课堂 | 车身轻量化材料和工艺制造技术
【摘要】汽车车身轻量化是汽车主机厂实现节能减排的重要战略举措之一，包括材料选择、工艺技术实现的关键技术和混合材料连接技术。结合生产实际，总结了铝合金材料、高强钢在汽车车身材料上的应用，总结了铝合金和高强钢的工艺技术最新应用成果，介绍了混合材料连接技术，特别是随着铝材和高强钢在汽车车身上的广泛应用，使得混合材料连接需要更多的创新技术，介绍了铝板材焊接、冷连接和粘接技术应用的最新成果。随着轻量化材料在汽车车身应用的不断增加，轻量化材料和工艺制造技术将趋于更加成熟。
主题词：轻量化 材料 铝车身 高强钢 连接技术 制造工艺
汽车产业的发展随着环保法规的日益严格和燃油经济性的提高，已经将节能减排提到了首要地位。提升汽车产业节能减排效能的环节包括设计低碳化和制造低碳化[1]，在设计方面若汽车整车质量降低10%，燃油经济性可提高6%～8%[2]，因此汽车轻量化是实现节能减排的重要环节，汽车产业包括主机厂和供应链制定了汽车产品轻量化战略和目标，要实现这一目标，需要在车身结构设计、材料选用、工艺制造技术等因素综合考虑。本文主要从材料选用和工艺制造技术角度阐述汽车制造行业的轻量化技术的应用情况，包括铝、高强钢、复合材料和连接和制造工艺的应用。
2.1 铝材选用
2.1.1 薄铝板材的应用
薄板铝材作为一种较为成熟的轻质金属材料，在匹配高精度、造型高难度的车身上，应用逐步被推广，特别是随着铝板成形技术从200℃温成形过渡到可以常温冷冲压成形后，应用铝材越来越多的得到更多的主机厂设计师的青睐。自2010年以来，合资品牌陆续在国产化车型上引入了铝板生产制造设备和技术，同时，国内外的材料供应商也提供了进口和国产化材料，为国内车身采用铝材奠定了基础。目前应用较多的零件有发罩、后盖、门、翼子板等总成部件。
奥迪车型为实现轻量化，在外覆盖件上使用了大量的6XXX系铝板，国内生产车型车身最多采用铝材190 kg/车，与钢板相比，相应零部件减重可达到35%～45%，这样油耗将会降低24.5%～31.5%。在外覆盖件上使用铝板不仅能进一步降低车身质量，还能降低整车重心。
2.1.2 铸铝的应用
除了使用铝板材以外，铸铝主要应用在能够承载大载荷的零部件上，应用后减重效果明显且具有较高的强度。铸铝的特点是具有较高的延展性、良好的焊接性能以及较高塑性，从而保证车辆碰撞的安全性，例如在汽车减震器上使用铸铝，目前同样广泛用于汽车壳体、发动机结构件、电池包部件等。
2.2 高强钢材的使用
2.2.1 冷轧高强钢的使用
目前汽车行业在车身的重要结构件、安全件普遍使用强度在210～980 MPa的冷轧高强钢，可以提升车身强度、安全性，从而实现轻量化，包括双相钢、低合金高强钢、烘烤硬化钢等。随着高强钢表面质量水平的逐步提升，高强钢也首次实现了在外板件上的应用，比如在车身门外板上使用CR290Y490 T-DP-GI双相高强钢，相比使用普通烘烤硬化钢，强度提升了60%，通过厚度减薄，可以显著降低车身质量。目前抗拉强度490 MPa的高强钢已经应用在顶盖以及门外板上。如果将高强钢逐步应用到外覆盖件上，将能对车身减重做出更大的贡献。
2.2.2 热成型钢板的使用
在高温下，热成型钢板具有良好的成型性，可以将多个零件合并生产从而减少零件数量并减重，同时，由于其超高强度，可以降低零件厚度，减少单个零件质量。目前热成型钢板广泛应用在汽车安全件上，如A柱、B柱、顶盖边梁、门槛、横梁、后纵梁等零件。以中通道为例，采用热成型技术，可以实现减重4 kg，材料成本以及模具成本均有所降低。奥迪新一代A8采用了混合材料车身结构设计(图1)，铝合金占比降到了58%，热成型钢采用的比例也达到了近10%[3]。
如果在车型中采用不等厚的热成型钢板，将会在使用等厚度热成型钢板的基础上进一步减重。例如，在B柱上采用不等厚板热成型钢板（图2）[3]，实现零件“硬区增厚，软区减薄”，满足零件的功能需求。变厚度钢板（Tailor Rolled Blank，TRB）是通过轧钢机实施柔性轧制获得的，使轧制出的钢板可沿轧制方向实现变厚度分布。从而实现零件不同区域不同厚度，有效减少零件数量，提升零件均匀性及整体强度，实现车身轻量化。
图1 热成型零件在车身上的应用（部分框架）[3]
图2 TRB变厚度热成型钢板[3]
此外，热成型技术也引入了热成型激光拼焊技术。应用热成型激光拼焊零件，可以根据碰撞需求，合理设定板料厚度，实现前端溃缩变形吸收能量，后端支撑防止倾入乘员舱造成乘员的伤亡。极大程度的提高了整车安全性能，减轻了整车重量。在车门上使用热成型门环就是运用热成型激光拼焊的典型案例，不但提高了车身的强度，而且进一步降低了车身的重量约10%～30%。
2.2.3 其它轻量化材料的应用
随着材料技术的不断发展，镁合金、碳纤维、三明治钢板等新材料也在越来越多的被广泛应用。
在部分车型中，方向盘骨架开始逐渐采用镁合金，平均用量仅1.5 kg/车，减重效果明显，并逐步在向变速器壳体、仪表板骨架、座椅骨架、车轮等零件拓展。
预计2020年碳纤维结构件成本降至135元/kg，也将促进碳纤维件的推广，扩大在车身覆盖件、结构件、电池包壳体上的应用。
Audi公司开始采用了集成隔热功能的三明治钢板，在发动机机油底壳设计上得到了广泛的应用。
未来的汽车车身将会由多材料体系结构组成的，如新一代某款奥迪车身材料不再是传统的白车身了，而是增加了铝镁合金、合金钢和碳纤维。因此多种材料的连接将会是工艺制造技术发展的重中之重，工艺制造分为4个专业领域，即冲压、焊装、涂装和总装。每个制造过程都会对传统工艺有所改变，因为在白车身上变化较大，本文重点阐述冲压及焊装的铝板生产技术。
3.1 冲压
铝板的越来越广泛的应用，对冲压工艺技术创新提出了巨大的挑战。
从工艺设计角度而言，铝板的最大减薄率不能超过17%，并且需要着重关注圆角、拔模角度的设计以及尽可能避免凸台；而对于钢板而言，由于其成型性比铝板好，最大减薄率一般控制在不能超过20%。
从生产角度而言，由于铝件料屑问题多，返修率普遍达到10%，返修需要投入专用返修打磨间，返修成本高。相比较而言，钢板的返修不需要苛刻的环境，返修的成本比铝板低很多。铝件回弹大，导致铝冲压件尺寸难以控制和调节，目前德国设计的模具铝件尺寸符合率也不高，平均不足70%，而钢板模具，尺寸符合率一般能达到98%以上；
从模具角度而言，由于铝的弹性模量仅为钢的1/3，铝板冲裁断裂后的弹性恢复比钢更为剧烈，铝板断裂后断面与冲头侧壁接触的压应力更高，剐蹭更为剧烈，产生更多热量，由于铝板自身具有粘性，铝板断裂面上的一些材料就会粘附在冲头侧壁上[4]，形成积屑瘤，导致冲裁间隙变小，产生毛刺，为此，需要对模具冲头镶块的结构及表面进行特殊设计。
从设备角度而言，铝板分张时，不能使用磁力分张，拆垛站不能使用磁性皮带。在开卷落料线更需要注意下列事项：
●生产铝板用铝板校直机和铝板进给装置，钢板和铝板不能混用校直机和进给装置；
●生产铝板不能用清洗机，尽可能用停落堆垛模式；
●校直机的校直辊要定期拉出进行彻底清洁，引入装置的净辊和进给辊要定期清擦；
●整个设备的用于带料支撑的所有滚轮要定期清擦并检查转动的灵活性；
●进给辊和测量辊压力要调整适当，避免在板料上产生痕迹；
●伸缩皮带托料杆凸轮要调整适当，减少板料端部与托料杆的磕碰；
●校直机引入辊压力要调整适当，避免在板料上产生痕迹。
3.2 连接技术
连接技术是车身设计的核心技术之一，也是影响车身制造工艺的重要因素，其中焊接、包边压合是焊装工艺中的重要环节。奥迪公司全新A8生产过程中采用了13种连接技术[5]，见图3。本文就先进的点焊、激光焊接、包边压合和粘接技术在生产中的应用进行总结。
图3 全新奥迪A8车身连接技术[5]
3.2.1 点焊
点焊作为一种普及率高的技术是一种具有应用历史悠久的连接技术，目前广泛用于车身的钢与钢连接中。点焊技术效率高、成本低，技术成熟度高。而由于铝合金熔点低、线膨胀率高、导电率高、表面易氧化等特性，给传统的点焊技术在铝板的连接应用带来了新的挑战，目前铝的连接应用点焊较少。为了克服铝材料的点焊问题，各大主机厂应用了不同的技术，例如通用汽车公司就在电极帽上进行技术创新，应用多环形圆顶电极，能刺破铝氧化皮，能大大增加电极的寿命（图4）[6]。
图4 多环形圆顶电极[6]
3.2.2 激光焊
激光焊技术被广泛的应用于钢制车身以及铝制车身上，特别是门总成、后盖总成、顶盖及侧围连接等，包括双层或三层板材搭接、角接熔焊，对接钎焊、搭接钎焊等，在奥迪某一车型中，白车身激光焊缝总长度长达42 m。应用铝合金采用氩弧焊时，由于铝板本身表面易产生难溶的氧化膜、接头软化、易产生气孔等特性，导致焊接过程中产生熔透能力差、焊接变形大等缺点，因此逐渐将激光焊接技术更多的应用于铝板以及异种材料的连接技术中。
激光焊接的优点主要有以下4方面：
（1）强度高，线性焊接经测试可以提高30%的焊接强度。
（2）速度快，激光焊焊接速度可达40 mm/s，工作效率大大提高，传统焊接工艺望尘莫及。
（3）变形小，这是激光焊的优势，其光束的焦点直径仅0.6 mm，且其焊缝的宽度也只有大约1.5～2.0 mm，因此激光焊接焊缝区域微小，其它部分变形量可以忽略不计。
（4）质量好，全自动激光焊接焊缝小而均匀，外型美观。如汽车顶盖与侧围处的激光焊接位置，到总装配时可以取消装饰条，成本又大大的降低了。
但是如此完美的焊接也是有缺点的：激光聚焦光斑直径细小，对焊接装配精度要求高，同样，对冲压单件的尺寸精度提出了极高的要求，一般在0.2 mm，且对尺寸变化极其敏感。因此会造成单件的制造成本增加。
奥迪公司在全新Audi A8车型的生产中引进了远程激光焊接技术，由于取消了传统激光焊接的质量控制，使得整个远程激光焊接技术比传统激光焊接节省95%的成本[7]。
3.2.3 冷连接技术
（1）包边压合
包边压合是一种机械冷连接方式，广泛的应用于汽车的车身连接，可以实现钢板、铝板以及各种金属材料的连接，主要应用于实现四门两盖内外板的连接等功能，基于焊装线节拍的设计选择采用机器人滚边压合或者压合模压合方式。整体式压合由上下模组成，机器人压合由机器人带着滚轮和压合夹具组成。
压合模的生产效率高、节奏快，但是投入大且柔性差。机器人滚边压合的优点是包边尺寸精度容易控制、质量稳定且技术相对成熟，设备柔性高。铝合金在其包边过程中，由于其成形性差，容易产生裂纹和断裂，因此一般分为预包边和终包边工艺，采取小变形、多道次滚压的方法，且包边形状尽量设置为水滴型包边。由于铝板在包边过程中比钢板更容易发生开裂的情况，为了控制焊装包边开裂的情况，可以适当加大内包边半径。6XXX系列铝板的时效性也会影响包边的质量，随着时间的延长，铝板的包边性能会随之下降，在使用接近时效期限或者已经超过时效期的铝板时，更加要关注其包边的表现。
（2）无铆压力连接（Clinching）
无铆压力连接是利用板材本身的冷变形特性，即通过对板材施加压力，使板材局部产生变形而将板材连接在一起的机械连接技术。
优点是：成本低，不需要额外的铆钉，没有耗材，连接费用约为点焊的40%～70%；在大规模生产制造中，易于实现快速自动化；工具和设备寿命较长，通常可以实现20万次连接；连接强度高，表面镀层不会被破坏，抗锈及腐蚀能力也不会被损伤。因为生产过程产生的噪音较小且没有烟雾和热量，对现场工作人员健康和安全的影响很小。
缺点是：夹紧力较高，通常在20～70 kN，需要较大的C型铆接枪；而钢铝混合车身结构对连接点强度的要求就更高。经实验，无铆压力连接动态疲劳连接强度约为点焊的2到3倍。
3.2.4 粘胶连接
粘胶连接技术在车身应用时，主要与铆接以及包边压合方式一起使用，粘胶接在汽车工业中的应用已经有很长时间的历史，并被广泛应用于钢板、铝板以及不同材料的连接等多种连接过程，涂胶设备由涂胶枪和控制系统组成，根据结构型式分为手动涂胶和自动涂胶，根据胶的性能分为加热胶和不加热胶。与其他连接方法相比，该连接方式的优点是面接触，这样不易产生应力集中。同时兼顾了良好的密封性，更高的刚度、疲劳强度以及NVH。其缺点是：由于使用胶品为高分子化合物，受环境影响明显，比如温度和湿度；由于粘度比较大，需要比较高的使用温度，耗能较高；为了避开铆接点需要点段式涂胶，对涂胶设备的要求也比较高。因结构胶的质量对车身强度有较大影响，大部分的结构胶都采用实时视觉系统对涂胶缺陷进行监测。
以上是车身常用的一些连接工艺，还有其他一些工艺不再进行介绍，包括FDS（热熔自攻丝）、摩擦旋转焊、点焊、氩弧焊等技术。连接工艺的应用是需要综合考虑，主要取决于车身结构以及材料选择。真正有意义的轻量化，是在考虑车身安全作为最基本前提下进行的。既要满足越来越严格的各国碰撞法规，保证乘客安全，同时能够降低汽车质量，实现更好的轻量化，将会是汽车制造商未来一直面临的重要课题。
轻量化材料和轻量化材料的加工技术近些年来发展迅速。在国外很多技术已经达到成熟运用的阶段。在可以预见的未来，在电动车市场的推动下，对车身轻量化的要求进一步增加，国内未来几年将是轻量化材料及其加工技术迅速成长的时期。铝板材、铝铸材、冷轧高强钢、热轧高强钢的发展，以及轻量化材料加工和连接技术的进步，将助力国内轻量化技术的进步与应用。
来源：期刊-《汽车文摘》；作者：刘亦功