混合车身连接工艺概述
 
发布时间:2017-08-16 | 发布类型:

近年来,随着汽车产量和保有量的持续增加,我国面临的能耗、安全、环保三大问题日益突出,为了推进汽车工业的可持续发展,提高汽车的燃油经济性,减少温室气体的排放,我国已经把汽车的轻量化作为节能减排的重要途径而放在了战略的高度来对待。

汽车重量每减少 100Kg,油耗和 CO2排放可分别减少 0.35 ~0.6L/100 km 8.4 g /km。大力发展并推进汽车轻量化技术成为节能、减排的主要途径之一,而车身质量占汽车总质量的 40 %左右,故车身轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。

本文就从以下几个方面对铝合金车身的主要连接工艺做出阐述:

一、车身轻量化途径;

二、混合材料车身;

三、铝合金车身在国内的应用情况;

四、铝合金车身主要连接工艺;

五、钢铝混合车身开发流程;

六、面向制造的钢铝混合车身连接工艺;

一、车身轻量化途径

汽车轻量化技术可以分为:结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等 3 个主要方面。其中,结构优化设计方面包括:汽车结构的尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化;轻量化材料的应用方面包括:高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料等;先进制造工艺方面包括:液压成型和激光焊接等。

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二、混合材料车身

未来的汽车车身应由钢和一些铝合金、镁合金、碳纤维、塑料等轻质材料共同制造,即混合材料车身。混合材料车身结构的理念能较好地兼顾各方面的要求,寻求轻量化效果、工艺性、安全性和成本等总体上的最优化,代表了今后汽车车身结构发展的最新趋势。

钢铝混合车身结构即是在传统钢结构车身骨架中,将某些结构构件用高强度钢板和铝合金等轻质材料替代,以充分发挥高强度钢板在强度和价格方面的优势,同时兼顾铝合金板材在减重及吸能方面的优势,通过材料和结构的优化设计和性能模拟的方法确定不同材料分布的部位。

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欧盟SLC项目混合车身轻量化情况

三、铝合金车身在国内的应用情况

国内铝合金车身应用得比较广泛及成熟的车企有奇瑞捷豹路虎和上汽通用凯迪拉克,国内也有少量车企有应用,例如蔚来汽车(车型未量产)、北汽新能源、奇瑞新能源等。

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铝合金在凯迪拉克CT6车身中应用的三种形态

四、铝合金车身主要连接工艺

从目前的研究大部分车企应用情况来看,比较适用于铝合金车身及钢铝混合车身的连接工艺有:铝点焊、SPR、压力连接(Clinching)、热熔自攻丝(FDS)、弧焊、激光焊、粘接、包边、螺柱焊、摩擦搅拌焊等。

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1、铝合金点焊

因铝合金熔点低、线膨胀率高、导电率高、表面易氧化等特性,铝点焊须采用大电流、短时间、多脉冲、大电极压力,所以铝点焊时输出大电流对焊机、变压器(最大达230KVA)及焊枪的供电要求高,大电极压力需焊枪结构牢固可靠。大电流易产生强磁场,焊接工装需防磁以防焊接时通讯信号丢失。

常见的铝合金点焊形式有:常规铝合金点焊、螺旋状电极铝合金点焊、电极带式铝点焊。

常规铝合金点焊的主要焊钳供应商有加拿大Centerline等公司。铝点焊焊钳在焊钳结构、最大压力、电极帽尺寸上都与传统焊钳都有些差异。

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Centerline铝点焊钳在Tesla的应用

螺旋状电极铝合金点焊为GM专利技术,在凯迪拉克CT6等生产线有应用。这种电极头表面有特殊的环状纹路,可在铝材表面产生不同的应力区,破碎氧化膜以得到可控制的接触电阻。在铝点焊生产时,还需配备相应的四刀片修磨器修出螺纹,修磨频次为普通碳钢点焊的5倍,约4050/次。

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Delta Spot是在电极和工件之间增加一条全新电极带。每个点焊后,电极带自动移动到下一位置,这样使得电极表面总是清洁的,解决了铝点焊容易从母材上黏连材料的问题,保证每个焊点都有高质量的焊接工况;70M的焊带能焊出5000-10000个点,电极带使用完需要重新更换。

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2SPRSelf-piercing rivets

SPR属于冷连接技术,其独特的连接方式使其可以有效克服铝合金、镁合金、钛合金等轻金属材料导电、导热性好,热容小,易氧化,难以采用传统的连接方法进行焊接的缺点。

优点是:不仅适于同种材料之间的连接而且能够实现铝镁、铝钢、镁钢、铝合金/镁合金/高强度钢等金属材料和高分子材料/复合材料的同质和异质材料的双层和多层连接;铆接过程低能耗,无热效应,不会破坏涂层。

缺点是:不同材质、厚度及硬度的接头组合需要不同的铆钉、冲头及冲模,铆钉成本较贵; 设备系统成本远高于电阻点焊; 铆接点的平面凸起 2 3 mm,两层板连接后再与第三层板连接时进枪方向有限制;只能使用 C 型铆接枪;连接点处需要保留双侧的进枪空间(无法应用于封闭型腔)。

目前,SPR已广泛应用于奥迪、宝马、捷豹、沃尔沃、通用、福特和菲亚特克莱斯勒等公司铝合金合身的制造,接头疲劳强度可达电阻点焊的2 倍。

国内奇瑞捷豹路虎、凯迪拉克CT6车身普遍采用的连接工艺就是SPR

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SPR设备主要还是由国外厂家提供,例如:HenrobBollhoffEmhart,国内也有少数厂家例如深圳一浦莱斯Epress等可以提供相关设备及解决方案。

3、压力连接(Clinching

无铆压力连接时利用板件本身的冷变形能力,对板件进行压力加工,使板件产生局部变形而将板件连接在一起的机械连接技术。

Clinching SPR 工艺相比,优点是:它不需要额外的铆钉,在大规模生产制造中,压力连接的总成本要明显低于 SPR 连接;在连接形成过程中,板件的防锈镀层或漆层也随之一起塑性变形流动而无撕裂损伤,因此不会对零件表面造成破坏,也不会影响连接点处材料的抗腐蚀性及强度。

缺点是:目前其在车身结构上的应用领域基本局限于车门、发动机罩、行李仓盖、轮罩等强度要求相对较低的地方,并不如 SPR 广泛,主要原因在于其连接强度不如后者,而钢铝混合车身结构对连接点强度的要求就更高。

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Clinching设备目前主要还是由国外厂家提供,例如:TOXBTM等。

4、热熔自攻丝(FDS

FDS 工艺通过螺钉的高速旋转软化待连接板材,并在巨大的轴向压力作用下挤压并旋入待连接板材,最终在板材与螺钉之间形成螺纹连接,而中心孔处的母材则被挤出并在下层板的底部形成一个环状套管。

FDS工艺的优点有:因为螺钉不需要变形,因此可以用来连接包括超高强钢、铝镁合金、复合材料在内的异种材料; 单面进枪,可用于封闭型腔结构、壁厚大或封闭腔体,无法使用SPRClinching板件被加热,板件与螺钉接触好,连接强度大。

FDS工艺的缺点有:设备系统成本远高于电阻点焊,铆钉成本高(单价 0.15 欧元) ; 单面施力,连接时需要高强度刚性支撑; 操作时间长,约为 5 8 s; 工艺完成后材料正反面均有较大凸起,螺钉尺寸较长,如果大量使用会增加车身自重,同时过长的露出部分也会对车身的设计与制造产生影响; 因为下层要钻穿,接头的防腐能力会下降。

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FDS设备主要还是由国外厂家提供,例如:Weber/Stoger/Deparg等。

5、铝合金弧焊

铝合金的主要弧焊焊接特性及注意事项有:

低熔点,550~660

铝表面的高熔点氧化膜(熔点2040),使焊接难以进行,易形成未熔合和气孔;

铝的热膨胀系数是钢的两倍,因此焊接变形及焊接应力增加;

需要采用低热输入量焊接工艺,因为热输入会导致热影响区强度柔化,加大工件内应力和变形,增加裂纹的敏感度;

铝的热导性是钢的四倍,起弧需要大的电流,收弧采用小电流;

因为铝焊丝较软及热膨胀系数大,和焊丝接触的硬件需要特殊设置;

目前对于铝合金弧焊比较成熟的技术是Fronius CMTLincoln 先进工艺焊机的交流脉冲技术,在此不多做介绍,可以与焊接设备厂家进行详细交流。

6、激光钎焊

激光钎焊在钢制白车身上早已有广泛应用,例如顶盖、后尾门、侧围流水槽等部位。

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与常规熔化焊相比,激光钎焊具有极高的能量密度、精确控制的局部热输入和加热方位、焊接速度快等优势,早已应用于铝/钢异种金属的连接。

优点是:连接法兰小,节约材料;可实现钢和铝异种金属的连接;可精确调节和控制热输入,热影响区和变形小,可以焊接特殊结构;焊缝成形美观、质量稳定,焊后仅需简单处理甚至无需处理;

缺点是:激光聚焦光斑直径细小导致工件焊接装配精度要求高,通常装配间隙、错边量需小于 0.1mm或板厚的 10%,增大了具有复杂三维焊缝焊接结构的实施难度;由于室温条件下铝合金对激光的反射率高达 90%,因而铝合金激光深熔焊接要求激光器具有较高的功率。

7、粘接&粘铆复合连接

胶接在汽车工业中的应用已经有很长时间的历史,与其他连接方法相比,胶粘连接有其独特优势:粘接采用面接触而非点或线接触,与点焊及铆接相比,不易产生应力集中,连接强度和刚度以及疲劳强度也相对较高,而且连接范围广,能应用于各种轻金属、钢材以及不同材料的连接。

胶粘剂在车身上的应用,最初是以防腐和密封为目的,后来逐步发展到对连接的刚度和强度也提出较高的要求,新一代结构胶粘剂具有高强度高刚度,同时在冲击载荷作用的时候又具有足够的韧性和柔性的特点,能够满足车身结构的需求,扩大了胶粘连接的应用范围。

BMW i3碳素纤维跑车主要的连接工艺就是粘接(如下图所示)。

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但胶粘连接也有其固有缺点,由于其聚合物的本身特性,在相对较恶劣的环境下,粘胶剂的连接效果容易受温度和湿度的影响,对二者比较敏感;胶的凝固需要加热且耗时较长,凝固之前需要对板料进行固定以防板间相互滑动;胶接破坏形式是突然性开裂,失效时承受的载荷瞬间降为零,在车身结构中应用时存在着安全隐患,故而粘接一般是和铆接一起形成铆粘复合连接共同应用于车身结构。

捷豹 Jaguar XJ 全铝车身、BMW5BMW7车身中普遍使用了铆粘复合连接。尽管铆粘复合连接技术在实际车身结构制造中有了一定的应用,但从国内外的研究及应用的现状来看,其在车身上的全面运用还处于初级阶段,相关理论研究也还不成熟。例如,铆粘复合连接所获得的接头的强度和刚度性能、疲劳特性、吸能特性等并不是铆接和粘接的简单相加。

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结构胶由于黏度比较大,需要比较高的使用温度。为了避开铆接点需要点段式涂胶,所以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,所以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,比如CognexQuissCoherix等品牌。

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8、包边连接

车身覆盖于外形质量要求高、精度控制严,传统模压包边和包边专机(Table-Top)投入大、柔性差,机器人滚压工艺成为包边柔性化的必然趋势。国外成熟的汽车设备供应商已有很多具备了柔性化铝合金包边技术,例如德国Thyssen Krupp、日本Hirotec、德国Edag和英国DVA等公司。

铝合金板料在常温下的延展性能较差,很就难采用和钢件板料一样的冷加工工艺成形。铝合金板料在成形方面存在的一些不足,主要体现在以下几点:

1 铝合金板料的成形性能不及钢板的好,特别是在薄板方面。由于铝合金板料局部拉延性能不及钢板那么好,容易在成形过程中产生裂纹,尤其是形状较复杂的零件更容易产生,所以难以良好成形。

2)铝合金板料成形过程中的机械、力学性能波动较大。金属板料在轧制过程中基本上都存在性能指标的波动。这些波动将造成实际冲压结果与工艺设计预测有偏差,严重时,甚至会出现冲压质量问题。

3)在回弹方面,铝合金板料成形后的回弹比钢板成形后的回弹控制更难。由于铝合金板料的弹性模量只有钢板的1/3,所以成形过程中铝合金板料产生的回弹将远远大于钢板,进一步使得成形后零件的表面质量难以得到保证。

一般包边工艺都是可以分为两步,预包边和终包边。预包边可根据材料和翻边角度设置为2~3次,例如90°-60°-30°

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由于铝合金包边成形的特殊性,容易产生裂纹和断裂,所以在滚边中一般都采用小变形多道次滚压的方法,一般3 次或以上,这就使得铝合金滚边的效率大大的降低。

也有采用三轮两道次滚边,既可提升滚边效率,也可降低铝合金板件滚边后的波浪系数和伸缩量。

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影响滚边效果的工艺参数主要有TCP-RTP、翻边角度、滚边速度、滚轮直径、滚边压力等;另一类是板件冲压成型的参数,如翻边高度、板件曲率半径等。

机器人滚边成型过程非常复杂,在滚边过程中根据待滚边板件的材料性能、不同区域的成型特点、板件滚边后的质量检验标准、生产节拍等要求,确定不同的滚边工艺参数,需要进行深入系统的研究和试验。

以上是铝合金车身或钢铝混合车身常用的连接工艺,还有一些其他工艺不在此做介绍,例如螺柱焊、摩擦搅拌焊和金属键合连接等。

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连接工艺有时候也不是孤立存在的,有些工位可能同时用到铝合金点焊、SPRFDS,可以通过自动工具切换系统来切换,例如:ATI公司的产品可以实现铝点焊焊钳、SPR铆枪和FDS枪之间的切换,满足了工艺的柔性化。

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铝合金及钢铝混合车身的连接工艺方式主要还是取决于车身材料及结构设计。真正意义上的轻量化必须以保证车辆的安全性为最基本的前提,面对世界各国日益严格的碰撞法规,钢铝混合车身结构轻量化设计面临的一个重要挑战就是如何满足车辆的碰撞法规,保证乘客的安全性。

五、钢铝混合车身开发流程

钢铝混合车身结构的开发仍然面临着异种材料的连接技术、材料匹配与结构优化、高强度钢和铝合金的先进成形工艺技术、电化学腐蚀及热变形不协调等突出问题,这些关键核心技术的突破是钢铝混合车身结构能够成功开发的保证。

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六、面向制造的钢铝混合车身连接工艺

国内钢铝混合车身的设计开发、材料成型工艺、制造工艺、连接设备等并不是很成熟。面向车身制造,有以下几点建议:

逐步提升铝合金材料在车身中的应用比例,例如从四门两盖等独立的总成,再到侧围外板、侧围等其他总成,逐步积累经验和降低风险;

连接工艺的种类尽量少,并尽量采用应用广泛的连接工艺,如电阻点焊、SPR、弧焊、Clinching等工艺,以减少投资及增加混线的可能性;

需要合理的车身设计及比钢制车身更细致的SE分析;

样车试制的必要性;

希望国内高校、科研机构、汽车厂、集成商、设备供应商能加强沟通和相互支持。相信随着汽车行业学者和从业者的共同努力,轻量化车身技术很快会被掌握,就如目前汽车智能装备行业已基本打破外资装备企业的垄断一样!


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