）。在螺丝方面，该公司正在寻找传统板材连接工艺的功能性替代品。所谓的“流孔成型螺丝”可以无需预先钻孔而穿透材料。在扭矩控制的装配过程之中和之后，形成的孔洞均与螺丝的纹路严丝合缝。阿诺德公司的研发工程师Heiko Miller这样描述结果：“形成的连接既不透水也不透气，具有很大的拉拔力。”对于这种工艺的成本和流程效率，他强调说：“这种工艺省去了对部件进行预制的工序，例如钻孔、冲压和螺纹切削，同时也无需加入螺母和夹具等附加辅助连接元件。”