劉亦功

（一汽-大眾汽車有限公司,長春 130011）

主題詞：輕量化 材料 鋁車身 高強鋼 連接技術 制造工藝

1 前言

汽車產業(yè)的發(fā)展隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格和燃油經濟性的提高，已經將節(jié)能減排提到了首要地位。提升汽車產業(yè)節(jié)能減排效能的環(huán)節(jié)包括設計低碳化和制造低碳化[1],在設計方面若汽車整車質量降低10%，燃油經濟性可提高6%～8%[2]，因此汽車輕量化是實現節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，汽車產業(yè)包括主機廠和供應鏈制定了汽車產品輕量化戰(zhàn)略和目標，要實現這一目標，需要在車身結構設計、材料選用、工藝制造技術等因素綜合考慮。本文主要從材料選用和工藝制造技術角度闡述汽車制造行業(yè)的輕量化技術的應用情況，包括鋁、高強鋼、復合材料和連接和制造工藝的應用。

2 汽車輕量化材料選用

2.1 鋁材選用

2.1.1 薄鋁板材的應用

薄板鋁材作為一種較為成熟的輕質金屬材料，在匹配高精度、造型高難度的車身上，應用逐步被推廣，特別是隨著鋁板成形技術從200℃溫成形過渡到可以常溫冷沖壓成形后，應用鋁材越來越多的得到更多的主機廠設計師的青睞。自2010年以來，合資品牌陸續(xù)在國產化車型上引入了鋁板生產制造設備和技術，同時，國內外的材料供應商也提供了進口和國產化材料，為國內車身采用鋁材奠定了基礎。目前應用較多的零件有發(fā)罩、后蓋、門、翼子板等總成部件。

奧迪車型為實現輕量化，在外覆蓋件上使用了大量的6XXX系鋁板，國內生產車型車身最多采用鋁材190 kg/車，與鋼板相比，相應零部件減重可達到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一步降低車身質量，還能降低整車重心。

2.1.2 鑄鋁的應用

除了使用鋁板材以外，鑄鋁主要應用在能夠承載大載荷的零部件上，應用后減重效果明顯且具有較高的強度。鑄鋁的特點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)動機結構件、電池包部件等。

2.2 高強鋼材的使用

2.2.1 冷軋高強鋼的使用

目前汽車行業(yè)在車身的重要結構件、安全件普遍使用強度在210～980 MPa的冷軋高強鋼，可以提升車身強度、安全性，從而實現輕量化，包括雙相鋼、低合金高強鋼、烘烤硬化鋼等。隨著高強鋼表面質量水平的逐步提升，高強鋼也首次實現了在外板件上的應用，比如在車身門外板上使用CR290Y490 T-DP-GI雙相高強鋼，相比使用普通烘烤硬化鋼，強度提升了60%，通過厚度減薄，可以顯著降低車身質量。目前抗拉強度490 MPa的高強鋼已經應用在頂蓋以及門外板上。如果將高強鋼逐步應用到外覆蓋件上，將能對車身減重做出更大的貢獻。

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，可以將多個零件合并生產從而減少零件數量并減重，同時，由于其超高強度，可以降低零件厚度，減少單個零件質量。目前熱成型鋼板廣泛應用在汽車安全件上，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，可以實現減重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構設計(圖1)，鋁合金占比降到了58%，熱成型鋼采用的比例也達到了近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上進一步減重。例如，在B柱上采用不等厚板熱成型鋼板（圖2）[3]，實現零件“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）是通過軋鋼機實施柔性軋制獲得的，使軋制出的鋼板可沿軋制方向實現變厚度分布。從而實現零件不同區(qū)域不同厚度，有效減少零件數量，提升零件均勻性及整體強度，實現車身輕量化。

圖1 熱成型零件在車身上的應用（部分框架）[3]

圖2 TRB變厚度熱成型鋼板[3]

此外，熱成型技術也引入了熱成型激光拼焊技術。應用熱成型激光拼焊零件，可以根據碰撞需求，合理設定板料厚度，實現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)就是運用熱成型激光拼焊的典型案例，不但提高了車身的強度，而且進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用

隨著材料技術的不斷發(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。

預計2020年碳纖維結構件成本降至135元/kg，也將促進碳纖維件的推廣，擴大在車身覆蓋件、結構件、電池包殼體上的應用。

Audi公司開始采用了集成隔熱功能的三明治鋼板，在發(fā)動機機油底殼設計上得到了廣泛的應用。

3 輕量化材料的工藝制造技術

未來的汽車車身將會由多材料體系結構組成的，如新一代某款奧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發(fā)展的重中之重，工藝制造分為4個專業(yè)領域，即沖壓、焊裝、涂裝和總裝。每個制造過程都會對傳統(tǒng)工藝有所改變，因為在白車身上變化較大，本文重點闡述沖壓及焊裝的鋁板生產技術。

3.1 沖壓

鋁板的越來越廣泛的應用，對沖壓工藝技術創(chuàng)新提出了巨大的挑戰(zhàn)。

從工藝設計角度而言，鋁板的最大減薄率不能超過17%，并且需要著重關注圓角、拔模角度的設計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%。

從生產角度而言，由于鋁件料屑問題多，返修率普遍達到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，導致鋁沖壓件尺寸難以控制和調節(jié)，目前德國設計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比鋼更為劇烈，鋁板斷裂后斷面與沖頭側壁接觸的壓應力更高，剮蹭更為劇烈，產生更多熱量，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壁上[4]，形成積屑瘤，導致沖裁間隙變小，產生毛刺，為此，需要對模具沖頭鑲塊的結構及表面進行特殊設計。

從設備角度而言，鋁板分張時，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：

●生產鋁板用鋁板校直機和鋁板進給裝置，鋼板和鋁板不能混用校直機和進給裝置；

●生產鋁板不能用清洗機,盡可能用停落堆垛模式；

●校直機的校直輥要定期拉出進行徹底清潔,引入裝置的凈輥和進給輥要定期清擦；

●整個設備的用于帶料支撐的所有滾輪要定期清擦并檢查轉動的靈活性；

●進給輥和測量輥壓力要調整適當，避免在板料上產生痕跡；

●伸縮皮帶托料桿凸輪要調整適當，減少板料端部與托料桿的磕碰；

所謂特種教育，就是指在特種區(qū)域推行的社會教育，是國民政府為配合其對共產黨領導的贛鄂豫皖閩農村根據地的軍事圍剿而實施的教育［25］。特種教育主要在中山民眾學校中實行，中山民校主要包括成人班、婦女班、高級班、兒童班等。在這里主要討論特種教育中的兒童班。

●校直機引入輥壓力要調整適當，避免在板料上產生痕跡。

3.2 連接技術

連接技術是車身設計的核心技術之一，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生產過程中采用了13種連接技術[5]，見圖3。本文就先進的點焊、激光焊接、包邊壓合和粘接技術在生產中的應用進行總結。

圖3 全新奧迪A8車身連接技術[5]

3.2.1 點焊

點焊作為一種普及率高的技術是一種具有應用歷史悠久的連接技術，目前廣泛用于車身的鋼與鋼連接中。點焊技術效率高、成本低，技術成熟度高。而由于鋁合金熔點低、線膨脹率高、導電率高、表面易氧化等特性，給傳統(tǒng)的點焊技術在鋁板的連接應用帶來了新的挑戰(zhàn)，目前鋁的連接應用點焊較少。為了克服鋁材料的點焊問題，各大主機廠應用了不同的技術，例如通用汽車公司就在電極帽上進行技術創(chuàng)新，應用多環(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

激光焊技術被廣泛的應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42 m。應用鋁合金采用氬弧焊時，由于鋁板本身表面易產生難溶的氧化膜、接頭軟化、易產生氣孔等特性，導致焊接過程中產生熔透能力差、焊接變形大等缺點，因此逐漸將激光焊接技術更多的應用于鋁板以及異種材料的連接技術中。

激光焊接的優(yōu)點主要有以下4方面：

（1）強度高，線性焊接經測試可以提高30%的焊接強度。

（3）變形小，這是激光焊的優(yōu)勢，其光束的焦點直徑僅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。

（4）質量好，全自動激光焊接焊縫小而均勻，外型美觀。如汽車頂蓋與側圍處的激光焊接位置，到總裝配時可以取消裝飾條，成本又大大的降低了。

但是如此完美的焊接也是有缺點的：激光聚焦光斑直徑細小，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車型的生產中引進了遠程激光焊接技術，由于取消了傳統(tǒng)激光焊接的質量控制，使得整個遠程激光焊接技術比傳統(tǒng)激光焊接節(jié)省95%的成本[7]。

3.2.3 冷連接技術

（1）包邊壓合

包邊壓合是一種機械冷連接方式，廣泛的應用于汽車的車身連接，可以實現鋼板、鋁板以及各種金屬材料的連接，主要應用于實現四門兩蓋內外板的連接等功能，基于焊裝線節(jié)拍的設計選擇采用機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，機器人壓合由機器人帶著滾輪和壓合夾具組成。

壓合模的生產效率高、節(jié)奏快，但是投入大且柔性差。機器人滾邊壓合的優(yōu)點是包邊尺寸精度容易控制、質量穩(wěn)定且技術相對成熟，設備柔性高。鋁合金在其包邊過程中，由于其成形性差，容易產生裂紋和斷裂，因此一般分為預包邊和終包邊工藝，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，可以適當加大內包邊半徑。6XXX系列鋁板的時效性也會影響包邊的質量，隨著時間的延長，鋁板的包邊性能會隨之下降，在使用接近時效期限或者已經超過時效期的鋁板時，更加要關注其包邊的表現。

（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，使板材局部產生變形而將板材連接在一起的機械連接技術。

優(yōu)點是：成本低，不需要額外的鉚釘，沒有耗材，連接費用約為點焊的40%～70%；在大規(guī)模生產制造中，易于實現快速自動化；工具和設備壽命較長，通?？梢詫崿F20萬次連接；連接強度高，表面鍍層不會被破壞，抗銹及腐蝕能力也不會被損傷。因為生產過程產生的噪音較小且沒有煙霧和熱量，對現場工作人員健康和安全的影響很小。

缺點是：夾緊力較高，通常在20～70 kN，需要較大的C型鉚接槍；而鋼鋁混合車身結構對連接點強度的要求就更高。經實驗，無鉚壓力連接動態(tài)疲勞連接強度約為點焊的2到3倍。

3.2.4 粘膠連接

粘膠連接技術在車身應用時，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)中的應用已經有很長時間的歷史，并被廣泛應用于鋼板、鋁板以及不同材料的連接等多種連接過程，涂膠設備由涂膠槍和控制系統(tǒng)組成，根據結構型式分為手動涂膠和自動涂膠，根據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)點是面接觸，這樣不易產生應力集中。同時兼顧了良好的密封性，更高的剛度、疲勞強度以及NVH。其缺點是：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；為了避開鉚接點需要點段式涂膠，對涂膠設備的要求也比較高。因結構膠的質量對車身強度有較大影響，大部分的結構膠都采用實時視覺系統(tǒng)對涂膠缺陷進行監(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行介紹，包括FDS（熱熔自攻絲）、摩擦旋轉焊、點焊、氬弧焊等技術。連接工藝的應用是需要綜合考慮，主要取決于車身結構以及材料選擇。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行的。既要滿足越來越嚴格的各國碰撞法規(guī)，保證乘客安全，同時能夠降低汽車質量，實現更好的輕量化，將會是汽車制造商未來一直面臨的重要課題。

4 結語

輕量化材料和輕量化材料的加工技術近些年來發(fā)展迅速。在國外很多技術已經達到成熟運用的階段。在可以預見的未來，在電動車市場的推動下，對車身輕量化的要求進一步增加，國內未來幾年將是輕量化材料及其加工技術迅速成長的時期。鋁板材、鋁鑄材、冷軋高強鋼、熱軋高強鋼的發(fā)展，以及輕量化材料加工和連接技術的進步，將助力國內輕量化技術的進步與應用。