劉亦功
(一汽-大眾汽車有限公司, 長春 130011)
【摘要】汽車車身輕量化是汽車主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略舉措之一，包括材料選擇、工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù) 和混合材料連接技術(shù)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)了鋁合金材料、高強(qiáng)鋼在汽車車身材料上的應(yīng)用，總結(jié)了鋁合金和高強(qiáng)鋼的工 藝技術(shù)最新應(yīng)用成果，介紹了混合材料連接技術(shù),特別是隨著鋁材和高強(qiáng)鋼在汽車車身上的廣泛應(yīng)用，使得混合材料連接需 要更多的創(chuàng)新技術(shù)，介紹了鋁板材焊接、冷連接和粘接技術(shù)應(yīng)用的最新成果。隨著輕量化材料在汽車車身應(yīng)用的不斷增 加，輕量化材料和工藝制造技術(shù)將趨于更加成熟。
主題詞:輕量化 材料 鋁車身 高強(qiáng)鋼 連接技術(shù) 制造工藝
1 前言
汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格和燃 油經(jīng)濟(jì)性的提高，已經(jīng)將節(jié)能減排提到了首要地位。 提升汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排效能的環(huán)節(jié)包括設(shè)計(jì)低碳化 和制造低碳化[1],在設(shè)計(jì)方面若汽車整車質(zhì)量降低 10%，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高 6%~8%[2]，因此汽車輕量化 是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，汽車產(chǎn)業(yè)包括主機(jī)廠和 供應(yīng)鏈制定了汽車產(chǎn)品輕量化戰(zhàn)略和目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)這 一目標(biāo)，需要在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、工藝制造技 術(shù)等因素綜合考慮。本文主要從材料選用和工藝制造技術(shù)角度闡述汽車制造行業(yè)的輕量化技術(shù)的應(yīng)用 情況，包括鋁、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料和連接和制造工藝的 應(yīng)用。
2 汽車輕量化材料選用
2.1 鋁材選用
2.1.1 薄鋁板材的應(yīng)用
薄板鋁材作為一種較為成熟的輕質(zhì)金屬材料，在 匹配高精度、造型高難度的車身上，應(yīng)用逐步被推廣， 特別是隨著鋁板成形技術(shù)從 200°C溫成形過渡到可以 常溫冷沖壓成形后，應(yīng)用鋁材越來越多的得到更多的 主機(jī)廠設(shè)計(jì)師的青睞。自 2010 年以來，合資品牌陸續(xù) 在國產(chǎn)化車型上引入了鋁板生產(chǎn)制造設(shè)備和技術(shù)，同 時(shí)，國內(nèi)外的材料供應(yīng)商也提供了進(jìn)口和國產(chǎn)化材 料，為國內(nèi)車身采用鋁材奠定了基礎(chǔ)。目前應(yīng)用較多 的零件有發(fā)罩、后蓋、門、翼子板等總成部件。
奧迪車型為實(shí)現(xiàn)輕量化，在外覆蓋件上使用了大 量的 6XXX 系鋁板，國內(nèi)生產(chǎn)車型車身最多采用鋁材 190 kg/車，與鋼板相比，相應(yīng)零部件減重可達(dá)到 35%~45%，這樣油耗將會降低 24.5%~31.5%。在外 覆蓋件上使用鋁板不僅能進(jìn)一步降低車身質(zhì)量，還能 降低整車重心。
2.1.2 鑄鋁的應(yīng)用
除了使用鋁板材以外，鑄鋁主要應(yīng)用在能夠承載 大載荷的零部件上，應(yīng)用后減重效果明顯且具有較高 的強(qiáng)度。鑄鋁的特點(diǎn)是具有較高的延展性、良好的焊 接性能以及較高塑性，從而保證車輛碰撞的安全性， 例如在汽車減震器上使用鑄鋁，目前同樣廣泛用于汽 車殼體、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件、電池包部件等。
2.2 高強(qiáng)鋼材的使用
2.2.1 冷軋高強(qiáng)鋼的使用
目前汽車行業(yè)在車身的重要結(jié)構(gòu)件、安全件普遍 使用強(qiáng)度在 210~980 MPa 的冷軋高強(qiáng)鋼，可以提升車 身強(qiáng)度、安全性，從而實(shí)現(xiàn)輕量化，包括雙相鋼、低合 金高強(qiáng)鋼、烘烤硬化鋼等。隨著高強(qiáng)鋼表面質(zhì)量水平 的逐步提升，高強(qiáng)鋼也首次實(shí)現(xiàn)了在外板件上的應(yīng) 用，比如在車身門外板上使用 CR290Y490 T-DP-GI 雙相高強(qiáng)鋼，相比使用普通烘烤硬化鋼，強(qiáng)度提升了 60%，通過厚度減薄，可以顯著降低車身質(zhì)量。目前抗 拉強(qiáng)度 490 MPa 的高強(qiáng)鋼已經(jīng)應(yīng)用在頂蓋以及門外板 上。如果將高強(qiáng)鋼逐步應(yīng)用到外覆蓋件上，將能對車 身減重做出更大的貢獻(xiàn)。
2.2.2 熱成型鋼板的使用
在高溫下，熱成型鋼板具有良好的成型性，可以將多個(gè)零件合并生產(chǎn)從而減少零件數(shù)量并減重，同 時(shí)，由于其超高強(qiáng)度，可以降低零件厚度，減少單個(gè)零 件質(zhì)量。目前熱成型鋼板廣泛應(yīng)用在汽車安全件上， 如 A 柱、B 柱、頂蓋邊梁、門檻、橫梁、后縱梁等零件。 以中通道為例，采用熱成型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)減重 4 kg， 材料成本以及模具成本均有所降低。奧迪新一代 A8 采用了混合材料車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖 1)，鋁合金占比降到 了 58%，熱成型鋼采用的比例也達(dá)到了近 10%[3]。
如果在車型中采用不等厚的熱成型鋼板，將會在 使用等厚度熱成型鋼板的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減重。例如，在 B 柱上采用不等厚板熱成型鋼板(圖 2)[3]，實(shí)現(xiàn)零件 “硬區(qū)增厚，軟區(qū)減薄”，滿足零件的功能需求。變厚 度鋼板(Tailor Rolled Blank, TRB)是通過軋鋼機(jī)實(shí)施 柔性軋制獲得的，使軋制出的鋼板可沿軋制方向?qū)崿F(xiàn) 變厚度分布。從而實(shí)現(xiàn)零件不同區(qū)域不同厚度，有效 減少零件數(shù)量，提升零件均勻性及整體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。
圖 1 熱成型零件在車身上的應(yīng)用(部分框架)[3]
圖 2 TRB 變厚度熱成型鋼板[3]
此外，熱成型技術(shù)也引入了熱成型激光拼焊技術(shù)。應(yīng)用熱成型激光拼焊零件，可以根據(jù)碰撞需求， 合理設(shè)定板料厚度，實(shí)現(xiàn)前端潰縮變形吸收能量，后 端支撐防止傾入乘員艙造成乘員的傷亡。極大程度 的提高了整車安全性能，減輕了整車重量。在車門上 使用熱成型門環(huán)就是運(yùn)用熱成型激光拼焊的典型案 例，不但提高了車身的強(qiáng)度，而且進(jìn)一步降低了車身 的重量約 10%~30%。
2.2.3 其它輕量化材料的應(yīng)用
隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，鎂合金、碳纖維、三明治鋼板等新材料也在越來越多的被廣泛應(yīng)用。 在部分車型中，方向盤骨架開始逐漸采用鎂合 金，平均用量僅 1.5 kg/車，減重效果明顯，并逐步在向變速器殼體、儀表板骨架、座椅骨架、車輪等零件拓展。
預(yù)計(jì) 2020 年碳纖維結(jié)構(gòu)件成本降至 135 元/kg，也將促進(jìn)碳纖維件的推廣，擴(kuò)大在車身覆蓋件、結(jié)構(gòu)件、 電池包殼體上的應(yīng)用。
Audi 公司開始采用了集成隔熱功能的三明治鋼 板，在發(fā)動機(jī)機(jī)油底殼設(shè)計(jì)上得到了廣泛的應(yīng)用。
3 輕量化材料的工藝制造技術(shù)
未來的汽車車身將會由多材料體系結(jié)構(gòu)組成的， 如新一代某款?yuàn)W迪車身材料不再是傳統(tǒng)的白車身了， 而是增加了鋁鎂合金、合金鋼和碳纖維。因此多種材 料的連接將會是工藝制造技術(shù)發(fā)展的重中之重，工藝 制造分為 4 個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，即沖壓、焊裝、涂裝和總裝。 每個(gè)制造過程都會對傳統(tǒng)工藝有所改變，因?yàn)樵诎总?身上變化較大，本文重點(diǎn)闡述沖壓及焊裝的鋁板生產(chǎn) 技術(shù)。
3.1 沖壓
鋁板的越來越廣泛的應(yīng)用，對沖壓工藝技術(shù)創(chuàng)新提出了巨大的挑戰(zhàn)。
從工藝設(shè)計(jì)角度而言，鋁板的最大減薄率不能超過 17%，并且需要著重關(guān)注圓角、拔模角度的設(shè)計(jì)以 及盡可能避免凸臺;而對于鋼板而言，由于其成型性 比鋁板好，最大減薄率一般控制在不能超過 20%。
從生產(chǎn)角度而言，由于鋁件料屑問題多，返修率 普遍達(dá)到 10%，返修需要投入專用返修打磨間，返修 成本高。相比較而言，鋼板的返修不需要苛刻的環(huán) 境，返修的成本比鋁板低很多。鋁件回彈大，導(dǎo)致鋁 沖壓件尺寸難以控制和調(diào)節(jié)，目前德國設(shè)計(jì)的模具鋁 件尺寸符合率也不高，平均不足 70%，而鋼板模具，尺 寸符合率一般能達(dá)到 98%以上;
從模具角度而言，由于鋁的彈性模量僅為鋼的 1/3，鋁板沖裁斷裂后的彈性恢復(fù)比鋼更為劇烈，鋁板 斷裂后斷面與沖頭側(cè)壁接觸的壓應(yīng)力更高，剮蹭更為劇烈 ，產(chǎn)生更多熱量 ，由于鋁板自身具有粘性，鋁 板斷裂面上的一些材料就會粘附在沖頭側(cè)壁上[4]，形 成積屑瘤，導(dǎo)致沖裁間隙變小，產(chǎn)生毛刺，為此，需要 對模具沖頭鑲塊的結(jié)構(gòu)及表面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。
從設(shè)備角度而言，鋁板分張時(shí)，不能使用磁力分 張，拆垛站不能使用磁性皮帶。在開卷落料線更需要 注意下列事項(xiàng):
●生產(chǎn)鋁板用鋁板校直機(jī)和鋁板進(jìn)給裝置，鋼板 和鋁板不能混用校直機(jī)和進(jìn)給裝置;
●生產(chǎn)鋁板不能用清洗機(jī),盡可能用停落堆垛 模式;
●校直機(jī)的校直輥要定期拉出進(jìn)行徹底清潔,引 入裝置的凈輥和進(jìn)給輥要定期清擦;
●整個(gè)設(shè)備的用于帶料支撐的所有滾輪要定期 清擦并檢查轉(zhuǎn)動的靈活性;
●進(jìn)給輥和測量輥壓力要調(diào)整適當(dāng)，避免在板料上產(chǎn)生痕跡;
●伸縮皮帶托料桿凸輪要調(diào)整適當(dāng)，減少板料端 部與托料桿的磕碰;
●校直機(jī)引入輥壓力要調(diào)整適當(dāng)，避免在板料上產(chǎn)生痕跡。
3.2 連接技術(shù)
連接技術(shù)是車身設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，也是影響車身制造工藝的重要因素,其中焊接、包邊壓合是焊 裝工藝中的重要環(huán)節(jié)。奧迪公司全新 A8 生產(chǎn)過程中 采用了 13 種連接技術(shù)[5] ，見圖 3。本文就先進(jìn)的點(diǎn)焊、 激光焊接、包邊壓合和粘接技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行 總結(jié)。
圖 3 全新奧迪 A8 車身連接技術(shù)[5]
3.2.1 點(diǎn)焊
點(diǎn)焊作為一種普及率高的技術(shù)是一種具有應(yīng)用歷史悠久的連接技術(shù)，目前廣泛用于車身的鋼與鋼連 接中。點(diǎn)焊技術(shù)效率高、成本低，技術(shù)成熟度高。而 由于鋁合金熔點(diǎn)低、線膨脹率高、導(dǎo)電率高、表面易氧 化等特性，給傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)在鋁板的連接應(yīng)用帶來 了新的挑戰(zhàn)，目前鋁的連接應(yīng)用點(diǎn)焊較少。為了克服 鋁材料的點(diǎn)焊問題，各大主機(jī)廠應(yīng)用了不同的技術(shù)， 例如通用汽車公司就在電極帽上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，應(yīng)用 多環(huán)形圓頂電極，能刺破鋁氧化皮，能大大增加電極 的壽命(圖 4)[6]。
圖 4 多環(huán)形圓頂電極[6]
3.2.2 激光焊
激光焊技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于鋼制車身以及鋁制車身上 ，特別是門總成、后蓋總成、頂蓋及側(cè)圍連接等，包括雙層或三層板材搭接、角接熔焊，對接釬焊、 搭接釬焊等，在奧迪某一車型中，白車身激光焊縫總 長度長達(dá) 42 m。應(yīng)用鋁合金采用氬弧焊時(shí)，由于鋁板 本身表面易產(chǎn)生難溶的氧化膜、接頭軟化、易產(chǎn)生氣 孔等特性，導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生熔透能力差、焊接變 形大等缺點(diǎn)，因此逐漸將激光焊接技術(shù)更多的應(yīng)用于 鋁板以及異種材料的連接技術(shù)中。
激光焊接的優(yōu)點(diǎn)主要有以下 4 方面:
(1)強(qiáng)度高，線性焊接經(jīng)測試可以提高 30%的焊接強(qiáng)度。
(2)速度快，激光焊焊接速度可達(dá) 40 mm/s，工作效率大大提高，傳統(tǒng)焊接工藝望塵莫及。
(3)變形小 ，這是激光焊的優(yōu)勢，其光束的焦點(diǎn)直徑僅 0.6 mm，且其焊縫的寬度也只有大約 1.5~ 2.0 mm，因此激光焊接焊縫區(qū)域微小，其它部分變形 量可以忽略不計(jì)。
(4)質(zhì)量好，全自動激光焊接焊縫小而均勻，外型 美觀。如汽車頂蓋與側(cè)圍處的激光焊接位置，到總裝 配時(shí)可以取消裝飾條，成本又大大的降低了。
但是如此完美的焊接也是有缺點(diǎn)的:激光聚焦光 斑直徑細(xì)小，對焊接裝配精度要求高，同樣，對沖壓單 件的尺寸精度提出了極高的要求，一般在 0.2 mm，且 對尺寸變化極其敏感。因此會造成單件的制造成本 增加。
奧迪公司在全新 Audi A8 車型的生產(chǎn)中引進(jìn)了遠(yuǎn) 程激光焊接技術(shù)，由于取消了傳統(tǒng)激光焊接的質(zhì)量控 制，使得整個(gè)遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)比傳統(tǒng)激光焊接節(jié)省 95%的成本[7]。
3.2.3 冷連接技術(shù)
(1)包邊壓合
包邊壓合是一種機(jī)械冷連接方式，廣泛的應(yīng)用于 汽車的車身連接，可以實(shí)現(xiàn)鋼板、鋁板以及各種金屬 材料的連接，主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)四門兩蓋內(nèi)外板的連接 等功能，基于焊裝線節(jié)拍的設(shè)計(jì)選擇采用機(jī)器人滾邊 壓合或者壓合模壓合方式。整體式壓合由上下模組 成，機(jī)器人壓合由機(jī)器人帶著滾輪和壓合夾具組成。
壓合模的生產(chǎn)效率高、節(jié)奏快，但是投入大且柔 性差。機(jī)器人滾邊壓合的優(yōu)點(diǎn)是包邊尺寸精度容易 控制、質(zhì)量穩(wěn)定且技術(shù)相對成熟，設(shè)備柔性高。鋁合 金在其包邊過程中，由于其成形性差，容易產(chǎn)生裂紋 和斷裂，因此一般分為預(yù)包邊和終包邊工藝，采取小 變形、多道次滾壓的方法，且包邊形狀盡量設(shè)置為水 滴型包邊。由于鋁板在包邊過程中比鋼板更容易發(fā) 生開裂的情況，為了控制焊裝包邊開裂的情況，可以 適當(dāng)加大內(nèi)包邊半徑。6XXX 系列鋁板的時(shí)效性也會 影響包邊的質(zhì)量，隨著時(shí)間的延長，鋁板的包邊性能 會隨之下降，在使用接近時(shí)效期限或者已經(jīng)超過時(shí)效 期的鋁板時(shí)，更加要關(guān)注其包邊的表現(xiàn)。
(2)無鉚壓力連接(Clinching)
無鉚壓力連接是利用板材本身的冷變形特性，即通過對板材施加壓力，使板材局部產(chǎn)生變形而將板材 連接在一起的機(jī)械連接技術(shù)。
優(yōu)點(diǎn)是:成本低，不需要額外的鉚釘，沒有耗材， 連接費(fèi)用約為點(diǎn)焊的 40%~70%;在大規(guī)模生產(chǎn)制造 中，易于實(shí)現(xiàn)快速自動化;工具和設(shè)備壽命較長，通常 可以實(shí)現(xiàn) 20 萬次連接;連接強(qiáng)度高，表面鍍層不會被 破壞，抗銹及腐蝕能力也不會被損傷。因?yàn)樯a(chǎn)過程 產(chǎn)生的噪音較小且沒有煙霧和熱量，對現(xiàn)場工作人員 健康和安全的影響很小。
缺點(diǎn)是:夾緊力較高，通常在 20~70 kN，需要較 大的 C 型鉚接槍;而鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)對連接點(diǎn)強(qiáng)度 的要求就更高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，無鉚壓力連接動態(tài)疲勞連接 強(qiáng)度約為點(diǎn)焊的2到3倍。
3.2.4 粘膠連接
粘膠連接技術(shù)在車身應(yīng)用時(shí)，主要與鉚接以及包 邊壓合方式一起使用，粘膠接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用已 經(jīng)有很長時(shí)間的歷史，并被廣泛應(yīng)用于鋼板、鋁板以 及不同材料的連接等多種連接過程，涂膠設(shè)備由涂膠 槍和控制系統(tǒng)組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分為手動涂膠和自 動涂膠，根據(jù)膠的性能分為加熱膠和不加熱膠。與其 他連接方法相比，該連接方式的優(yōu)點(diǎn)是面接觸，這樣 不易產(chǎn)生應(yīng)力集中。同時(shí)兼顧了良好的密封性，更高 的剛度、疲勞強(qiáng)度以及 NVH。其缺點(diǎn)是:由于使用膠 品為高分子化合物，受環(huán)境影響明顯，比如溫度和濕 度;由于粘度比較大，需要比較高的使用溫度，耗能較 高;為了避開鉚接點(diǎn)需要點(diǎn)段式涂膠，對涂膠設(shè)備的 要求也比較高。因結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量對車身強(qiáng)度有較大 影響，大部分的結(jié)構(gòu)膠都采用實(shí)時(shí)視覺系統(tǒng)對涂膠缺 陷進(jìn)行監(jiān)測。
以上是車身常用的一些連接工藝，還有其他一些 工藝不再進(jìn)行介紹，包括 FDS(熱熔自攻絲)、摩擦旋 轉(zhuǎn)焊、點(diǎn)焊、氬弧焊等技術(shù)。連接工藝的應(yīng)用是需要 綜合考慮，主要取決于車身結(jié)構(gòu)以及材料選擇。真正
有意義的輕量化，是在考慮車身安全作為最基本前提 下進(jìn)行的。既要滿足越來越嚴(yán)格的各國碰撞法規(guī)，保 證乘客安全，同時(shí)能夠降低汽車質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更好的輕 量化，將會是汽車制造商未來一直面臨的重要課題。
4 結(jié)語
輕量化材料和輕量化材料的加工技術(shù)近些年來 發(fā)展迅速。在國外很多技術(shù)已經(jīng)達(dá)到成熟運(yùn)用的階 段。在可以預(yù)見的未來，在電動車市場的推動下，對 車身輕量化的要求進(jìn)一步增加，國內(nèi)未來幾年將是輕 量化材料及其加工技術(shù)迅速成長的時(shí)期。鋁板材、鋁 鑄材、冷軋高強(qiáng)鋼、熱軋高強(qiáng)鋼的發(fā)展，以及輕量化材 料加工和連接技術(shù)的進(jìn)步，將助力國內(nèi)輕量化技術(shù)的 進(jìn)步與應(yīng)用。
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