孫建亮，王立新，康醫(yī)飛，張瑾

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汽車輕量化材料及連接技術(shù)現(xiàn)狀分析

孫建亮，王立新，康醫(yī)飛，張瑾

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

汽車輕量化技術(shù)是汽車節(jié)能減排的有效手段，文章結(jié)合歐洲車身會(huì)議信息，對(duì)車用輕量化材料及其連接方式作簡(jiǎn)要介紹，以供汽車行業(yè)技術(shù)人員參考。

輕量化；連接；復(fù)合材料

前言

近年來(lái)，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(shí)國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的需求越來(lái)越迫切，國(guó)家環(huán)保政策也逐漸加嚴(yán)，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(shí)現(xiàn)整車減重。實(shí)驗(yàn)證明，汽車減重10%，油耗將減少6-8%，排放減少6%，制動(dòng)距離減少5%，加速時(shí)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(guó)汽車制造商提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段[1]。

汽車輕量化技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(qiáng)材料及其成型技術(shù)，以達(dá)到減輕零部件重量的目的。（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對(duì)車身零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)等。其中輕量化材料及其連接技術(shù)是關(guān)鍵問(wèn)題，本文針對(duì)目前輕量化材料及連接技術(shù)做簡(jiǎn)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(qiáng)度鋼、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)高強(qiáng)材料，其中，高強(qiáng)度鋼是性價(jià)比最好、最具吸引力的材質(zhì)。

1.1 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼分為普通高強(qiáng)度鋼（高強(qiáng)度IF鋼（HSIF）、烘烤硬化鋼（BH）、冷軋各向同性鋼（IS）、冷軋高強(qiáng)度含P鋼和高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA））和先進(jìn)高強(qiáng)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））[2,3]。車身設(shè)計(jì)師可根據(jù)板制零件受力情況和形狀復(fù)雜程度來(lái)選擇鋼板品種。采用高強(qiáng)度鋼板可以增加車身強(qiáng)度，減輕車身重量。高強(qiáng)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(mén)防撞橫梁、發(fā)動(dòng)機(jī)艙邊梁和一些車身連接板、安裝板和加強(qiáng)件等。由于高強(qiáng)度鋼板材料比較貴，且對(duì)模具的使用壽命有影響，所以經(jīng)濟(jì)型車采用高強(qiáng)度鋼板比較少，豪華轎車采用的比較多。高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度、成本低、制造技術(shù)成熟、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)存在回彈大、成形性較差、焊接件的氫脆敏感性的缺點(diǎn)。

圖1 高強(qiáng)度鋼分類示意圖

2018歐洲車身會(huì)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(mén)兩蓋為鋁），捷豹為全鋁車身。

表1 2018歐洲車身會(huì)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?yàn)槠囂峁└鞣N鋁合金鑄件、沖壓結(jié)構(gòu)件和擠壓的鋁型材[4]。鋁合金主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、活塞、進(jìn)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?。?.7g/cm3）、比強(qiáng)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(diǎn)，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(duì)較高等缺點(diǎn)。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Al- Mg-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(qiáng)化效應(yīng)，是一種熱處理不可強(qiáng)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(qiáng)化鋁合金。Al2Mg2Si合金具有較高的強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(qiáng)復(fù)合材料

樹(shù)脂基復(fù)合材料不僅可使零部件降低多達(dá)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(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)樹(shù)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(qiáng)樹(shù)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(duì)模具要求較低，對(duì)制造車身大型覆蓋件的模具加工工藝較簡(jiǎn)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(qiáng)樹(shù)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(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易成型、減振阻尼性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)[5]，既能夠滿足部件剛強(qiáng)度、輕量化的設(shè)計(jì)要求，在車輛安全性上也具有明顯優(yōu)勢(shì)，因而是很有前途的汽車用輕量化材料，不過(guò)，目前存在成本高、成型周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

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(qiáng)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(gè)問(wèn)題：界面硬脆相、電化學(xué)腐蝕、變形和應(yīng)力。針對(duì)異質(zhì)材料連接所面臨的上述挑戰(zhàn)，汽車科技人員開(kāi)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(jiàn)，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(wú)鉚釘鉚接（Clinching）、鎖鉚（SPR）和熱熔鉆（FDS）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋼鋁的連接，攪拌摩擦焊是鋁材之間較好連接方式[6-9]。

2.1 無(wú)鉚釘鉚接和鎖鉚

無(wú)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(jī)械連接工藝[10]。

無(wú)鉚釘連接工藝的原理：即通過(guò)使用專門(mén)的連接模具，在一個(gè)沖壓過(guò)程中，利用材料自身的可塑性，在擠壓處形成一個(gè)相互鑲嵌的圓點(diǎn)或者矩形點(diǎn)，由此將兩層或多層板件連接起來(lái)。無(wú)鉚釘鉚接接頭的強(qiáng)度主要通過(guò)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(wú)鉚釘鉚接工藝因其工藝過(guò)程簡(jiǎn)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(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都較低，通常只應(yīng)用于行李箱蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后輪罩等非承載部位。

圖3 無(wú)鉚釘鉚接過(guò)程

鎖鉚連接是鎖鉚鉚釘在外力的作用下，通過(guò)穿透第一層材料和中間層材料，并在底層材料中進(jìn)行流動(dòng)和延展，形成一個(gè)相互鑲嵌的塑性變形的鉚釘連接過(guò)程。與無(wú)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。

圖4 鎖鉚鉚接過(guò)程

2.2 流動(dòng)鉆鉚(Flow drill screw，F(xiàn)DS)

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(guò)形成螺紋聯(lián)接實(shí)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[8]。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(lái)，隨著鑄鋁件在白車身上的比重提高，F(xiàn)DS技術(shù)在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)會(huì)得到更大的發(fā)展。

圖5 FDS工藝過(guò)程示意圖

2.3 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(guó)焊接研究所（TWI）在1991年發(fā)明的一項(xiàng)最具革命性的新型材料連接方式[6]，其焊接原理是：開(kāi)始焊接時(shí)，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(guò)程中，通過(guò)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(méi)有電弧，無(wú)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(pán)、門(mén)板、動(dòng)力電池托盤(pán)、電池箱體、電機(jī)殼等部件。

圖6 攪拌摩擦焊原理圖

2.4 CMT焊接（冷金屬過(guò)渡焊接）

冷金屬過(guò)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(yùn)動(dòng)與焊接過(guò)程結(jié)合起來(lái)，嚴(yán)格控制熔滴過(guò)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

保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、減少有害物排放是全世界的共同目標(biāo)。汽車工業(yè)是能源消耗、資源消耗及尾氣排放的大戶，汽車輕量化技術(shù)作為節(jié)能、降耗、減排的重要手段，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

汽車輕量化材料有多種，每種材料都有長(zhǎng)處和不足，只有多種材料混合使用，做到適量、合適的材料用在合適的地方，才能達(dá)到最終的輕量化目標(biāo)。多材料混用在提升汽車輕量化水平的同時(shí)，也為材料或者零部件之間的連接提出更高的要求，隨著新材料不斷地應(yīng)用，新型高效連接技術(shù)也將相伴產(chǎn)生。

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Analysis on the Present Situation of Automobile Lightweight Material and Connection Technology

Sun Jianliang, Wang Lixin, Kang Yifei, Zhang Jin

( China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300 )

Automobile lightweight technology is an effective means of automobile energy saving and emission reduction. This paper combines the information of the European body conference, and makes a brief introduction to the lightweight materials for vehicles and their connection methods, so as to provide reference for technical personnel in the automotive industry.

lightweight; Connection; composite material

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1671-7988(2018)24-261-04

U465

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孫建亮，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，博士、高級(jí)工程師，從事汽車回收利用及材料數(shù)據(jù)庫(kù)研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.096