新材料与工艺手册

[车身轻量化] 镁合金汽车防撞梁设计及工艺研究

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发表于 2020-11-2 14:15:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】镁合金汽车防撞梁设计及工艺研究
夏建华1,张建明2
(1.山东唐骏欧铃汽车制造有限公司汽车研究院,山东 淄博 255100;2.海马汽车有限公司,河南 郑州 450000)
摘 要:采用AZ80A镁合金材料进行汽车防撞梁轻量化设计,研究镁合金型材结构、焊接工艺及表面处理工艺在镁合金防撞梁上的应用。结果表明:“目”字或“日”字型对称均匀的腔体结构有利于型材挤压和性能提升;TIG焊接电流(75~80)A时焊缝性能不低于母材的80%且外观良好;静电喷塑工艺对镁合金汽车零部件的防护等级较好,中性盐雾试验大于168h。
关键词:镁合金;轻量化;结构及工艺
前言
随着国家对汽车尾汽排放指标的逐步提高,汽车轻量化显得日益重要。汽车轻量化是新材料轻量化、先进工艺轻量化和结构轻量化的优势集成,是提升汽车性能、降低整备质量等各个要素相结合的系统集成工程。[1]世界铝业报告指出,汽车整备质量每减轻10%,可降低燃料消耗6%~8%,整备质量每减重100kg,CO2排放量可减少约5g/km,在乘用车中每使用1kg铝镁合金材料产品,可在其使用寿命期内减少20kg尾气排放;新能源汽车整备质量每降低10%,纯电运行状态下其续驶里程可增加5.5%。[2]镁合金因密度低、比强度和比刚度高、减震性好等特点,成为在航空航天、交通和电子等领域应用最较广的轻量化材料[3]。
防撞横梁的弯曲半径比较大,结构比较简单,弯曲相对简单,但对弯曲半径精度、工作表面质量、滚弯效率等要求较高。因滚弯质量与预热温度、滚轮转速、弯曲半径等要素参数紧密相关,为了避免型材滚弯后回弹、褶皱、腔体变型等质量缺陷,着重从要素参数进行了对比分析研究:
本论文以AZ80A镁合金汽车防撞梁为基础进行轻量化探讨,重点研究AZ80A镁合金型材结构设计、焊接工艺及表面处理工艺在汽车防撞梁上的应用,为镁合金汽车零件轻量化设计及工艺提供参考。
1 防撞梁技术要求及材料选择
产品以轻量化设计为目标,重量不大于3.4kg。材料抗拉强度不小于300MPa,屈服强度不小于245MPa。总成由防撞横梁、吸能盒等组成。表面防护满足汽车车身涂装技术要求。
根据产品技术要求,可以选择铝合金6082-T6或镁合金AZ80A-T5。通过两者材料性能对比分析(表1),在CAE分析同等质量性能下,AZ80A-T5相对6082-T6可减重1.0kg,减重率达30%左右,综合成本基本相同,因此防撞梁材料选择AZ80A-T5镁合金挤压型材。
2 防撞梁结构断面设计
防撞梁结构设计首先要考虑汽车在50km/h正面碰撞起始20ms内吸能盒的一级吸能及低速碰撞时的行人保护,同时满足AZ80A镁合金型材挤压工艺的要求。
镁合金型材的力学性能与挤压比和挤压温度等因素紧密相关,而型材断面设计直接影响挤压比的选择,同时也直接影响到挤压模具寿命、挤压型材焊合质量、型材壁厚的均匀性等质量及性能,因此防撞梁断面设计是产品设计的关键。[12-13]
表1 AZ80A-T5&6082-T6性能对比
注:以上数据来源于供应商材料试验报告。
图1 断面结构图

AZ80A镁合金防撞梁型材以挤压温度360℃、挤压比20进行断面设计。为了提高产品的结构强度,防撞梁横梁断面采用“目”字型结构,吸能盒断面采用“日”字型结构(图1),腔体对称且等截面设计,腔体壁厚均匀为2.0mm,最大截面尺寸115mm,保证挤压时各个型材孔腔焊合缝充分熔合且臂厚均匀。通过样品试挤调试,当挤压速度4m/min时,显微镜下观察晶粒细化均匀,实测AZ80A抗拉强度达到315MPa。同时,按照GB/T4279进行低倍试验评价(表2),挤压焊合缝满足要求。
表2 AZ80A挤压型材焊合缝低倍试验评价

3 防撞梁工艺设计3.1 成型工艺设计
型材弯曲成型工艺有:拉弯、滚弯、冲压等,防撞横梁采用滚弯工艺制作。滚弯是利用通用的三轮或多轮滚弯设备,通过滚轮直径和弯曲弦高控制产品弯曲半径,生产效率高,设备成本低。目前对镁合金热弯曲已经有些研究成果,比如朱茜等[14]针对镁合金特有的密排六方晶体结构,滑移系比较少,相比铝合金、铁等在室温下的塑性变形能力更差的问题进行了研究,得出成形温度加热至180℃~240℃之间时,镁合金的塑性得到很大提高。姚启明等[15]对镁合金管材电阻加热弯曲工艺研究也证明了加热后成型的必要性。但这些研究也仅是对某类型材的弯曲,具有局限性。
AZ80A镁合金防撞梁在进行直角焊接时采用手动填丝式焊接,焊丝直径2mm,焊高不小于3mm。焊接电流的调整是保证焊接质量的关键,通过不同焊接参数下焊接强度及焊合外观对比(图3)得出,当焊接电流太小(50A~60A)时,母材熔化不充分熔深不足,易出现焊合不良,焊缝强度不足;当焊接电流太大(90A~100A)时,易出现晶粒过烧,焊缝附近晶粒长大,也会产生气孔或裂缝,焊缝及周边抗拉强度降低;当焊接电流为(75~80)A时,焊缝处晶粒细化,周边母材晶粒无变化,焊接缝外观及焊接强度最优,焊缝强度达到260MPa以上,不低于母材强度80%,满足设计要求。但在焊接过程中要控制焊接速度,以减小热影响区晶粒变大对力学性能的影响。
图2 产品弯曲外观对比

首先,将镁合金型材切割成长度1800mm的半成品,分层放在专用工装上,通过15m长电阻式隧道加热炉均匀预热。然后,将升温后的镁合金型材卡入滚弯设备,一次性滚弯成型。最后,将滚弯成型后的半成品放入弯曲定型工装批量存放并自然冷却。通过调整不同的预热温度、弯曲半径、滚轮线速度,得到筛选后的弯曲影响要素数据对比(表3)和产品弯曲外观对比(图2)。从生产能源消耗、生产效率(不小于400pcs/班·机)、产品尺寸公差等各因素考虑,最终形成适合本产品的弯曲成型设计工艺为:220℃预热,弯曲半径R2100,滚轮线速度3m/min~4m/min,静置回弹量2%~3%。
3.2 焊接工艺设计
TIG方法焊接镁合金薄板时,焊接设备及工艺参数对焊缝表面成型和强度有很大影响。AZ80A镁合金防撞梁焊接采用水冷式交流钨极氩弧焊机(WS-500),当工作在交流电负半波,即工件为阴极,钨极为正极时,可以清除工件熔池表面的氧化膜,提高焊接强度。同时,焊接时氩气从焊枪的喷嘴中连续喷出,在电弧周围形成保护层隔绝空气,以防止其对钨极、熔池及邻近热区的氧化,从而获得优质的焊缝。
随着市场应用需求的增加,镁合金材料轻量化应用和工艺研究日趋成熟。张成等通过对镁合金材料性能的分析验证,利用镁合金替代铝合金,在同等性能的情况下将高铁座椅有效减重25%。[4]张福全、廖慧敏和王文杰等分别通过对MIG焊接和TIG焊接工艺在镁合金材料焊接上的应用研究,验证了镁合金焊接的可行性及不同焊接电流对焊接强度的影响。[5-7]镁的原子结构决定了其极易腐蚀,阳极氧化、微弧氧化、静电喷塑等工艺不同提供镁合金的耐蚀性能不同,需要根据不同的工作环境及防腐蚀要求选择合适的表面处理工艺。[8-11]但由于镁合金材料成分不同,应用环境不同,其结构设计和工艺也有差异。
表3 弯曲影响要素数据对比
图3 焊缝外观示意图

3.3 表面处理工艺设计
镁合金表面处理工艺很多,比如:阳极氧化、微弧氧化、静电喷塑等表面处理工艺,需要根据产品工作环境不同而选择适宜的表面处理工艺。通过对比镁合金常用的阳极阳化、微弧氧化、静电喷塑等工艺中性盐雾试验数据及性能(表4),AZ80A镁合金防撞梁采用静电喷塑工艺,中性盐雾试验大于168h。静电喷塑原理是将塑粉通过高压静电设备充电,在电场的作用下,将塑粉喷到零件的表面,形成涂层,然后经过高温烘烤固化,塑粉融化成致密的防护涂层附着在零件表面。[16]
此工艺耐腐蚀耐磨和机械强度比较高,解决了镁合金本身耐腐蚀性差的缺点,而且该工艺对环境无污染、对人体无毒害、成本低等。防撞梁静电喷塑工艺过程流程及参数如图4。
4 结束语
(1)AZ80A镁合金材料以低密度高强度性能有利于汽车轻量化设计,在部分汽车零件设计中可替代铝合金或钢材,减重30%~60%,符合汽车轻量化发展方向。
表4 表面处理工艺数据及性能对比
图4 喷塑工艺流程及参数

(2)型材断面结构设计时应充分考虑镁合金的挤压特性,选择适宜的挤压温度、挤压速度和挤压比有利于提高镁合金的机械强度,AZ80A在360℃挤压时晶粒排布的力学性能较好,“目”和“日”字型对称结构设计既保证了挤压焊合性能,又提高了产品的机械强度。
(3)TIG焊接参数的调整影响焊接的性能,AZ80A焊接电流在(75~80)A时,焊缝外观和焊接强度较好。
(4)镁合金材料的汽车零部件采用静电喷塑工艺是当前表面处理工艺中性能、环保、成本较好的选择。

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