顧成波，趙炳婕

(廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國的國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)不斷高速增長，同時，人民生活水平得到持續(xù)提高，在黨和國家政策的關(guān)懷下，整個汽車行業(yè)持續(xù)發(fā)展，迎來了黃金時期。

新能源汽車是政府及行業(yè)近年來引導(dǎo)發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。加快培育和發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，既是有效緩解能源和環(huán)境壓力，推動汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務(wù)，也是加快汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、培育新的增長點(diǎn)和保持經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展、提高產(chǎn)業(yè)競爭能力、提升國際競爭優(yōu)勢的重大戰(zhàn)略舉措。為了建設(shè)“環(huán)境友好型，資源節(jié)約型”社會，國家與地方政府近年來發(fā)布了一系列的組合政策、規(guī)劃，大力推廣新能源汽車。

在政府的鼓勵以及行業(yè)發(fā)展的推動下[1]，傳統(tǒng)車企與新型的互聯(lián)網(wǎng)車企紛紛加入新能源汽車市場展開博弈與廝殺。同時，傳統(tǒng)車企如比亞迪、北汽、吉利、廣汽、上汽等加強(qiáng)研發(fā)，積極響應(yīng)國家的號召，參考其在傳統(tǒng)燃油汽車領(lǐng)域的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對標(biāo)國內(nèi)外的行業(yè)翹楚，布局新能源汽車產(chǎn)品線。

1 多材料汽車車身

政府大力扶持新能源汽車的發(fā)展，市場也做出了良好的響應(yīng)，逐步成熟。同時，政府對新能源汽車的續(xù)航、車企生產(chǎn)資質(zhì)等方面提出了更高的或者更具體的要求，從對“量”的需求過渡到“質(zhì)”的要求，這也對新能源汽車的開發(fā)與制造均提出了更高的要求。尤其是政府對續(xù)航里程的關(guān)注，從技術(shù)層面而言，需要能量密度更高的電池以及超輕量化的車身。

要實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，鋁合金等輕質(zhì)材料必然會得到越來越多的運(yùn)用。與鋼板相比，鋁合金在汽車中的應(yīng)用主要有以下幾大優(yōu)勢：(1)達(dá)到同樣的力學(xué)性能，鋁比鋼輕60%；(2)在進(jìn)行安全碰撞試驗(yàn)時，鋁板比鋼板多吸收沖擊能50%；(3)采用鋁合金材料能使汽車的配重更加平衡，使汽車具有更好的操控性；(4)鋁合金材料的回收利用率高達(dá)90%，因此越來越多的商品化汽車使用鋁合金材料的零部件，甚至是全鋁合金車身[2]；(5)鋁合金本身有多種型號，不同的型號被運(yùn)用在不同的汽車零部件中。

新能源汽車車身大致分為全鋼、全鋁、鋼鋁混合等3種形式的車身。

第一類是全鋼車身。基于“油改電”的設(shè)計(jì)成本、制造成本等考慮，目前新能源汽車行業(yè)中全鋼車身仍然占到多數(shù)。從開發(fā)到制造，這些車身都參考、借鑒了碳鋼車身的開發(fā)思維。主要是因?yàn)樵谶@種技術(shù)路線下，對于企業(yè)而言，開發(fā)與制造成本相對較低。這類車身與傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)類似，成型方面以沖壓件為主，連接方面以電阻點(diǎn)焊以及二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接為主。圖1為某新能源汽車全鋼車身。

圖1 某新能源汽車全鋼車身

汽車行業(yè)在捷豹路虎、奧迪等企業(yè)帶領(lǐng)下，近幾年來已經(jīng)對于全鋁車身展開了許多研究(見圖2)，并且誕生了一大批經(jīng)典的車型。而以特斯拉model S與蔚來ES8為典型，全鋁車身結(jié)構(gòu)的新能源汽車多以高檔車的身份出現(xiàn)在市場上，并且獲得了大眾的認(rèn)可。

圖2 某新能源汽車全鋁車身

然而，由于鋁合金的制造加工成本較高，維修成本較高，且全鋁車身的制造工藝與連接工藝相對復(fù)雜[3]，且節(jié)拍較慢，加之熱成型零件、高強(qiáng)鋼的運(yùn)用日漸成熟，使得特斯拉在model 3中放棄了之前在model S與model X中采用的全鋁車身，轉(zhuǎn)而謀求滿足性能的多材料低成本的混合車身。

相比于傳統(tǒng)的單一鋼質(zhì)材料白車身，鋼鋁混合材料車身結(jié)構(gòu)的理念能較好地兼顧各方面的要求，尋求輕量化效果、工藝性、安全性和成本等總體上的最優(yōu)化，代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)發(fā)展的最新趨勢[4]。鋼鋁混合車身是指在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身骨架中，將某些結(jié)構(gòu)件用高強(qiáng)度鋼板和鋁合金等輕質(zhì)材料替代，以充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼板在強(qiáng)度和價(jià)格方面的優(yōu)勢，同時兼顧鋁合金板材在減重及吸能方面的優(yōu)勢，通過材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能模擬的方法確定不同材料分布的部位，在提高成本不大的前提下實(shí)現(xiàn)車身高強(qiáng)度和輕量化，其核心理念是“合適的材料應(yīng)用于合適的部位”，如圖3所示。這種思想采取材料替換與結(jié)構(gòu)改進(jìn)相結(jié)合的方法，是車身輕量化的兩種根本途徑相結(jié)合的典型應(yīng)用，完全符合車身輕量化的發(fā)展技術(shù)路線[5]。國內(nèi)外許多企業(yè)的新產(chǎn)品比如特斯拉model 3、法拉第FF91、廣汽Aion LX、愛馳U5等都采用了這一理念開發(fā)車身。

圖3 某新能源汽車鋼鋁車身

2 鋁合金材料在汽車車身中的運(yùn)用

鋁合金在汽車底盤中已有較多的運(yùn)用，在車身中的運(yùn)用相對較晚，但是勢頭比較迅猛。汽車車身中的鋁合金主要分為鑄造鋁合金、變形鋁合金。其中，變形鋁合金又分為沖壓鋁合金、擠壓鋁合金[6]。表1為鋁合金在汽車車身中的典型運(yùn)用。

表1 鋁合金在汽車車身中的典型運(yùn)用

壓鑄在汽車行業(yè)中是常見的成型工藝，主要用在各類接頭，主要目的是保證性能的前提下，合并零件，減少零件的數(shù)量和連接，降低制造成本，實(shí)現(xiàn)輕量化的開發(fā)。如圖4所示。

圖4 某汽車車身鋁合金輕量化壓鑄件

鋁合金沖壓工藝的原理與碳鋼零件一致，但是對于具體工藝及質(zhì)量保證區(qū)別較大。沖壓鋁合金零件主要用在側(cè)圍、頂蓋、引擎蓋、車門等外覆蓋件以及地板等，一般以5***、6***系鋁板為主。圖5為某汽車車身輕量化鋁合金引擎蓋。

圖5 某汽車車身輕量化鋁合金引擎蓋

擠壓鋁合金零件最開始被廣泛運(yùn)用在防撞梁總成，后續(xù)主要運(yùn)用在車架等處，如各類梁。目前，擠壓鋁合金的材料選擇以6***系型材為主，也有個別車型會選擇7***系的鋁型材。圖6為某汽車鋁合金擠壓件總成。

圖6 某汽車鋁合金擠壓件總成

從目前行業(yè)的發(fā)展來看，“下鋁上鋼”的發(fā)展趨勢比較明顯，即下車體多采用鋁合金，擠壓工藝、沖壓工藝、鑄造工藝都有，充分發(fā)揮鋁合金的輕、吸能好等優(yōu)勢。上車體多采用鋼件，增強(qiáng)整車的強(qiáng)度剛度。

3 鋼鋁車身的典型連接工藝

車身是由多個零件通過各種連接工藝組合在一起。傳統(tǒng)碳鋼車身以點(diǎn)焊、氣體保護(hù)焊接為主。鋁合金的物理、化學(xué)性能差別與鋼的差別較大，傳統(tǒng)的連接方式不適用于鋁鋁、鋼鋁零件之間的連接。

從分類來看，鋁鋁、鋼鋁零件之間的連接主要分為冷連接與熱連接。熱連接主要有氣體保護(hù)焊接(MIG/MAG)、激光焊接、鋁合金點(diǎn)焊、MIG&激光復(fù)合焊接等。冷連接主要有自沖鉚接、熱熔自攻鉚接等。文中主要介紹MIG/MAG焊接、自沖鉚接、熱熔自攻鉚接等3種連接工藝，其中后兩種連接工藝被普遍運(yùn)用在異種材料零件之間的連接。

MIG/MAG焊接是相對較為傳統(tǒng)的鋁合金焊接方式，奧地利伏能士公司基于此提出了一種冷金屬焊接(CMT焊接)工藝，非常適用薄板鋁合金零件之間的焊接，飛濺少熱變形小，被普遍運(yùn)用在鋁合金型材之間的連接，如圖7所示。

圖7 鋁合金的冷金屬過渡焊接焊縫

自沖鉚接(SPR)技術(shù)是在外力(鉚槍)作用下，刺透第一層和中間層，在底層材料流動和延展，形成一個互相鑲嵌的塑性變形的鉚釘連接過程。SPR連接優(yōu)點(diǎn)是可連接多種材料多層板材零件、連接強(qiáng)度及可靠性好等，缺點(diǎn)是鉚釘鉚模需要根據(jù)不同材料不同厚度分別適配、制造成本高、鉚釘自身質(zhì)量不利于輕量化。SPR設(shè)備與碳鋼的點(diǎn)焊供應(yīng)商有亨羅布、博爾豪夫、塔可、一浦萊斯等。圖8為多材料自沖鉚設(shè)備。

圖8 多材料自沖鉚設(shè)備

熱熔自攻鉚接(FDS)在實(shí)質(zhì)上是一種自攻螺絲，是通過高速旋轉(zhuǎn)將高強(qiáng)鋼、鋁合金等金屬加熱到了熔融狀態(tài)，形成緊密連接，如圖9所示。FDS連接多被運(yùn)用在門檻、車架等地方，此處SPR鉚槍無法連接，只能從單邊使用FDS工藝對零件進(jìn)行連接。FDS主要設(shè)備供應(yīng)商有德派、魏博等。

圖9 多材料熱熔自攻鉚接典型運(yùn)用區(qū)域

4 結(jié)束語

新能源汽車的不斷發(fā)展，對于輕量化材料需求更為迫切。新材料不可避免地帶來了新結(jié)構(gòu)、新工藝。考慮成本、維修、工藝等因素，鋼鋁混合車結(jié)構(gòu)將是汽車車身近期發(fā)展的趨勢，文中主要探討了汽車車身的鋁合金材料、成型工藝與連接工藝，為汽車車身設(shè)計(jì)作個拋磚引玉的總結(jié)。