趙傳軍　李煒

摘 要：汽車輕量化，是指從汽車整體的安全性能和車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度出發(fā)，盡可能減輕汽車車身重量，從而達(dá)到提高整車性能、增加續(xù)航里程的目的。作為新能源汽車未來(lái)的發(fā)展方向，純電動(dòng)汽車在生產(chǎn)制造中的輕量化研究迫在眉睫。文章主要闡述了以鋁合金為代表的輕量化材料在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，并介紹了幾種新型連接技術(shù)的特點(diǎn)，以對(duì)國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車輕量化研究提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;輕量化材料;連接技術(shù)

中圖分類號(hào)：U465.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-18-04

前言

近年來(lái)，能源和環(huán)境問題越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年全球汽車保有量達(dá)到8億，而作為第二大污染源的汽車尾氣對(duì)環(huán)境的影響也越來(lái)越嚴(yán)重。整車質(zhì)量越大能耗就越多，因此與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)汽車對(duì)于輕量化的要求更為迫切。目前從事電動(dòng)汽車生產(chǎn)的國(guó)外廠家包括特斯拉、豐田、寶馬、奧迪、雷克薩斯等;國(guó)內(nèi)的有比亞迪、蔚來(lái)、長(zhǎng)城等，電動(dòng)汽車輕量化是這些企業(yè)必須考慮、也是提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要課題。目前電動(dòng)汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)主要有三種途徑：（1）優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（2）使用輕量化材料。（3）采用新型連接工藝技術(shù)。前者在傳統(tǒng)車型的演變過(guò)程中經(jīng)過(guò)不斷研究開發(fā)，日趨完善，提升空間已相對(duì)狹窄。再者，實(shí)現(xiàn)車身輕量化的最簡(jiǎn)單最直接的方式就是使用輕量化材料，比如鋁合金、高強(qiáng)度鋼等，但是研發(fā)一種新型輕量化材料試驗(yàn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，因此本文著重對(duì)第三個(gè)途徑進(jìn)行論述。

1 輕量化連接技術(shù)現(xiàn)狀

在目前純電動(dòng)汽車市場(chǎng)上，實(shí)現(xiàn)輕量化的主要手段是采用輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料，比如鋁合金、鎂合金、碳纖維、高強(qiáng)度塑料等等。對(duì)于鎂鋁合金相同材料的連接而言，因?yàn)殇X合金熱容小、導(dǎo)熱和導(dǎo)電率高，其表面易與銅元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以采用傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊工藝連接時(shí)，會(huì)造成焊接不到位、電極壽命短、接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。由此可見，傳統(tǒng)的連接工藝已經(jīng)無(wú)法滿足目前日益增長(zhǎng)的輕量化需要了，因此，本文根據(jù)一些行業(yè)領(lǐng)先的純電動(dòng)汽車廠家生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際案例逐一介紹新型連接工藝。

目前電動(dòng)汽車市場(chǎng)上比較常用的連接技術(shù)[1]可分為：（1）焊接工藝。（2）機(jī)械連接工藝。（3）粘接技術(shù)。焊接一般屬于熱連接工藝，常見的包括：Deltspot電極帶式電阻點(diǎn)焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、冷金屬過(guò)渡技術(shù)（CMT）、激光焊接技術(shù)、攪拌摩擦焊（FSW）5種;機(jī)械連接屬于冷連接工藝，常見的包括：自沖鉚連接（SPR）、螺栓連接、無(wú)鉚釘鉚接（TOX）、熱熔自攻絲鉚接（FDS）4種;對(duì)于粘接而言，主要以結(jié)構(gòu)膠粘接技術(shù)為主，純粘接工藝應(yīng)用相對(duì)較少。

2 純電動(dòng)汽車鋁合金輕量化連接技術(shù)

2.1 焊接工藝

2.1.1 Deltspot電極帶式電阻點(diǎn)焊

Delta Spot點(diǎn)焊[2]，其原理是在焊接時(shí)，將電極帶放置在工件與電極之間，電極壓住電極帶與工件接觸，電極帶在當(dāng)一個(gè)焊點(diǎn)完成時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一個(gè)焊點(diǎn)處并重復(fù)上述焊接過(guò)程（如圖1所示）。其優(yōu)點(diǎn)在于：電極和鋁材料不直接接觸，電極頭無(wú)需打磨，延長(zhǎng)了電極壽命，提高了焊接效率并且保證了焊接質(zhì)量;同時(shí)電極帶會(huì)將焊接產(chǎn)生的氧化物清理干凈，避免焊接材料飛濺及由此造成的部件損壞。目前該焊接工藝已被成功應(yīng)用于保時(shí)捷、特斯拉某車型的制造，在特斯拉某車型車門生產(chǎn)線中，一條電極帶的使用壽命達(dá)到4500個(gè)焊次，每個(gè)車門有20個(gè)焊點(diǎn)，焊接一個(gè)該車型車門所需時(shí)間100s，一個(gè)Delta Spot帶機(jī)每天能夠焊接650多個(gè)車門，若適當(dāng)調(diào)整還能實(shí)現(xiàn)不同類型車門的焊接工藝。

2.1.2 熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）

MIG焊工藝采用的是可熔化的焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來(lái)將母材金屬熔化，并在焊接過(guò)程中輸送保護(hù)氣體，一般采用氬氣或者富氬氣體保護(hù)焊接熔池，使焊絲、母材金屬免收周圍空氣的有害作用。相比而言，常見的二氧化碳保護(hù)焊具有強(qiáng)烈的氧化性，而MIG在保護(hù)氣體下氧化性極低甚至能達(dá)到零氧化，這就將其優(yōu)點(diǎn)——不但可以焊接碳鋼、高合金鋼，而且還可以焊接許多活潑金屬及其合金，凸顯出來(lái)。寶馬某車型就采用了大量MIG焊工藝生產(chǎn)的全鋁副車架。

2.1.3 冷金屬過(guò)渡技術(shù)（CMT）

薄板焊接的極限——冷金屬過(guò)渡技術(shù)[3]，指的是在數(shù)字控制方式下，使焊絲的輸送過(guò)程呈間斷送絲。該系統(tǒng)能夠根據(jù)焊接電弧的生成時(shí)間變化來(lái)調(diào)整焊接電流，CTM不僅能完成鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料的連接工藝，而且能實(shí)現(xiàn)鋁/鋼等異種材料的焊接，由于冷金屬過(guò)渡技術(shù)焊接質(zhì)量高、焊縫美觀，已被國(guó)內(nèi)外眾多電動(dòng)車廠家采用，尤其是在車罩、車門、天窗等對(duì)外觀要求高的部位。特斯拉Model S的全鋁車身制造就大量使用了CMT焊接工藝。

2.1.4 激光焊接技術(shù)

激光焊接，就是利用高能量密度的激光束作為熱源，在極短的時(shí)間使被焊處形成一個(gè)高溫?zé)崛蹍^(qū)，使材料蒸發(fā)并形成熔融金屬小孔，激光移開后會(huì)留下空隙并于冷凝后形成焊縫。激光焊接相較于電阻點(diǎn)焊而言，能量更集中、熔化的材料少、需要的總熱量小，因此焊接變形小，焊接速度更快。

激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于汽車拼焊板焊接、動(dòng)力電池焊接、齒輪焊接、安全氣囊內(nèi)膽焊接、保險(xiǎn)杠焊接等方面。例如，比亞迪某車型白車身的焊接及蔚來(lái)某車型車門內(nèi)板和前后縱梁就采用了激光焊接技術(shù)。除了上述應(yīng)用之外，大眾、寶馬、豐田等各大汽車生廠商相繼在車身中采用了激光拼焊板技術(shù)，包括汽車安全氣囊內(nèi)膽、汽車車門和前后縱梁、汽車保險(xiǎn)杠、動(dòng)力電池、變速箱齒輪等也都能作為一種先進(jìn)加工技術(shù)解決方案。

2.1.5 攪拌摩擦焊（FSW）

攪拌摩擦焊[4]（簡(jiǎn)稱FSW），是指利用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑性化，當(dāng)焊具沿著焊接路徑向前移動(dòng)時(shí)，形成致密的固相焊縫。根據(jù)焊接種類的不同，可分為攪拌摩擦縫焊和攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）。長(zhǎng)城某車型純電動(dòng)汽車就成功采用了攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）技術(shù)，該技術(shù)主要運(yùn)用于鋁合金、鎂合計(jì)等輕金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，除了具有常規(guī)摩擦焊的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)外，其接頭熱影響區(qū)殘余應(yīng)力較低、焊接板件不易變形;并且在焊接過(guò)程中無(wú)需添加焊絲，焊鋁合金時(shí)無(wú)需提前除去合金表面的氧化膜，無(wú)需保護(hù)氣體，成本低。但是在焊接結(jié)束將探頭提出板件時(shí)，焊縫端頭會(huì)形成一個(gè)工藝凹孔，該孔會(huì)大大降低接頭承載面積，從而削弱其力學(xué)性能，雖然能夠通過(guò)金屬回填對(duì)焊縫進(jìn)行修補(bǔ)，但是修補(bǔ)過(guò)程需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和較長(zhǎng)的工藝時(shí)間。

2.2 機(jī)械連接工藝

2.2.1 自沖鉚連接（SPR）

SPR工藝[5]是通過(guò)液壓缸或伺服電機(jī)提供動(dòng)力將鉚釘穿透上部板材并與底部板材形成可靠互鎖結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定連接的技術(shù)。它的整個(gè)工藝過(guò)程包括夾緊、沖裁、擴(kuò)張、成型四個(gè)階段。

SPR自沖鉚連接可實(shí)現(xiàn)鋼、鋁及鎂鋁合金等材料的連接，克服了傳統(tǒng)鉚接工藝外觀差、效率低、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，并且能耗低無(wú)污染，更重要的一點(diǎn)是該工藝無(wú)需在板材上加工預(yù)置孔，縮短了鉚接時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。目前SPR已成功運(yùn)用于蔚來(lái)、寶馬、奧迪、凱迪拉克等電動(dòng)汽車的全鋁車身及鋁、鋼混合車身連接中，僅寶馬某車型整車制造過(guò)程中，就采用了30種鉚釘，共2453個(gè)鉚點(diǎn)，可與300多種板件匹配。

2.2.2 螺栓連接

螺栓連接是一種廣泛使用的可拆卸的鋁合金連接方式，相較于SPR鉚接工藝，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拆裝和連接更加方便、可靠。螺栓連接作為最常用的緊固件可大致分為兩類：（一）根據(jù)受力形式可分為抗拉螺栓連接和抗剪螺栓連接?？估菟ㄟB接適用于傳遞軸向載荷，但對(duì)孔的加工精度要求較高;抗剪連接則適用于傳遞垂直于螺栓軸線的載荷，靠螺栓桿剪切和擠壓傳動(dòng)。（二）按安裝狀態(tài)可分為有預(yù)緊力和無(wú)預(yù)緊力螺栓連接。無(wú)預(yù)緊力連接常應(yīng)用于起重吊鉤、懸掛螺栓等，這是由于其在安裝時(shí)螺母無(wú)需擰緊，螺栓只有在承受載荷時(shí)才受力;而有預(yù)緊力螺栓連接相對(duì)而言應(yīng)用較為廣泛，例如汽車輪轂。雷克薩斯某車型后防撞梁與車身縱梁就采用了螺栓連接。

2.2.3 無(wú)鉚釘鉚接（TOX）

無(wú)鉚釘鉚接工藝[6]是由德國(guó)的TOX公司于20世紀(jì)80年代末提出的發(fā)明專利，相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車行業(yè)連接技術(shù)，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)——低能耗、無(wú)排放、疲勞強(qiáng)度高被很多電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商廣泛應(yīng)用。粗到如汽車車身、表面覆蓋件以及整車零部件的連接，細(xì)到奧迪的車燈導(dǎo)板、寶馬的車頂窗等都有它的影子。

如圖2所示，TOX的工作原理是在無(wú)鉚釘鉚接機(jī)的強(qiáng)高壓作用下，使兩板件發(fā)生塑性變形，從而使其在擠壓處鑲嵌互鎖，達(dá)到將板件點(diǎn)連接起來(lái)的目的。TOX工藝常見的有兩種形式：直壁整體下模和分體下模（如圖3）。直壁整體下模，就是將模具設(shè)計(jì)成一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的整體件;而分體下模就是使金屬材料與沖頭接觸時(shí)在金屬作用下產(chǎn)生側(cè)滑，使其能充分形成塑性鑲嵌，進(jìn)而形成強(qiáng)度較高的連接。例如上汽通用和上汽大眾的某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后備箱蓋就充分采用了TOX工藝。

2.2.4 熱熔自攻絲鉚接（FDS）

熱熔自攻絲鉚接[7]（FDS）是借助高速旋轉(zhuǎn)的螺釘產(chǎn)生的巨大軸向力使待連接板件軟化，從而旋入待連接母材，最終在板材與螺釘之間形成結(jié)合螺紋，并憑借螺紋將自攻絲擰緊來(lái)實(shí)現(xiàn)鉚接的一種連接工藝。

其工藝過(guò)程可分為四個(gè)階段：沖孔、螺紋成形、攻絲、擰緊。FDS工藝屬于單向連接，其優(yōu)點(diǎn)主要有①無(wú)需提前鉆孔，連接簡(jiǎn)便，易拆卸。②變形空間小，因此可以用來(lái)連接鋁鎂合金、超高強(qiáng)度鋼等基本所有車身材料連接板件。但是其缺點(diǎn)也顯而易見，由于攻絲需要擰穿材料，穿孔出的材料放腐蝕能力會(huì)下降;其次對(duì)夾具的剛度要求也較高;再者螺釘?shù)某杀据^高，質(zhì)量大，若大面積使用會(huì)增加車身自重。FDS工藝一般用于車身板材、型材與梁類件以及鑄鎂鋁件之間的連接。奧迪某新型車型上就采用了700多處熱熔自攻絲鉚接。

2.3 粘結(jié)技術(shù)

2.3.1 結(jié)構(gòu)膠粘接工藝

粘結(jié)技術(shù)[8]是通過(guò)膠粘劑與被連接件之間的物理化學(xué)反應(yīng)將被粘物連接成整體的工藝過(guò)程。在目前電動(dòng)車制造中，其良好的物理性能，比如抗應(yīng)力集中、密封性、減震性能使其在眾多連接工藝中別具一格。在連接處使用結(jié)構(gòu)膠可以避免不同金屬?gòu)?fù)合材料的直接接觸，能夠減輕作用下的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。但是膠的抗疲勞強(qiáng)度和耐熱性是限制其大量應(yīng)用的工藝難題，所以在一些豪華品牌轎車制造中，將結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)工藝和自沖鉚連接（SPR）混合形成的復(fù)合連接工藝應(yīng)用較為廣泛。例如捷豹某車型用膠量長(zhǎng)達(dá)150m，通過(guò)上述復(fù)合連接工藝成功使車身連接強(qiáng)度增大到純鉚接工藝的2倍左右。

3 前景與展望

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，對(duì)未來(lái)純電動(dòng)汽車的輕量化的要求也會(huì)越來(lái)越高。通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車市場(chǎng)上各連接工藝的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，如何提高自身的工藝技術(shù)，乃至開發(fā)一種全新的連接工藝是所有汽車制造商提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。只有加快鋁合金等材料輕量化連接技術(shù)的開發(fā)，才能突破工藝瓶頸，為純電動(dòng)汽車的輕量化設(shè)計(jì)提供更多的有益借鑒。

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