《Journal of Manufacturing Processes》：Riveting-welding hybrid joining technologies of aluminum to steel: A review
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摘要采用铝钢混合结构是实现轻量化车辆制造的关键方法。点连接技术是这类多材料组件加工的核心技术。然而，由于铝和钢的热物理性质存在巨大差异，且不可避免地会形成脆性的金属间化合物，传统点焊铝与钢时面临诸多挑战。传统的铆接方式也因钢材强度的提升而受到限制，且密封性能较差。为解决这些问题，
摘要
采用铝钢混合结构是实现轻量化车辆制造的关键方法。点连接技术是这类多材料组件加工的核心技术。然而，由于铝和钢的热物理性质存在巨大差异，且不可避免地会形成脆性的金属间化合物，传统点焊铝与钢时面临诸多挑战。传统的铆接方式也因钢材强度的提升而受到限制，且密封性能较差。为解决这些问题，人们开发了铆接-焊接混合连接技术，通过结合冶金结合与机械互锁来实现更优质的接头。本文系统地介绍了三类此类技术：电阻铆接-焊接、摩擦铆接-焊接以及激光铆接-焊接。针对每种技术，文章分析了其连接机制、工艺特点、微观结构及力学性能。此外，还探讨了工艺参数、铆钉几何形状、中间层或涂层的使用以及外部能量场等因素对接头微观结构与力学性能的影响，并对比分析了各种技术的优缺点。最后，提出了关于铝/钢铆接-焊接混合连接技术进一步研究及工业应用的若干建议。
引言
在现代汽车工业中，轻量化设计是一大发展趋势，这一趋势的推动源于提升燃油效率以及减少温室气体排放的迫切需求[1]、[2]。为实现车辆减重，一种有效的策略便是采用多材料设计，利用不同材料的特性优势，在控制制造成本、减轻结构重量以及满足力学性能要求之间找到平衡[3]。在各类材料组合中，铝合金与钢的混合结构被认为是用于汽车白车身的最具前景的选择之一。这种组合充分利用了铝合金密度低、比强度高且耐腐蚀性优异的特点，同时保留了钢材出色的力学强度、可成形性以及成本优势[4]。
尽管具有巨大潜力，但要实现可靠的铝/钢接头，传统点连接技术仍面临诸多难题。电阻点焊因其速度快、成本低且易于自动化，是目前汽车制造中最常用的连接方法，但它也存在显著缺陷。由于铝和铁的热物理性质差异极大，且二者之间的冶金相容性较差，因此在焊接界面处会迅速形成坚硬且脆性的铁-铝金属间化合物，这会严重降低接头的性能[5]、[6]。虽然已有大量研究致力于优化电阻点焊技术，但人们也探索了其他焊接方法，如摩擦搅拌点焊[7]、激光点焊[8]、超声波点焊[9]、[10]以及冷金属转移点焊[11]、[12]。尽管这些技术展现出了一定潜力，但要实现适用于工业应用的高强度接头仍然困难重重。
另一方面，汽车制造中常用的自冲铆接[13]、冲孔螺钉连接[14]以及压铆连接[15]等技术也适用于铝/钢组合结构。由于这些工艺属于固态连接，因此无需考虑材料熔化以及金属间化合物形成的问题。不过，它们也存在不足之处。随着钢材强度等级的提高，其塑性变形能力下降，传统铆接工艺便面临着更大的挑战[16]、[17]、[18]。此外，与焊接相比，由于缺乏冶金结合，铆接的密封性能较差。图1展示了传统点连接技术的概况。
为克服单独使用焊接或铆接技术所带来的局限性，研究人员开发了一类融合了这两种工艺的混合连接技术。这种被称为“铆接-焊接混合连接”的方法旨在通过结合铆钉带来的机械互锁效果与焊接实现的冶金结合优势，从而获得性能更优的接头[19]。如图2所示，近年来这类技术受到了越来越多的研究关注。
本文系统地总结了目前用于铝与钢连接的三大类铆接-焊接混合技术的最新进展，即电阻铆接-焊接、摩擦铆接-焊接以及激光铆接-焊接。针对每类技术，文章分析了其连接机制、工艺特点以及由此产生的微观结构与力学性能。随后，本文对这些技术的优缺点进行了对比分析，并探讨了未来的研究方向。
章节要点
电阻铆接-焊接混合连接技术
根据铆钉的设计及工艺特点，电阻铆接-焊接技术可大致分为电阻元件焊接、电阻铆接以及主动排出辅助型电阻点焊。其中，电阻元件焊接是这类技术的基础原理，通过引入铆钉来改变关键连接界面，为后续更为复杂的工艺奠定基础。
摩擦铆接-焊接混合连接技术
与熔化焊接相比，基于摩擦的连接工艺具有热输入较低的优势，这有助于抑制铝/钢接头中脆性金属间化合物的生长[60]、[61]。为进一步提升接头性能并解决异种材料连接的问题，人们还开发了多种基于摩擦原理的铆接-焊接混合技术[62]。这类技术可根据是否需要在板材上预先加工孔洞来进一步分类。
激光铆接-焊接混合连接技术
激光铆接-焊接混合连接技术旨在在铆钉与板材之间实现机械互锁，同时通过单一激光热源或激光-电弧混合热源，在钢铆钉与上层钢板之间建立稳定的冶金结合。这种方法结合了机械互锁与冶金结合两者的优点。具体的连接工艺如图22(a)所示[95]。尽管所使用的热源可能有所不同，
总结与展望
铆接-焊接混合连接技术为异种铝/钢部件的连接提供了新的解决方案。与传统的点焊或单独的铆接技术相比，这类混合工艺能够显著提升接头的性能。通过对目前用于铝/钢异种金属连接的电阻铆接-焊接、摩擦铆接-焊接以及激光铆接-焊接技术的现状进行分析，可得出以下结论及未来发展趋势：
总体而言，
作者贡献说明
王光华：论文撰写与编辑、原始稿件撰写、概念构思。郑敏：论文撰写与编辑、研究指导、方法设计。熊颖：论文撰写与编辑、研究指导、定量分析。王楠：论文撰写与编辑。胡杰：数据收集、数据整理。陈玉华：项目管理、资金筹措。江青：论文撰写与编辑、定量分析。王善林：数据收集、数据整理。谢吉林：数据收集、数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52175326、52575394、52505386）以及江西省自然科学基金（项目编号：20242BAB20204、20252BAC230001）的支持。
王光华|郑敏|熊颖|王楠|胡杰|陈玉华|江青|王善林|谢吉林
