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      1. 純電動汽車鋁合金輕量化沖壓連接技術

        純電動汽車鋁合金輕量化沖壓連接技術

        Jan 08, 2021

        前言

        近年來,能源和環境問題越來越成為人們關注的焦點。據統計,截止2019年全球汽車保有量達到8億,而作為第二大污染源的汽車尾氣對環境的影響也越來越嚴重。整車質量越大能耗就越多,因此與傳統汽車相比,純電動汽車對于輕量化的要求更為迫切。目前從事電動汽車生產的國外廠家包括特斯拉、豐田、寶馬、奧迪、雷克薩斯等;國內的有比亞迪、蔚來、長城等,電動汽車輕量化沖壓連接技術是這些企業必須考慮、也是提高企業核心競爭力的重要課題。

        目前電動汽車輕量化的實現主要有三種途徑:(1)優化車身結構設計。(2)使用輕量化材料。(3)采用新型連接工藝技術。前者在傳統車型的演變過程中經過不斷研究開發,日趨完善,提升空間已相對狹窄。再者,實現車身輕量化的最簡單最直接的方式就是使用輕量化材料,比如鋁合金、高強度鋼等,但是研發一種新型輕量化材料試驗周期相對較長,因此本文著重對第三個途徑進行論述。

        1、輕量化連接技術現狀

        在目前純電動汽車市場上,實現輕量化的主要手段是采用輕質材料代替傳統的鋼制材料,比如鋁合金、鎂合金、碳纖維、高強度塑料等等。對于鎂鋁合金相同材料的連接而言,因為鋁合金熱容小、導熱和導電率高,其表面易與銅元素發生化學反應,所以采用傳統電阻點焊工藝連接時,會造成焊接不到位、電極壽命短、接頭質量不穩定。由此可見,傳統的連接工藝已經無法滿足目前日益增長的輕量化需要了,因此,本文根據一些行業領先的純電動汽車廠家生產過程中的實際案例逐一介紹新型連接工藝。

        目前電動汽車市場上比較常用的連接技術可分為:(1)焊接工藝。(2)機械連接工藝。(3)粘接技術。焊接一般屬于熱連接工藝,常見的包括:Deltspot電極帶式電阻點焊、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、冷金屬過渡技術(CMT)、激光焊接技術、攪拌摩擦焊(FSW)5種;機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、無鉚釘鉚接(TOX)、熱熔自攻絲鉚接(FDS)4種;對于粘接而言,主要以結構膠粘接技術為主,純粘接工藝應用相對較少。

        2、純電動汽車鋁合金輕量化連接技術

        2.1 焊接工藝

        2.1.1 Deltspot電極帶式電阻點焊

        Delta Spot點焊,其原理是在焊接時,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,電極帶在當一個焊點完成時會自動轉到下一個焊點處并重復上述焊接過程(如圖1所示)。其優點在于:電極和鋁材料不直接接觸,電極頭無需打磨,延長了電極壽命,提高了焊接效率并且保證了焊接質量;同時電極帶會將焊接產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用于保時捷、特斯拉某車型的制造,在特斯拉某車型車門生產線中,一條電極帶的使用壽命達到4500個焊次,每個車門有20個焊點,焊接一個該車型車門所需時間100s,一個Delta Spot帶機每天能夠焊接650多個車門,若適當調整還能實現不同類型車門的焊接工藝。

         

        圖1 Delta Spot 電阻點焊工藝

        2.1.2熔化極惰性氣體保護焊(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將母材金屬熔化,并在焊接過程中輸送保護氣體,一般采用氬氣或者富氬氣體保護焊接熔池,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焊具有強烈的氧化性,而MIG在保護氣體下氧化性極低甚至能達到零氧化,這就將其優點——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。寶馬某車型就采用了大量MIG焊工藝生產的全鋁副車架。

        2.1.3冷金屬過渡技術(CMT)

        薄板焊接的極限——冷金屬過渡技術,指的是在數字控制方式下,使焊絲的輸送過程呈間斷送絲。該系統能夠根據焊接電弧的生成時間變化來調整焊接電流,CTM不僅能完成鋁合金、鎂合金等輕質材料的連接工藝,而且能實現鋁/鋼等異種材料的焊接,由于冷金屬過渡技術焊接質量高、焊縫美觀,已被國內外眾多電動車廠家采用,尤其是在車罩、車門、天窗等對外觀要求高的部位。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

        激光焊接,就是利用高能量密度的激光束作為熱源,在極短的時間使被焊處形成一個高溫熱熔區,使材料蒸發并形成熔融金屬小孔,激光移開后會留下空隙并于冷凝后形成焊縫。激光焊接相較于電阻點焊而言,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。

        激光焊接技術主要應用于汽車拼焊板焊接、動力電池焊接、齒輪焊接、安全氣囊內膽焊接、保險杠焊接等方面。例如,比亞迪某車型白車身的焊接及蔚來某車型車門內板和前后縱梁就采用了激光焊接技術。除了上述應用之外,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,包括汽車安全氣囊內膽、汽車車門和前后縱梁、汽車保險杠、動力電池、變速箱齒輪等也都能作為一種先進加工技術解決方案。

        2.1.5攪拌摩擦焊(FSW)

        攪拌摩擦焊(簡稱FSW),是指利用高速旋轉的焊具與工件摩擦產生的熱量使被焊材料局部塑性化,當焊具沿著焊接路徑向前移動時,形成致密的固相焊縫。根據焊接種類的不同,可分為攪拌摩擦縫焊和攪拌摩擦點焊(FSSW)。長城某車型純電動汽車就成功采用了攪拌摩擦點焊(FSSW)技術,該技術主要運用于鋁合金、鎂合計等輕金屬結構領域,除了具有常規摩擦焊的技術優點外,其接頭熱影響區殘余應力較低、焊接板件不易變形;并且在焊接過程中無需添加焊絲,焊鋁合金時無需提前除去合金表面的氧化膜,無需保護氣體,成本低。但是在焊接結束將探頭提出板件時,焊縫端頭會形成一個工藝凹孔,該孔會大大降低接頭承載面積,從而削弱其力學性能,雖然能夠通過金屬回填對焊縫進行修補,但是修補過程需要復雜的控制系統和較長的工藝時間。

        2.2 機械連接工藝

        2.2.1自沖鉚連接(SPR)

        SPR工藝是通過液壓缸或伺服電機提供動力將鉚釘穿透上部板材并與底部板材形成可靠互鎖結構形成穩定連接的技術。它的整個工藝過程包括夾緊、沖裁、擴張、成型四個階段。

        SPR自沖鉚連接可實現鋼、鋁及鎂鋁合金等材料的連接,克服了傳統鉚接工藝外觀差、效率低、工藝復雜等缺點,并且能耗低無污染,更重要的一點是該工藝無需在板材上加工預置孔,縮短了鉚接時間,提高了生產效率。目前SPR已成功運用于蔚來、寶馬、奧迪、凱迪拉克等電動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程中,就采用了30種鉚釘,共2453個鉚點,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,其結構設計、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。(二)按安裝狀態可分為有預緊力和無預緊力螺栓連接。無預緊力連接常應用于起重吊鉤、懸掛螺栓等,這是由于其在安裝時螺母無需擰緊,螺栓只有在承受載荷時才受力;而有預緊力螺栓連接相對而言應用較為廣泛,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無鉚釘鉚接(TOX)

        無鉚釘鉚接工藝是由德國的TOX公司于20世紀80年代末提出的發明專利,相對于傳統的汽車行業連接技術,其獨特的優勢——低能耗、無排放、疲勞強度高被很多電動汽車生產廠商廣泛應用。粗到如汽車車身、表面覆蓋件以及整車零部件的連接,細到奧迪的車燈導板、寶馬的車頂窗等都有它的影子。

         

        圖2 無鉚釘鉚接工藝流程

        如圖2所示,TOX的工作原理是在無鉚釘鉚接機的強高壓作用下,使兩板件發生塑性變形,從而使其在擠壓處鑲嵌互鎖,達到將板件點連接起來的目的。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,就是將模具設計成一個結構簡單的整體件;而分體下模就是使金屬材料與沖頭接觸時在金屬作用下產生側滑,使其能充分形成塑性鑲嵌,進而形成強度較高的連接。例如上汽通用和上汽大眾的某車型的發動機罩和后備箱蓋就充分采用了TOX工藝。

         

        圖3 TOX的兩種接頭形式

        2.2.4熱熔自攻絲鉚接(FDS)

        熱熔自攻絲鉚接(FDS)是借助高速旋轉的螺釘產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合螺紋,并憑借螺紋將自攻絲擰緊來實現鉚接的一種連接工藝。

        其工藝過程可分為四個階段:沖孔、螺紋成形、攻絲、擰緊。FDS工藝屬于單向連接,其優點主要有①無需提前鉆孔,連接簡便,易拆卸。②變形空間小,因此可以用來連接鋁鎂合金、超高強度鋼等基本所有車身材料連接板件。但是其缺點也顯而易見,由于攻絲需要擰穿材料,穿孔出的材料放腐蝕能力會下降;其次對夾具的剛度要求也較高;再者螺釘的成本較高,質量大,若大面積使用會增加車身自重。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 粘結技術

        2.3.1結構膠粘接工藝

        粘結技術是通過膠粘劑與被連接件之間的物理化學反應將被粘物連接成整體的工藝過程。在目前電動車制造中,其良好的物理性能,比如抗應力集中、密封性、減震性能使其在眾多連接工藝中別具一格。在連接處使用結構膠可以避免不同金屬復合材料的直接接觸,能夠減輕作用下的電化學腐蝕反應。但是膠的抗疲勞強度和耐熱性是限制其大量應用的工藝難題,所以在一些豪華品牌轎車制造中,將結構膠粘結工藝和自沖鉚連接(SPR)混合形成的復合連接工藝應用較為廣泛。例如捷豹某車型用膠量長達150m,通過上述復合連接工藝成功使車身連接強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展,對未來純電動汽車的輕量化的要求也會越來越高。通過對目前國內外電動汽車市場上輕量化沖壓連接工藝的現狀進行分析,如何提高自身的工藝技術,乃至開發一種全新的連接工藝是所有汽車制造商提高核心競爭力的目標。只有加快鋁合金等材料輕量化沖壓連接技術的開發,才能突破工藝瓶頸,為純電動汽車的輕量化設計提供更多的有益借鑒。

        來源:期刊-《汽車實用技術》;作者:趙傳軍,李煒

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