汽車輕量化材料及連接技術(shù)現(xiàn)狀分析

前言   

近年來，隨著汽車保有量和產(chǎn)銷量的不斷增加，汽車工業(yè)與能源、環(huán)境之間的矛盾愈演愈烈，同時國家對節(jié)能減排的需求越來越迫切，國家環(huán)保政策也逐漸加嚴，因此，汽車行業(yè)的節(jié)能減排也是迫在眉睫的事情。降低汽車燃油消耗、減少尾氣排放最直接的途徑就是輕量化，是指在保證零部件使用性能和行駛安全性的前提下，實現(xiàn)整車減重。實驗證明，汽車減重 10%，油耗將減少 6-8%，排放減少 6%，制動距離減少 5%，加速時間減少 8%，轉(zhuǎn)向力減少 6%，輪胎壽命提 高 7%，材料疲勞壽命提高 10%。因此，輕量化已經(jīng)成為世 界各國汽車制造商提高自身競爭力的重要手段。汽車輕量化技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、工藝的集成應(yīng)用，主要途徑有：（1）新材料的應(yīng)用，主要是采用輕質(zhì)高強材料及其成型技術(shù)，以達到減輕零部件重量的目的。（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對車身零部件進行結(jié)構(gòu)和工藝的改進等。其中輕量化材料及其連接技術(shù)是關(guān)鍵問題，本文針對目前輕量化材料及連接技術(shù)做簡單分析，供汽車輕量化技術(shù)工作者參考。

1 輕量化材料

目前，汽車車身輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)高強材料，其中，高強度鋼是性價比最好、最具吸引力的材質(zhì)。

1.1 高強度高

高強度鋼分為普通高強度鋼（高強度 IF 鋼（HSIF）、烘烤硬化鋼（BH）、冷軋各向同性鋼（IS）、冷軋高強度含 P 鋼和高強度低合金鋼（HSLA））和先進高強度鋼（復(fù)相鋼（CP）、雙相鋼（DP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）和孿生誘發(fā)塑性鋼（TWIP））。車身設(shè)計師可根據(jù)板制零件受力情況和形狀復(fù)雜程度來選擇鋼板品種。采用高強度鋼板可以增加車身強度，減輕車身重量。高強度鋼板主要用于車身上受力較大的結(jié)構(gòu)和與安全相關(guān)的結(jié)構(gòu)中，如車身前后碰撞橫梁、A 柱、B 柱、車門防撞橫梁、發(fā)動機艙邊梁和一些車身連接板、安裝板和加強件等。由于高強度鋼板材料比較貴，且對模具的使用壽命有影響，所以經(jīng)濟型車采用高強度鋼板比較少，豪華轎車采用的比較多。高強度鋼具有高強度、成本低、制造技術(shù)成熟、環(huán)境友好等優(yōu)點，在減重、節(jié)能、提高安全性、降低排放發(fā)面應(yīng)用前景良好。但存在冷沖壓時存在回彈大、成形性較差、焊接件的氫脆敏感性的缺點。

圖 1 高強度鋼分類示意圖

2018 歐洲車身會議參展車型包含了卡車、皮卡、越野車等非常規(guī)車型，在材料應(yīng)用方面，大多數(shù)車型車身采用鋼材，斯堪尼亞的 NTG 卡車、鈴木雨燕為全鋼車身，通用 GMC 的皮卡、吉普牧馬人為鋼鋁混合車身（四門兩蓋為鋁），捷豹為全鋁車身。

表 1 2018 歐洲車身會議參展車型的用鋼量

1.2 鋁合金

鋁合金已成為僅次于鋼材的汽車用金屬材料，能夠為汽車提供各種鋁合金鑄件、沖壓結(jié)構(gòu)件和擠壓的鋁型材。鋁合金主要用于制造發(fā)動機缸體、活塞、進氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、轎車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件。與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生、技術(shù)成熟等優(yōu)點，但也存在延伸率低、成型難度大、制備工藝復(fù)雜、焊接性能差、成本相對較高等缺點。目前，較多使用鋁合金的車 型往往是中高檔的汽車。

用于汽車車身的鋁合金板材有：Al-Mg（5000 系）和 AlMg-Si（6000 系）。5000 系合金中 Mg 是主要的合金元素，固溶于鋁基體中，形成固溶強化效應(yīng)，是一種熱處理不可強化的鋁合金，5000 系的鋁合金成形性更好，可用于一些復(fù)雜形狀的沖壓件。6000 系合金中主要的合金元素是 Mg 和 Si，并形成 Mg2Si 相，屬于熱處理可強化鋁合金。Al2Mg2Si 合金具有較高的強度、較好的塑性和優(yōu)良的耐腐蝕性。6000 系的鋁合金綜合性能良好，可用于沖壓發(fā)動機罩蓋，具有烘烤硬化效應(yīng)。

圖 2 捷豹路虎車身用材及比例

1.3 玻纖/碳纖增強復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料不僅可使零部件降低多達 40%的質(zhì)量，而且還可以使生產(chǎn)成本降低 40%左右。目前，玻璃纖維增強樹脂復(fù)合材料和碳纖維增強樹脂復(fù)合材料在汽車上已經(jīng)獲得成功的應(yīng)用，已大量應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件和外飾件。玻璃纖維增強樹脂復(fù)合材料（GFRP）耐腐蝕、絕緣性好，特別是有良好的可塑性，對模具要求較低，對制造車身大型覆蓋件的模具加工工藝較簡易，生產(chǎn)周期短，成本較低。在轎車和客車上，采用玻璃纖維增強樹脂復(fù)合材料制造的轎車車身覆蓋件、客車前后圍覆蓋件和貨車駕駛室等零部件。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)高強、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設(shè)計性強、易成型、減振阻尼性能好等一系列優(yōu)點，既能夠滿足部件剛強度、輕量化的設(shè)計要求，在車輛安全性上也具有明顯優(yōu)勢，因而是很有前途的汽車用輕量化材料，不過，目前存在成本高、成型周期長等缺點。

2 連接技術(shù)

目前汽車連接方式有焊接、鉚接、螺接和膠接等，由于鋁合金、高強鋼、復(fù)合材料等輕量化材料的使用，傳統(tǒng)的焊接不再適用，需要新的連接方式。異種材料的連接主要面臨三個問題：界面硬脆相、電化學腐蝕、變形和應(yīng)力。針對異質(zhì)材料連接所面臨的上述挑戰(zhàn)，汽車科技人員開發(fā)了不同的連接工藝，如表 2 所示。

表 2 不同材料之間的連接方式

從表 2 可見，鋼和鋼之間的連接可用傳統(tǒng)的電阻電焊、激光電焊等，使用無鉚釘鉚接（Clinching）、鎖鉚（SPR）和熱熔鉆（FDS）技術(shù)可實現(xiàn)鋼鋁的連接，攪拌摩擦焊是鋁材之間較好連接方式。

2.1 無鉚釘鉚接和鎖鉚

無鉚釘鉚接（Clinching）和鎖鉚（Self-piercing riveting，SPR）是目前汽車車身制造中應(yīng)用最為廣泛的兩種機械連接工藝。

無鉚釘連接工藝的原理：即通過使用專門的連接模具，在一個沖壓過程中，利用材料自身的可塑性，在擠壓處形成一個相互鑲嵌的圓點或者矩形點，由此將兩層或多層板件連接起來。無鉚釘鉚接接頭的強度主要通過板材間的嵌入量及上層板在接頭頸部的厚度共同決定，而這些幾何特征又與沖頭和下模的幾何形貌有關(guān)。無鉚釘鉚接工藝因其工藝過程簡單且成本低，在汽車車身中得到廣泛應(yīng)用。但因其靜態(tài)強度和疲勞強度都較低，通常只應(yīng)用于行李箱蓋、發(fā)動機罩、后輪罩等非承載部位。

圖 3 無鉚釘鉚接過程

鎖鉚連接是鎖鉚鉚釘在外力的作用下，通過穿透第一層材料和中間層材料，并在底層材料中進行流動和延展，形成一個相互鑲嵌的塑性變形的鉚釘連接過程。與無釘鉚接相比，鎖鉚接頭具有良好的靜態(tài)力學性能和較高的疲勞壽命，已經(jīng)被通用、奧迪、寶馬、捷豹、奔馳和大眾等公司廣泛應(yīng)用于鋁/鋼等異質(zhì)材料以及多層板的連接。

圖 4 鎖鉚鉚接過程

2.2 流動鉆鉚

FDS 技術(shù)通常稱為流鉆螺釘或熱融自攻釘技術(shù)，該連接技術(shù)是將帶有螺紋的螺釘高速旋轉(zhuǎn)刺穿板材，并通過形成螺紋聯(lián)接實現(xiàn)板材連接的一種技術(shù)，適應(yīng)于板材與型材等管狀封閉結(jié)構(gòu)的連接。目前，凱迪拉克 CT6、捷豹路虎、寶馬、奔馳、奧迪等車型采用了大量 FDS 技術(shù)。未來，隨著鑄鋁件在白車身上的比重提高，F(xiàn)DS 技術(shù)在國內(nèi)汽車行業(yè)會得到更大的發(fā)展。

圖 5 FDS 工藝過程示意圖

攪拌摩擦焊（Friction stir welding）是一種新型固相焊技術(shù)，是由英國焊接研究所（TWI）在 1991 年發(fā)明的一項最具革命性的新型材料連接方式[6]，其焊接原理是：開始焊接時，攪拌針高速旋轉(zhuǎn)著插入到被焊工件內(nèi)部，直到軸肩下壓到被焊工件內(nèi)，焊接過程中，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭和工件摩擦產(chǎn)生熱量作為熱源，使母材處于熱塑性狀態(tài)（未熔化），并被擠壓在一起，隨著熱量的降低形成新的連接。攪拌摩擦焊焊接溫度低，變形小，沒有電弧，無輻射，是一種綠色環(huán)保的焊接技術(shù)?？捎糜谄囦X合金輪轂、底盤、門板、動力電池托盤、電池箱體、電機殼等部件。

圖 6 攪拌摩擦焊原理圖

2.4 CMT焊接（冷金屬過渡焊接）

冷金屬過度焊接技術(shù)（Cold metal Transfer，CMT）是一種全新的 MIG/MAG 焊接工藝[11]，將焊絲的運動與焊接過程結(jié)合起來，嚴格控制熔滴過渡中的輸入電流，大幅度降低了焊接熱輸入，可以應(yīng)用于鋼和鋁之間的連接。

3 結(jié)論