輕量化白車身及多材料連接技術(shù)的發(fā)展

汽車輕量化

汽車輕量化是節(jié)能減排的一個有效途徑，而汽車輕量化最有效的手段就是輕質(zhì)合金材料的應(yīng)用，目前國外已開發(fā)出多種多材料應(yīng)用的輕量化白車身，但其連接問題成為瓶頸，目前通用的點(diǎn)焊連接技術(shù)已無法滿足要求，各種新晉的連接技術(shù)層出不窮。

隨著國外輕量化白車身的發(fā)展，白車身的用材由鋼板應(yīng)用階段逐步發(fā)展到多材料混合應(yīng)用階段。本文以奧迪品牌的白車身發(fā)展進(jìn)程為例，歸納了其白車身用材演化的四個階段，分析了典型歐系、美系和日系車型白車身用材發(fā)展現(xiàn)狀及用材趨勢。



伴隨著輕量化白車身的發(fā)展，其相應(yīng)的多材料連接技術(shù)也隨之發(fā)展迅速。針對四個白車身發(fā)展階段，列舉了目前9種常用的多材料連接技術(shù)，也對應(yīng)規(guī)劃為4個不同階段，分析了每個階段進(jìn)程的多材料連接技術(shù)的適用范圍與優(yōu)劣勢。

國外輕量化車身發(fā)展過程

縱觀國外白車身的發(fā)展趨勢，奧迪公司的白車身發(fā)展趨勢極具代表性，到目前為止，其白車身的發(fā)展過程可分為四個階段：

第一階段：鋁合金覆蓋件開發(fā)階段
這個階段主要是為了增加材料強(qiáng)度級別，熱成形鋼逐步用于車身，還有少量鋁合金覆蓋件的應(yīng)用。典型的車型代表為奧迪A3車型（見圖1）。



零部件用材方面，機(jī)蓋、翼子板使用鋁合金材質(zhì)（3.2%），后座椅橫梁、中通道、A柱、B柱、機(jī)艙縱梁后段、前圍下板、后地板橫梁和后地板縱梁等位置采用熱成形鋼（21.7%）。

第二階段：鋁合金外覆蓋件成熟應(yīng)用階段
這一階段，外覆蓋件大量采用鋁合金，鋁合金覆蓋件比重顯著增加，熱成形鋼比重相對減少，典型的車型代表是奧迪A6車型（見圖2）。



零部件用材方面，機(jī)蓋、前后車門、翼子板、行李箱蓋板、頂蓋和前后防撞梁（鋁型材）應(yīng)用鋁合金。鋁合金用量較第一階段增加至18%，中通道、座椅橫梁、A柱和B柱等位置保留熱成形鋼，熱成形鋼的用量比例減少至11.3%。

第三階段：全鋁車身開發(fā)應(yīng)用階段
這個階段，車身外覆蓋件全部應(yīng)用鋁合金（鋁板材）、鋁型材和鑄鋁開始應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)件，輕量化效果顯著，與此同時，高強(qiáng)鋼和軟鋼板的用量急劇減少，典型的車型代表是奧迪TT車型（見圖3）。



零部件用材方面，增加了A柱、C柱、側(cè)圍和頂蓋橫梁等位置的鋁合金，鋁合金用量由18%增加到35.8%，中通道、座椅橫梁采用熱成形鋼，軟鋼應(yīng)用量由35.2%下降到5.3%。

第四階段：多材料混合應(yīng)用階段
這一階段以鋁合金為主要車身材料，鋁型材和鑄鋁件大量應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)件。高強(qiáng)鋼、軟鋼和碳纖維為輔助用材，典型的車型代表是奧迪Q7車型（見圖4）。



零部件用材方面，地板、前縱梁等位置應(yīng)用鋁合金，鋁合金用量較上一階段由35.8%增加到49.9%，中通道采用的是鋁板和熱成形鋼的混合結(jié)構(gòu)，熱成形鋼的用量減少至9.2%。

車身用材比較及發(fā)展趨勢

以上四款車型的白車身用材比例如表1所示。



分析奧迪用材趨勢如下：

鋁合金用量上升趨勢明顯（3.2%→18.0%→35.8%→49.9%）；
熱成形鋼整體用量呈下降趨勢（21.7%→11.3%→14.3%→9.2%）；
軟鋼用量下降趨勢明顯（35.2%→29.1%→5.3%→10.3%）。
除歐系的奧迪車型外，美系福特和日系車的用材比例如表2、表3所示。





表2中，福特focus、福特fusion、福特transit和福特mustang處于奧迪輕量化白車身第一階段用材水平，且只有福特mustang的機(jī)蓋、翼子板應(yīng)用鋁合金（4%），福特F150處于奧迪輕量化白車身第三階段用材水平，車身結(jié)構(gòu)件和覆蓋件大量應(yīng)用鋁合金。



表3中的5款日系車型均處于奧迪輕量化白車身第一階段用材水平。在日系車型中，只有對輕量化要求較高的跑車、電動車及部分高端車中少量應(yīng)用鋁合金（2%～10%），主要應(yīng)用在防撞梁、機(jī)蓋和翼子板三個部位。

車身多材料連接技術(shù)

四個白車身發(fā)展階段，每個階段都有與之相應(yīng)的多材料連接技術(shù)，表4列舉了不同的白車身發(fā)展階段與之對應(yīng)的多材料連接技術(shù)與主要應(yīng)用部位。



針對四個階段輕量化白車身的用材，圖5共歸納了目前最流行的9種白車身多材料連接技術(shù)。

根據(jù)奧迪車身發(fā)展的四個階段，所對應(yīng)的四個多材料連接技術(shù)發(fā)展階段如下：
第一階段應(yīng)用的連接技術(shù)主要是無鉚連接和鎖鉚連接（SPR）。無鉚連接適合于不同金屬材料及不同厚度連接，過程簡單，一步完成且不需要預(yù)先打孔，能耗低，但連接強(qiáng)度略低。鎖鉚連接（SPR）具有很高的動態(tài)疲勞強(qiáng)度（約為焊點(diǎn)的2倍），碰撞吸收的能量較焊點(diǎn)高，鉚接材料組合廣泛，不過鉚釘增加了車身自重。



第二階段應(yīng)用的連接技術(shù)主要是自攻螺絲（FDS）、激光焊接和鉚接螺母螺柱。自攻螺絲（FDS）機(jī)械強(qiáng)度高，動態(tài)連接強(qiáng)度高，單面連接，可與折邊膠結(jié)合使用，拆卸更換螺絲方便；劣勢是防腐蝕能力降低，增加了車身自重，可能會產(chǎn)生金屬飛屑誤傷工人。激光焊接速度快，焊點(diǎn)排布方式更靈活，焊點(diǎn)寬深比大，變形??；缺點(diǎn)是異種材料不可直接焊接，需焊部位務(wù)必非常精確，需在激光束的聚焦范圍內(nèi)。鉚接螺母螺柱可集成在沖壓模具中，減少工序，靜態(tài)和動態(tài)載荷高，對涂層無損傷，適用板材范圍廣，鉚點(diǎn)可以防液、防氣，防止腐蝕，成品也容易檢驗(yàn)；劣勢是一次性投資大，連接高強(qiáng)度鋼板時需預(yù)先開孔，工藝繁瑣。



第三階段應(yīng)用的連接技術(shù)主要是MIG焊和鋁合金點(diǎn)焊。MIG焊主要應(yīng)用在A柱、B柱、頂蓋橫梁、消聲器和減振塔等部位，優(yōu)點(diǎn)是擁有更優(yōu)的保護(hù)氣氛、焊絲無焊渣，可焊接鋁合金，但成本較高，操作難度大，細(xì)微缺陷都會造成嚴(yán)重的不良率。鋁合金點(diǎn)焊主要應(yīng)用于白車身及外覆蓋件，優(yōu)勢是生產(chǎn)一致性高，表面質(zhì)量高，變形小；缺點(diǎn)是需對原有鋼產(chǎn)線進(jìn)行大幅度改造，設(shè)備投入高，因此目前主機(jī)廠應(yīng)用少，借鑒點(diǎn)少。

第四階段應(yīng)用的連接技術(shù)主要有摩擦塞鉚焊（Friction Elment Welding FEW）和Δα—SPR鎖鉚連接。摩擦塞鉚焊可以解決鋁合金與高強(qiáng)鋼、熱成形鋼之間的連接，且不需預(yù)先開孔，可以和膠混合使用，缺點(diǎn)是需要額外的緊固件，增加了自重，另外頭部凸起2.5?mm需預(yù)防干涉，潮濕環(huán)境還需要在頭部一側(cè)增加PVC密封膠。Δα—SPR鎖鉚連接解決了碳纖維和鋁合金膨脹系數(shù)不同在涂裝過程中導(dǎo)致的鉚點(diǎn)損壞問題，不過僅適用于膨脹率相差較大的材料連接。

結(jié)論

輕量化白車身方面，以奧迪為代表的白車身的發(fā)展與用材可歸納為四個階段：鋁合金覆蓋件開發(fā)階段、鋁合金外覆蓋件成熟應(yīng)用階段、全鋁車身開發(fā)應(yīng)用階段和多材料混合應(yīng)用階段，總體趨勢為鋁合金應(yīng)用量上升，軟鋼及熱成形鋼的應(yīng)用量相應(yīng)下降，材料應(yīng)用趨于多樣化，白車身重量逐步下降。國外白車身技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，德系車身用材較為激進(jìn)，美系車身用材略顯中庸，日系車型用材較為滯后。

車身多材料連接技術(shù)方面，針對輕量化白車身的四個發(fā)展階段，多材料連接技術(shù)可對應(yīng)規(guī)劃為四個應(yīng)用階段，以適應(yīng)不同階段輕量化白車身的研發(fā)與生產(chǎn)；根據(jù)不同主機(jī)廠其白車身的用材發(fā)展現(xiàn)狀，可對應(yīng)規(guī)劃并投入其對應(yīng)階段的多材料連接技術(shù)。多材料連接技術(shù)的應(yīng)用階段越高，其工藝應(yīng)用越不成熟，尚需探索和改進(jìn)。