新材料与工艺手册

新能源汽车结构轻量化关键工艺的研究

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发表于 2019-11-20 09:18:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】摘 要:基于《节能与新能源汽车技术路线图》,从焊接工艺和成形工艺两方面对新能源汽车结构轻量化的关键工艺进行研究。介绍了激光拼焊板铝合金拼焊板、冷金属过渡焊接、异种金属点焊,分析了连续变截面板成形与内高压成形,为相关行业和技术人员提供参考。
关键词:汽车 轻量化 工艺 研究
1 研究背景

近几年中国的乘用车销量增速呈现放缓趋势,2018年甚至出现了销量下降,但与此同时新能源汽车却飞速发展,销量增速连年超过50%,乘用车与新能源车销量对比如图1所示,新能源汽车已经成为中国汽车工业的一个重要增长点。

▲图1 乘用车与新能源车销量对比图

2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国新能源汽车的发展指明了方向,此路线图提出的未来发展总体目标之一是新能源汽车逐渐成为主流产品,汽车产业初步实现电动化转型,其中纯电动和插电式混合动力汽车技术路线见表1。要实现这一目标就必须要解决两大核心问题,即续航里程问题和充电桩站的便利服务问题。其中有效提高续航里程有两种手段,其一是汽车向轻量化发展,其二是提高电池能量密度。从目前现实状况来看,电池能量密度的提高较为困难,取决于新技术的开发,而汽车的轻量化则相对容易实施。

表1 纯电动和插电式混合动力汽车技术路线

新能源汽车结构轻量化的实现手段有三种,即采用各种技术手段对结构进行优化设计、广泛应用新型高强度和轻质材料、采用新的轻量化制造工艺。笔者着重从近年来新开发和使用的制造工艺入手,对新能源汽车结构轻量化的若干关键工艺展开研究。

2 新焊接工艺2.1 激光拼焊板

激光拼焊板(Tailor Welding Blank,TWB),是利用裁缝的原理根据汽车零件设计的要求,对不同厚度、不同强度、不同镀层、不同材质的钢板进行激光焊接,使之成为一块整板后再进行整体冲压的工艺。这种工艺可以满足零件对材料性能的不同要求,提高了材料利用率,有效降低了零件的自重,如图2所示。

▲图2 拼焊板示意图

德国蒂森克虏伯公司于1985年开始生产激光拼焊板,并首次成功应用于奥迪100型车身上。据报道,汽车车身如果采用激光拼焊板成形可使车身的自重下降20%~40%。目前,由于激光拼焊板在汽车轻量化中的显著效果,因此已经在汽车工业中得到了大规模的应用。但该工艺也有一定的局限性,表现在这些焊缝影响了冲压零件的力学性能和表面质量,焊缝处有厚度突变,不能做到薄厚板之间的光滑连接,因此不宜制作车身外表面板[4]。不过随着工艺技术的不断完善,该工艺将会在新能源汽车高强度钢板拼接领域得到更为广泛的应用,获得更好的减重效果。

2.2 铝合金拼焊板

目前,铝合金材料广泛应用于汽车制造领域中,同一零件采用铝合金拼焊板比钢材拼焊板减重大约50%,比采用铝合金板减重大约5%-10%,所以铝合金拼焊板工艺能进一步有效降低零件的自重。目前铝合金拼焊板的焊接方法主要有激光焊、非真空电子束焊和气体钨极电弧焊等,但由于铝合金本身的焊接性质不佳,容易在焊缝处造成孔隙、焊缝区域的热裂、强度下降和合金元素的损失等缺陷,影响了其应用和推广。

近年来出现了一种新的铝合金拼焊板制备方法搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding Tray,FSW),该方法首先由搅拌头(由搅拌针和轴肩组成)旋转插入待焊接零件,然后沿着焊接方向旋转运动,在搅拌针与周围母材摩擦、轴肩与焊件表面摩擦的共同作用下,焊缝处金属材料温度迅速升高而实现充分塑性软化,随着搅拌针向前移动,搅拌针前方的热塑性金属不断流向后方,轴肩施加的锻造力使接缝处的变形金属通过相互扩散与再结晶而牢固地结合在一起,从而形成一道焊缝,实现固态连接。搅拌摩擦焊的工作原理如图3所示[5]。

▲图3 搅拌摩擦焊工作原理图

搅拌摩擦焊工艺在焊接过程中不需要熔化基体,很好地避免了铝合金板在熔化焊时因熔化所造成的变形、孔隙、微裂纹等缺陷。此外,在焊接过程中,不需要保护气体和填充材料、无焊接烟尘和飞溅、能耗小,是一种经济、高效、优质的绿色焊接工艺。可以预见,随着该技术的不断研究和成熟,采用搅拌摩擦焊的铝合金拼焊板定会在新能源汽车领域有广泛的应用。

2.3 冷金属过渡焊接

冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)技术的热输入量比普通的熔化极惰性气体保护焊(MIG)和熔化极活性气体保护焊(MAG)要低,因此称为冷。CMT技术通过焊接过程中热-冷-热的交替,来大幅降低热输入量。其焊接工艺过程是,电弧燃烧加热零件和熔化焊丝,同时焊丝向前送进,直到形成的熔滴与零件接触,此刻焊机将焊接电流降至几乎为零,同时焊丝回抽,通过机械方式使焊丝和熔滴分离,实现熔滴向焊缝处过渡,当焊丝脱离焊缝,形成开路后电弧又重新燃起,此时焊丝向前送进,下一个焊接周期重新开始[7]。CMT焊接原理如图4所示。

CMT焊接的优点是消除了飞溅,有效地控制了焊接烧穿现象,提高了薄板焊接的安全性,并且可以精确控制输入量,具有较高的重复焊接精度,焊接质量较好。因此在新能源汽车高强度钢焊接、超薄板焊接、钢-铝异种材料焊接等领域,CMT焊接技术有着广泛的应用前景。

2.4 异种金属点焊

铝合金等轻质合金在新能源汽车领域应用较为广泛,但其材料性能决定了全铝车身安全性能不能令人满意,因此,混合结构车身成为了主要发展方向,轻质合金和钢材的焊接成为新能源汽车轻量化的重要工艺之一。由于在车身制造中大量地使用金属薄板件,搭接是常用的连接形式,因此点焊是较多使用的一种连接方法,传统的点焊方式主要有:电阻点焊、超声波点焊、电弧点焊和激光点焊等,均适用于异种金属点焊连接。

▲图4 CMT焊接原理示意图

近年来出现的新工艺主要是搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding,FSSW)和胶接点焊。搅拌摩擦点焊属于一种单点连接方法,其原理和前述提到的搅拌摩擦焊基本一样。该焊接工艺具有焊点强度高、质量好、工艺简单、缺陷少、变形小、节能及对焊接设备要求较低、清洁等优点,是一种有望取代电阻点焊的新技术。胶接点焊是对工件表面进行清理后,涂胶黏剂搭接,先将待连接件胶接在一起,然后再对其进行点焊,最后进行固化处理。胶接点焊工艺是胶接和电阻点焊的结合,其工艺简单,可以避免焊接过程中的应力集中,接头强度高,而且连接件具有良好的密封性、减振性和降噪性。并且胶接点焊可使异种金属连接后相对隔离,杜绝电化学腐蚀问题。

3 成形工艺
3.1 连续变截面板

为解决激光拼焊板的自身工艺缺陷,近年来出现了一种通过柔性轧制技术生产的连续变截面板,如图5所示。柔性轧制技术类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺,但其最大不同之处在于轧制过程中轧辊的间距可以实时地调整变化,从而使轧制出的薄板在沿着轧制方向上获得预先定制的截面形状。该技术主要是通过计算机来实时控制和调整轧辊间距,从而实现由等厚度板到连续变截面板的轧制。

▲图5 连续变截面板示意图

上世纪90年代,德国亚琛工业大学金属成型研究所(IBF)首先开发出连续变截面板轧制技术,德国Mubea公司通过和IBF的技术合作研制出了一种新型轧制工艺,并开始规模化生产连续变截面板。根据文献[8-9],某型号汽车车身结构经过优化并采用连续变截面板成形后,其质量下降了10%~40%,采用连续变截面板的汽车车身零部件如图6所示。

针对新能源汽车的车身结构件,通过结构优化设计,并采用定制的连续变截面板成形,可以达到最佳的轻量化目标。随着柔性轧制技术的不断完善和成本的进一步降低,连续变截面板必定在新能源汽车领域具有广泛的应用。

3.2 内高压成形工艺

内高压成形(Hydro Forming),是一种以金属薄壁管材为坯料,以油液为传压介质,在管材内部施加超高压的同时,对管坯的两端施加轴向推力进行补料,因两种外力的合力作用,管坯产生塑性变形,最终与模腔内壁贴合,使管坯成为具有三维形状零件的现代塑性加工技术。内高压成形原理如图7所示。

在汽车制造领域采用空心结构取代实心结构,既可以保证零件的强度和刚度,又能减轻质量。内高压成形技术正是这种加工空心零件的先进工艺方法,适合制造空心变截面轻量化零件,新能源汽车的底盘构件、车身框架、座椅框架等均可以采用内高压工艺来成形,实现无焊缝过渡,既可以达到轻量化的目的,又可以提高强度。

4 总结

新能源汽车的进一步发展决定了车身结构轻量化势在必行,笔者仅从制造工艺方面探讨了最新的若干关键工艺,从轻量化的大目标来看,车身结构优化设计、应用新型高强度和轻质材料、采用轻量化制造工艺等三个途径相辅相成,是一个各学科相互融合应用的系统工程,可以最大程度地实现轻量化这一目标的。

▲图6 连续变截面板汽车车身零部件

▲图7 内高压成形原理





来源:期刊-《机械制造》李 骏 王 雷 张 尧


东北大学 机械工程与自动化学院 沈阳
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