新材料与工艺手册

[铝连接] 纯电动汽车铝合金轻量化连接技术

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发表于 2020-3-27 10:03:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】纯电动汽车铝合金轻量化连接技术
赵传军,李炜(上汽大众汽车有限公司,上海 201805)
摘 要:汽车轻量化,是指从汽车整体的安全性能和车身结构强度出发,尽可能减轻汽车车身重量,从而达到提高整车性能、增加续航里程的目的。作为新能源汽车未来的发展方向,纯电动汽车在生产制造中的轻量化研究迫在眉睫。文章主要阐述了以铝合金为代表的轻量化材料在纯电动汽车上的应用,并介绍了几种新型连接技术的特点,以对国内纯电动汽车轻量化研究提供有益借鉴。
关键词:纯电动汽车;轻量化材料;连接技术
前言

近年来,能源和环境问题越来越成为人们关注的焦点。据统计,截止2019年全球汽车保有量达到8亿,而作为第二大污染源的汽车尾气对环境的影响也越来越严重。整车质量越大能耗就越多,因此与传统汽车相比,纯电动汽车对于轻量化的要求更为迫切。目前从事电动汽车生产的国外厂家包括特斯拉、丰田、宝马、奥迪、雷克萨斯等;国内的有比亚迪、蔚来、长城等,电动汽车轻量化是这些企业必须考虑、也是提高企业核心竞争力的重要课题。目前电动汽车轻量化的实现主要有三种途径:(1)优化车身结构设计。(2)使用轻量化材料。(3)采用新型连接工艺技术。前者在传统车型的演变过程中经过不断研究开发,日趋完善,提升空间已相对狭窄。再者,实现车身轻量化的最简单最直接的方式就是使用轻量化材料,比如铝合金、高强度钢等,但是研发一种新型轻量化材料试验周期相对较长,因此本文着重对第三个途径进行论述。

1 轻量化连接技术现状

在目前纯电动汽车市场上,实现轻量化的主要手段是采用轻质材料代替传统的钢制材料,比如铝合金、镁合金碳纤维、高强度塑料等等。对于镁铝合金相同材料的连接而言,因为铝合金热容小、导热和导电率高,其表面易与铜元素发生化学反应,所以采用传统电阻点焊工艺连接时,会造成焊接不到位、电极寿命短、接头质量不稳定。由此可见,传统的连接工艺已经无法满足目前日益增长的轻量化需要了,因此,本文根据一些行业领先的纯电动汽车厂家生产过程中的实际案例逐一介绍新型连接工艺。

目前电动汽车市场上比较常用的连接技术[1]可分为:(1)焊接工艺。(2)机械连接工艺。(3)粘接技术。焊接一般属于热连接工艺,常见的包括:Deltspot电极带式电阻点焊、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、冷金属过渡技术(CMT)、激光焊接技术、搅拌摩擦焊(FSW)5种;机械连接属于冷连接工艺,常见的包括:自冲铆连接(SPR)、螺栓连接、无铆钉铆接(TOX)、热熔自攻丝铆接(FDS)4种;对于粘接而言,主要以结构胶粘接技术为主,纯粘接工艺应用相对较少。

2 纯电动汽车铝合金轻量化连接技术2.1 焊接工艺

2.1.1 Deltspot电极带式电阻点焊

Delta Spot点焊[2],其原理是在焊接时,将电极带放置在工件与电极之间,电极压住电极带与工件接触,电极带在当一个焊点完成时会自动转到下一个焊点处并重复上述焊接过程(如图1所示)。其优点在于:电极和铝材料不直接接触,电极头无需打磨,延长了电极寿命,提高了焊接效率并且保证了焊接质量;同时电极带会将焊接产生的氧化物清理干净,避免焊接材料飞溅及由此造成的部件损坏。目前该焊接工艺已被成功应用于保时捷、特斯拉某车型的制造,在特斯拉某车型车门生产线中,一条电极带的使用寿命达到4500个焊次,每个车门有20个焊点,焊接一个该车型车门所需时间100s,一个Delta Spot带机每天能够焊接650多个车门,若适当调整还能实现不同类型车门的焊接工艺。

图1 Delta Spot 电阻点焊工艺

2.1.2熔化极惰性气体保护焊(MIG)

MIG焊工艺采用的是可熔化的焊丝与焊件之间的电弧作为热源来将母材金属熔化,并在焊接过程中输送保护气体,一般采用氩气或者富氩气体保护焊接熔池,使焊丝、母材金属免收周围空气的有害作用。相比而言,常见的二氧化碳保护焊具有强烈的氧化性,而MIG在保护气体下氧化性极低甚至能达到零氧化,这就将其优点——不但可以焊接碳钢、高合金钢,而且还可以焊接许多活泼金属及其合金,凸显出来。宝马某车型就采用了大量MIG焊工艺生产的全铝副车架。

2.1.3冷金属过渡技术(CMT)

薄板焊接的极限——冷金属过渡技术[3],指的是在数字控制方式下,使焊丝的输送过程呈间断送丝。该系统能够根据焊接电弧的生成时间变化来调整焊接电流,CTM不仅能完成铝合金、镁合金等轻质材料的连接工艺,而且能实现铝/钢等异种材料的焊接,由于冷金属过渡技术焊接质量高、焊缝美观,已被国内外众多电动车厂家采用,尤其是在车罩、车门、天窗等对外观要求高的部位。特斯拉Model S的全铝车身制造就大量使用了CMT焊接工艺。

2.1.4激光焊接技术

激光焊接,就是利用高能量密度的激光束作为热源,在极短的时间使被焊处形成一个高温热熔区,使材料蒸发并形成熔融金属小孔,激光移开后会留下空隙并于冷凝后形成焊缝。激光焊接相较于电阻点焊而言,能量更集中、熔化的材料少、需要的总热量小,因此焊接变形小,焊接速度更快。

激光焊接技术主要应用于汽车拼焊板焊接、动力电池焊接、齿轮焊接、安全气囊内胆焊接、保险杠焊接等方面。例如,比亚迪某车型白车身的焊接及蔚来某车型车门内板和前后纵梁就采用了激光焊接技术。除了上述应用之外,大众、宝马、丰田等各大汽车生厂商相继在车身中采用了激光拼焊板技术,包括汽车安全气囊内胆、汽车车门和前后纵梁、汽车保险杠、动力电池、变速箱齿轮等也都能作为一种先进加工技术解决方案。

2.1.5搅拌摩擦焊(FSW)

搅拌摩擦焊[4](简称FSW),是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化,当焊具沿着焊接路径向前移动时,形成致密的固相焊缝。根据焊接种类的不同,可分为搅拌摩擦缝焊和搅拌摩擦点焊(FSSW)。长城某车型纯电动汽车就成功采用了搅拌摩擦点焊(FSSW)技术,该技术主要运用于铝合金、镁合计等轻金属结构领域,除了具有常规摩擦焊的技术优点外,其接头热影响区残余应力较低、焊接板件不易变形;并且在焊接过程中无需添加焊丝,焊铝合金时无需提前除去合金表面的氧化膜,无需保护气体,成本低。但是在焊接结束将探头提出板件时,焊缝端头会形成一个工艺凹孔,该孔会大大降低接头承载面积,从而削弱其力学性能,虽然能够通过金属回填对焊缝进行修补,但是修补过程需要复杂的控制系统和较长的工艺时间。

2.2 机械连接工艺

2.2.1自冲铆连接(SPR)

SPR工艺[5]是通过液压缸或伺服电机提供动力将铆钉穿透上部板材并与底部板材形成可靠互锁结构形成稳定连接的技术。它的整个工艺过程包括夹紧、冲裁、扩张、成型四个阶段。

SPR自冲铆连接可实现钢、铝及镁铝合金等材料的连接,克服了传统铆接工艺外观差、效率低、工艺复杂等缺点,并且能耗低无污染,更重要的一点是该工艺无需在板材上加工预置孔,缩短了铆接时间,提高了生产效率。目前SPR已成功运用于蔚来、宝马、奥迪、凯迪拉克等电动汽车的全铝车身及铝、钢混合车身连接中,仅宝马某车型整车制造过程中,就采用了30种铆钉,共2453个铆点,可与300多种板件匹配。

2.2.2螺栓连接

螺栓连接是一种广泛使用的可拆卸的铝合金连接方式,相较于SPR铆接工艺,其结构设计、拆装和连接更加方便、可靠。螺栓连接作为最常用的紧固件可大致分为两类:(一)根据受力形式可分为抗拉螺栓连接和抗剪螺栓连接。抗拉螺栓连接适用于传递轴向载荷,但对孔的加工精度要求较高;抗剪连接则适用于传递垂直于螺栓轴线的载荷,靠螺栓杆剪切和挤压传动。(二)按安装状态可分为有预紧力和无预紧力螺栓连接。无预紧力连接常应用于起重吊钩、悬挂螺栓等,这是由于其在安装时螺母无需拧紧,螺栓只有在承受载荷时才受力;而有预紧力螺栓连接相对而言应用较为广泛,例如汽车轮毂。雷克萨斯某车型后防撞梁与车身纵梁就采用了螺栓连接。

2.2.3无铆钉铆接(TOX)

无铆钉铆接工艺[6]是由德国的TOX公司于20世纪80年代末提出的发明专利,相对于传统的汽车行业连接技术,其独特的优势——低能耗、无排放、疲劳强度高被很多电动汽车生产厂商广泛应用。粗到如汽车车身、表面覆盖件以及整车零部件的连接,细到奥迪的车灯导板、宝马的车顶窗等都有它的影子。

图2 无铆钉铆接工艺流程

如图2所示,TOX的工作原理是在无铆钉铆接机的强高压作用下,使两板件发生塑性变形,从而使其在挤压处镶嵌互锁,达到将板件点连接起来的目的。TOX工艺常见的有两种形式:直壁整体下模和分体下模(如图3)。直壁整体下模,就是将模具设计成一个结构简单的整体件;而分体下模就是使金属材料与冲头接触时在金属作用下产生侧滑,使其能充分形成塑性镶嵌,进而形成强度较高的连接。例如上汽通用和上汽大众的某车型的发动机罩和后备箱盖就充分采用了TOX工艺。

图3 TOX的两种接头形式

2.2.4热熔自攻丝铆接(FDS)

热熔自攻丝铆接[7](FDS)是借助高速旋转的螺钉产生的巨大轴向力使待连接板件软化,从而旋入待连接母材,最终在板材与螺钉之间形成结合螺纹,并凭借螺纹将自攻丝拧紧来实现铆接的一种连接工艺。

其工艺过程可分为四个阶段:冲孔、螺纹成形、攻丝、拧紧。FDS工艺属于单向连接,其优点主要有①无需提前钻孔,连接简便,易拆卸。②变形空间小,因此可以用来连接铝镁合金、超高强度钢等基本所有车身材料连接板件。但是其缺点也显而易见,由于攻丝需要拧穿材料,穿孔出的材料放腐蚀能力会下降;其次对夹具的刚度要求也较高;再者螺钉的成本较高,质量大,若大面积使用会增加车身自重。FDS工艺一般用于车身板材、型材与梁类件以及铸镁铝件之间的连接。奥迪某新型车型上就采用了700多处热熔自攻丝铆接。

2.3 粘结技术

2.3.1结构胶粘接工艺

粘结技术[8]是通过胶粘剂与被连接件之间的物理化学反应将被粘物连接成整体的工艺过程。在目前电动车制造中,其良好的物理性能,比如抗应力集中、密封性、减震性能使其在众多连接工艺中别具一格。在连接处使用结构胶可以避免不同金属复合材料的直接接触,能够减轻作用下的电化学腐蚀反应。但是胶的抗疲劳强度和耐热性是限制其大量应用的工艺难题,所以在一些豪华品牌轿车制造中,将结构胶粘结工艺和自冲铆连接(SPR)混合形成的复合连接工艺应用较为广泛。例如捷豹某车型用胶量长达150m,通过上述复合连接工艺成功使车身连接强度增大到纯铆接工艺的2倍左右。

3 前景与展望

随着新能源汽车的不断发展,对未来纯电动汽车的轻量化的要求也会越来越高。通过对目前国内外电动汽车市场上各连接工艺的现状进行分析,如何提高自身的工艺技术,乃至开发一种全新的连接工艺是所有汽车制造商提高核心竞争力的目标。只有加快铝合金等材料轻量化连接技术的开发,才能突破工艺瓶颈,为纯电动汽车的轻量化设计提供更多的有益借鉴。


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