車身輕量化材料與連接技術(shù)分析（含鋼鋼、鋼鋁、鋁材連接）

車身設(shè)計包含了如下所示的七大要素 - 安全、耐久、 NVH、功能、工藝、成本及重量。其中，安全、NVH、耐久代表了車身性能表現(xiàn)；車身設(shè)計質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)取決于這七大要素之間的平衡程度。用最小的成本、重量和工藝投入換來最優(yōu)的安全性、NVH表現(xiàn)、耐久性并實現(xiàn)相應(yīng)的車身功能。

由此可見，車身輕量化設(shè)計并不是單純的車身減重，而是和車身性能設(shè)計緊密聯(lián)系在一起的一個系統(tǒng)的平衡設(shè)計。

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）優(yōu)化設(shè)計（如先進的框架結(jié)構(gòu)車身設(shè)計）

（2）高強度的結(jié)構(gòu)材料（如高強度鋁合金）

（3）先進的制造工藝（如板材/管材液壓成形技術(shù)）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

車身上應(yīng)用的不斷擴大的高強、輕質(zhì)材料主要為高強度鋼與超高強度鋼、鋁合金、鎂合金工程塑料以及復(fù)合材料等。

高強度鋼

高強度鋼主要應(yīng)用在車上內(nèi)外板以及車上結(jié)構(gòu)件，同時高強度鋼可以有效提升車身被動安全性。先進高強度鋼在汽車超輕鋼車身、先進概念車上應(yīng)用，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。雖然在成型中面臨回彈等問題挑戰(zhàn)，但相比于其他替代材料，高強度鋼還是性價比最好、最具吸引力的材料。

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

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。與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度?。?.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）。

鎂合金

目前鎂合金在車身上主要集中在方向盤骨架。儀表盤骨架、座椅骨架等零部件上，在白車身結(jié)構(gòu)件上還沒有量產(chǎn)應(yīng)用。目前僅有克萊斯勒某車型上做過嘗試。

復(fù)合材料

汽車工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)首先應(yīng)用于保險杠，而后用與生產(chǎn)變截面彈簧鋼板以代替鋼板，之后又用與生產(chǎn)四門兩蓋。1990年福特、克萊斯勒相繼開發(fā)出復(fù)合材料。

復(fù)合材料具有許多金屬材料無法比擬的優(yōu)點，目前，汽車輕量化發(fā)展需求迫切，從成本性能發(fā)展綜合考慮，可用于車身結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料以樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料為首選?？梢詰?yīng)用于發(fā)動機艙罩蓋、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤燈結(jié)構(gòu)件中。

隨著車用復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣發(fā)的應(yīng)用在跑車、豪華車上，于鋁合金構(gòu)件比，復(fù)合材料可以減重50%左右，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。汽車科技人員開發(fā)了不同的連接工藝，如表所示。

不同材料之間的連接方式

從表 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。

（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)。

無鉚釘鉚接過程

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。

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(xué)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。

鎖鉚鉚接過程

（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。

 FDS 工藝過程示意圖

（3）攪拌摩擦焊

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，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。

 攪拌摩擦焊原理圖

（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(yán)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。