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盡管已經(jīng)有越來越多的汽車制造商應用鋁材，但是Mark Simms認為有必要在機械方法當中加進這種材料

面對不斷增加的降低耗油量和車輛廢氣排放帶來的壓力，汽車業(yè)將技術創(chuàng)新視為救命的稻草，但是到頭來發(fā)現(xiàn)，重量才是問題的關鍵。那么就很容易理解，為什么人們對輕質材料的應用如此感興趣，比如鋁、塑料、復合材料和白色車身的新型鋁合金。

鋁和鋁合金對汽車車身結構具有特殊吸引力：鋁的重量大約是鋼的三分之一，但鋼非常結實。在輕得多的車身結構中，鋁具有相對更好的車身強度。而且，鋁本質上具有更強的抗腐蝕性。

然而，投向鋁材汽車車身，卻沒那么簡單。首先鋁的成本顯然更高，但這并不是無法攻克的難題，因為消費者們愿意付出更高的價格，購買在耗油上回報更為豐厚的汽車。也許更重要的一點是，應用于鋼鐵的焊接工藝還無法直接應用到鋁的工藝上來。

和鋼鐵相比，鋁的熔點要低得多，而導熱系數(shù)更高。這就意味著，傳統(tǒng)的焊接技術很可能會破壞護板。而且，護板的氧化鋁表面會導致焊接不牢、抗疲勞強度比較低，造成潛在的安全隱患。

焊接成本也高得多，因為鋁的導電率很高，電流需要量也就會增加。還有，鋁表面形成的具有高抗腐蝕性的氧化鋁，在焊接過程反而成了缺點。因為，焊接過程中氧化物會迅速波及到點焊嘴，降低了使用壽命，因而又增加的焊接成本。

鋁的替代品

現(xiàn)在更常用鋁車身

電焊技術在汽車業(yè)已經(jīng)深入骨髓，一個典型的汽車構造中，可能擁有3,000個至5,000個焊點，材料指標在0.6-1.0毫米，結構節(jié)點的封閉指標為1.2-2.5毫米，周期為每次焊接1.5-2.0秒。但是如果鋁的使用導致傳統(tǒng)焊接衰敗，那么鋁又將如何適應現(xiàn)代汽車產品對速度和靈活性的自動化要求高漲的行業(yè)呢？

隨著對接合法技術的關注越來越多，有四種方法可以考慮:粘合劑、自沖鉚接術、鉚接、和流鉆螺絲。2013年Alcoa公司演示了普通方法的特性和接觸電焊。研究表明，盡管期望很高，但是雖然所有方法都具有高機械性能，但消耗成本卻更高。

除此之外，性能參數(shù)具有相對優(yōu)勢，比如表層呈現(xiàn)需要（除了粘合劑）、自動化潛力、鋸條速度、與粘合劑的兼容性調整精度。優(yōu)于接觸電焊的一點是，所有機械替代品都可以與異質材料相接合，比如把鋁接合到鋼上，把鋁接合到復合材料上。

自沖鉚接技術

在的接合法中，自沖鉚接術是迄今為止采用廣泛的一種方法。它非常強大，足以接合結構構件。它具有高度自動化的能力，足以滿足汽車制造業(yè)的各種要求。

自沖鉚接術是單步式技術，它將管型鉚釘穿進雙層材料。自沖鉚釘沖進上層材料，此時模具會將它在下層材料內擴張爆發(fā)，從而形成一個扣緊的機械接頭。正如其名，不需要預鉆孔，而且可以在一個沖程內形成一個高強度接頭。對預涂層材料幾乎沒有什么損害。

自沖鉚接技術比其他替代接合法擁有諸多優(yōu)點。它所提供的高強接頭非常適合目測。它可以再生，而且不需要預鉆孔。接頭是防水密封的。它可以接合金屬材質、非金屬材質，可以扣緊不同類金屬。它也可以適合用于不同材料強度和厚度，既能滿足手工裝配的需求，也能滿足自動化的處理。自沖鉚接術可用于各種結構，從便攜式到多頭式自動化工具，可以是電動的、氣動的或是液壓驅動的。

供應商還提供正確使用自沖鉚接術的技巧，而且還有鉚釘插入方向的參考，材料的薄厚會影響結果。接合，就是將自沖鉚釘從薄的材料沖進厚的材料，從硬的材料進入軟的材料。

鋁身自沖鉚接技術早就被一些有名的企業(yè)所應用，比如捷豹路虎和奧迪。捷豹XJ，XK和新款F-型都是有鋁材制成的，并用自沖鉚接術來裝配的，比如款路虎攬勝。在這方面，奧迪將自沖鉚接術用于A8和A2車型上。

捷豹的新F-Type有鋁身體和由鉚接裝配

HSPR & Riveset self-piercetechnology

自沖鉚接術的一個代表就是Henrob，它的客戶中有大名鼎鼎的寶馬、奧迪、捷豹、沃爾沃、梅賽德斯和現(xiàn)代。1994年，奧迪公司就將Henrob公司的預夾緊自沖鉚接系統(tǒng)，用于大部分奧迪A8單個接點。1999年，同樣的系統(tǒng)應用于奧迪A2的各個組件。Henrob技術在捷豹車上也是顯而易見的，與2001年將自沖系統(tǒng)應用于鋁身X350汽車，是由Henrob開發(fā)，并使用川崎機器人操作。當2005年，系統(tǒng)被重新評定其價值時，捷豹就下結論說，自沖鉚接術在鋁的接合方面仍然是方法。

對Henrob自沖鉚接術,HSPR承諾循環(huán)時間快、低耗能，而且可以在涂層或噴漆結束之后使用，而不會造成實質上的損壞。進程可以高度重復，可立即用于自動化鉚釘進給，從而進行持續(xù)生產。

自沖鉚接術另一個代表就是Bollhoff，提供可適用于鋁（加壓鑄成的、沖壓的，片狀的），還有鋼，以及不同種類的混合材料，比如鎂、銅、膠片金屬網(wǎng)、塑料和夾層材料。Bollhoff說，還可以接合每個1.0毫米厚的鋼片，或者每個3.0毫米厚的鋁片。Rivset將來接合組合材料，包括：1.2毫米的鋁片之間夾上1.0毫米的鋼片；或者1.5毫米的鎂片之間夾上1.2毫米的鋁片；或2.0毫米的鋁片之間夾上2.0毫米的塑料；或在3.0毫米的鋁片之間夾上3.0毫米的塑料；或在鋁片之間夾上粘合劑夾層。

Bollhoff的Rivset系統(tǒng)目前已經(jīng)有了第二代，在接合混合材料與高強鋼(HSS)的過程中能夠保證節(jié)省一半的時間。它根據(jù)設計工具，能使一個周期時間限制在1.5秒之內，并能把鉚釘?shù)拈L度控制在±0.25毫米范圍內。而且，Bollhoff說，配置管理，在盡可能滿足客戶要求的情況下，保證低成本投資。

設計工具大小和重量被降低，機器人的負載有80公斤，然而卻能提供撐力達78公噸。該工具具有C-框架設計，焊縫厚度為500毫米標準值，或在輕型框架設計里，厚度達750毫米，在把工具定位在汽車車身構架里面或周圍時，具有的靈活性。該工具是液壓驅動，擁有限度延長使用壽命的設計，以及非常低的維護成本。

Bollhoff的工具每分鐘可以完成60個鉚釘，存儲能力在大約15,000個鉚釘左右。控制系統(tǒng)提供的局部硬件配置上有著機器零件控制，上面的開放式接口可以支持典型汽車生產機器人通用的所有協(xié)議標準。選擇項中就有平板電腦，通過觸屏為操作員提供局部控制，而通過手動控制則可以可視操作過程。

控制系統(tǒng)還可以把多重自沖鉚接系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到控制系統(tǒng)，并進行分析和存檔，保證生產過程所有數(shù)據(jù)保存完好，并實現(xiàn)車輛使用期內的可追溯性。Henrob和Bollhoff的自沖鉚接工具里都有監(jiān)測系統(tǒng)，在鉚接過程中追蹤推動和沖壓進程。把結果拿來與預定義參考進行比較，來判定接合是否合格，為持續(xù)提高駕駛的質量控制提供有利的工具。

以ClinchRiveet來鞏固成果

自沖鉚接術的一個變型就是Tox Pressotechnik所說的ClinchRivet鉚接技術。這與傳統(tǒng)的自沖鉚接術不同，并不穿透上層材料。而且，因為ClinchRivet鉚接本身簡單而且均勻，能完成進給和沖壓。在ClinchRivet接合過程，零件裝配集合圖和沖壓行動可以用一個極其簡單的圓柱形鉚接就完成有效接合。因為冷成型片金屬材質具有一種強抓扣功能，簡單的幾何形狀就能完成基礎接合。Tox說，接合非常干凈，而且可再生性很高。

由于ClinchRivet鉚接特別適合非常薄的材質，而且接合非常牢固，公司稱，ClinchRivet鉚接要比自沖鉚接在抗拉強度和切變強度方面都得多。ClinchRivet鉚接是通過將成型鉚釘牢牢固定在接合處而獲得高強度值的，而且在深拉成型的過程中，將金屬薄片固定在頸區(qū)。

Tox稱，封閉的鉚釘形狀，與半敞開的自沖鉚接相比，擁有諸多好處。比如不需要任何粘合劑，也不會產生能導致腐蝕的氣泡。Tox 還強調說，ClinchRivet鉚接對消極產品影響不很敏感，比如板材之間的空隙、錯邊，以及粘合劑的使用。如果沖孔面脫模機的力量足夠，金屬片之間的縫隙不會影響到接頭強度。

對于汽車制造應用方面，Tox推出一個有著鉚釘供應模塊的機械單位。供應模塊的存儲管理大概裝有600個鉚釘，機械單位在需要時與存儲對接，裝入200個鉚釘。模塊設計可以又快又簡單地交換組件。

至于自沖監(jiān)控選項，Tox提供全程監(jiān)控功能，壓力傳感器會持續(xù)測量結合全過程中的擠壓力，還有一個形成傳感器監(jiān)控沖壓全程。這些參數(shù)可以與質料、金屬片厚度、層數(shù)結合起來，提供所有質量和追溯性信息。

對鉚釘工藝，Tox的奉獻還有RoundJoint，即用一個圓沖子沖壓材料進到模腔從而完成接合。隨著壓力的增大，沖孔面材料在模壁材料內向外蔓延。RoundJoint與點焊相比，可以節(jié)省30-60%的成本，而且可以達到點焊70%的靜力強度——不需要任何螺絲或鉚釘。

Tox鉚接工藝用于汽車制造業(yè)的方方面面，出名的當屬奧迪TT。Round Joint是在TT開發(fā)階段才被注意到，并在生產方案里被選為有效而經(jīng)濟的一種方法。在隨后的雙門跑車和敞篷車更迭過程中，Tox鉚接工藝被廣泛應用，通常在高自動化的機械單元里與涂膠相結合。

ClinchRivet uses a combined drawing andpressing action to produce an effective joint from a simple, cylindrical rivet

Tox robot tongs clinch the B-pillar inan audi TT door

挑戰(zhàn)仍然存在

以上討論中，貫穿所有例子的主線顯示，我們正在的探討的車輛并不是大銷量車型。因此，也許這就是為什么人們懷疑使用鋁材的可行性問題。但是情況發(fā)生轉機，福特公司2015年將推出F-150皮卡車，這個車型將會使用這種材質。與年銷量在10,000到15,000輛的豪華轎車相比，F(xiàn)系列皮卡車2013年的銷量就突破760,000輛。這將此前人們對鋁應用于汽車制造上的懷疑。

但這并不能說明戰(zhàn)勝了挑戰(zhàn)。焊接工藝的大優(yōu)點就在于在生產線上的靈活性，多個平臺在同一個生產線上同時進行裝配。2013年演示表演上，Alcoa就指出，鋁材裝配線傾向于應對單一平臺。目前還需要很長時間，才能出現(xiàn)自沖鉚接或鉚釘工藝裝配線，用以生產多平臺、鋁鋼車輛單一平臺，或者能夠組裝混合材質、多平臺車輛的生產線。而目前的電焊工藝，多模型可以在一個生產線里流水作業(yè)，而且每個焊槍可以不斷變換焊接任務，適應不同車輛要求。OEM制造商可以完成儀表更換，也不需要因為更換工具而停工或增加資本成本。接合法工藝卻很難達到這樣的靈活性。

同時，通用汽車正在努力獲得鋁材焊接技術。公司稱，這種焊接要比傳統(tǒng)技術功能強大得多。2012年底，當這種技術剛走入公眾視野，通用公司就在估算技術能從車輛上減輕近1公斤的鉚釘。這或許簡化了鋁材零部件使用期限內的循環(huán)利用。而且，通用之前發(fā)布聲明，他們愿意將此新的焊接技術用于其他制造業(yè)。

正如前面提到，福特F-150即將力挽狂瀾，鋁材車體結構應用于銷售量大的平臺。但是，行業(yè)內存在的問題是，如何將這種思潮延伸到大范圍的批量生產車輛，以及多平臺裝配線上。正如在奧迪TT所體現(xiàn)出的，我們需要整合一系列不同的結合方法，并著眼于如何以的方法將他們整合到汽車裝配工藝當中。