摘 要：汽車輕量化，是指從汽車整體的安全性能和車身結構強（qiáng）度出發，盡可能減輕汽車車身重量，從而達到提高整車性能、增加（jiā）續航裏程的（de）目的。作為新能源汽車未來的（de）發（fā）展方向，純電動（dòng）汽車在生產製造中的輕量化研究迫在眉睫。文章主要闡（chǎn）述了（le）以鋁合金為代表的輕量化材料（liào）在純電（diàn）動汽車上的應用，並介紹了幾種新型連接技術的特點，以對國內純電動汽車輕量化研究提供有（yǒu）益借鑒。

關鍵詞（cí）：純電動汽車；輕量化材料（liào）；連接技術（shù）

前言

近年來，能源和環（huán）境問題越來（lái）越成為人們（men）關注（zhù）的焦點。據統計，截止（zhǐ）2019年全球汽車保有量達到（dào）8億，而作為第二大汙染源的汽車尾氣對環境的影響也越來越嚴重。整車質量越大能耗就（jiù）越多，因此與傳統汽車相比，純電（diàn）動汽車對於輕量化的要求更為迫切。目前從事電動汽車生產的國外廠家包括特斯拉、豐田、寶馬、奧迪、雷（léi）克薩斯等；國內的有比亞迪、蔚（wèi）來、長城等，電動汽（qì）車輕量化衝壓技術是這些企業必（bì）須（xū）考慮、也是提高企業核心競爭力的重要課題。目前電動（dòng）汽車輕量化的實現主要有（yǒu）三種途徑：（1）優化車身結構設計。（2）使用輕量化材料。（3）采用新型連接工藝技術。前者在傳（chuán）統車型的演變過程中經（jīng）過不斷研究開發，日趨完善，提升空間已相（xiàng）對狹窄。再者，實現車身輕量化的最簡單最直接的方（fāng）式就是（shì）使用輕量化材料，比如鋁合（hé）金、高強度鋼等，但是研（yán）發一種新型輕量化材料試驗周期相對較長，因此本文著重對第三（sān）個途（tú）徑進行論述。

1、輕量（liàng）化連接技術現（xiàn）狀

在目前純電動汽車市場（chǎng）上，實現輕量化的主要手段是采用輕質材料代（dài）替傳統的鋼製（zhì）材料，比（bǐ）如鋁合金、鎂合金、碳纖維、高強度塑料等等。對於鎂鋁合金相同材料的連接而言，因為鋁合金熱容小、導熱和導電率高，其表麵易與銅元素（sù）發生化學反應，所以采用傳統電阻點焊（hàn）工藝連接（jiē）時（shí），會造成焊接不到位、電極壽命短、接頭質量不穩定。由此可見，傳（chuán）統的連接工藝已經無法滿足目前日益增長的輕量化需要了，因此，本文根（gēn）據一些行業領先的純電動汽（qì）車廠（chǎng）家生產過程中的實際案例逐一介紹新型連（lián）接工藝。

目前電動（dòng）汽車市場上比較（jiào）常用的連接技術可分為：（1）焊接工藝。（2）機械連接（jiē）工藝。（3）粘接技術。焊接一般（bān）屬於熱連接工藝，常見（jiàn）的包括（kuò）：Deltspot電極帶式電阻點焊、熔化極惰性氣體保護焊（hàn）（MIG）、冷金屬過渡技術（CMT）、激光焊接技術、攪拌摩擦焊（FSW）5種；機械連接屬於（yú）冷連接工藝，常見的包括：自衝鉚連接（SPR）、螺栓連接、無鉚釘鉚接（TOX）、熱熔自攻絲（sī）鉚接（FDS）4種；對於粘接而言，主要以結構膠粘接（jiē）技術為主，純粘接工藝應用相對較少。

2、純（chún）電動汽車鋁合金輕量化連接技術（shù）

2.1 焊接工（gōng）藝

2.1.1 Deltspot電極帶式電阻點焊

Delta Spot點焊，其原理（lǐ）是在焊接時，將電極帶放置在工件與電極之間，電（diàn）極壓住電極帶與工件接觸，電極（jí）帶在（zài）當一個焊點完（wán）成時會自動轉到下一個焊點處並重複（fù）上述焊接（jiē）過程（如（rú）圖1所示）。其優點（diǎn）在於：電極和鋁材料不直（zhí）接接觸，電極頭無需（xū）打磨，延長了電（diàn）極壽（shòu）命，提高了焊接效率並且保證了焊接質量；同時電極帶會將（jiāng）焊接產生的氧化物清理幹（gàn）淨，避免焊接材料飛濺及由此造成的部件損壞。目前該（gāi）焊接工藝已被成功應用於保時捷、特斯拉某車型的製造，在特斯拉某（mǒu）車型車門生（shēng）產線中，一條電（diàn）極帶的使用壽命達到4500個焊次，每個車門有20個焊（hàn）點，焊接一個該車型車（chē）門所需時間100s，一個Delta Spot帶機每天能夠焊接650多個車（chē）門，若適當調整還能實（shí）現不同類型車門的焊接工藝。

 

圖1 Delta Spot 電阻點焊工藝

2.1.2熔化極惰性氣體保護焊（MIG）

MIG焊（hàn）工藝采（cǎi）用的是可（kě）熔化的焊絲與焊件之間（jiān）的電弧作（zuò）為熱源來將母材金（jīn）屬熔化，並在焊接過程中輸送保護氣體，一般采用氬氣或者富氬氣體保護焊接熔池，使焊絲、母材金屬免收周圍空氣的有害作用。相比而言，常見的二氧化（huà）碳保護（hù）焊具有強烈的氧化性，而MIG在保護氣體下氧化性極低甚至能達到零氧化，這就將其優點——不但可以（yǐ）焊接碳鋼、高合金鋼，而且還可以焊接（jiē）許多活潑金屬及（jí）其合金，凸顯出來。寶馬某車型就采用了大量（liàng）MIG焊工藝（yì）生產的全鋁副車架。

2.1.3冷金屬過渡（dù）技術（CMT）

薄板焊接的極限——冷金屬（shǔ）過渡技術，指的是在數字控製方式下，使焊絲的輸送過程呈間斷（duàn）送（sòng）絲。該係（xì）統能夠根據焊接電弧的生（shēng）成時間變化來調整焊接電流，CTM不僅能完成鋁合金、鎂合金等輕質材料的連接工藝，而且能實現鋁/鋼（gāng）等（děng）異種材料（liào）的焊接，由於冷金屬過渡技術焊接質量高（gāo）、焊縫（féng）美觀，已被國內外眾多電動車廠家采用，尤其是在車罩、車門（mén）、天（tiān）窗等對外觀要求高（gāo）的部位。特斯拉Model S的（de）全鋁車身製造就大量使用了CMT焊接工藝。

2.1.4激光焊接技術

激光焊（hàn）接，就是（shì）利用高能量密度的（de）激光束作為（wéi）熱源，在極短（duǎn）的時間使被焊處形成（chéng）一個（gè）高（gāo）溫熱熔區（qū），使材料蒸（zhēng）發並形成熔融金屬小孔，激光移開後會留下空隙並於冷凝後形成焊縫。激光焊接相（xiàng）較於電阻點焊而言，能量更集中、熔（róng）化的材料（liào）少、需要的總熱量小，因此焊接變形小，焊接（jiē）速度更快。

激光焊接（jiē）技術主（zhǔ）要應（yīng）用於汽車拚焊板焊接、動力（lì）電池焊接、齒輪焊（hàn）接、安全氣囊內膽焊接、保險杠焊接等方麵。例如，比亞迪某車型白車身的焊接及蔚來某車型車門內板和前後縱梁就采用了激光焊接技術（shù）。除了上述應用（yòng）之外，大眾、寶馬、豐田等（děng）各大汽車生廠商（shāng）相繼在車身中采用了激光（guāng）拚焊板技術（shù），包括汽車安全氣（qì）囊內膽、汽（qì）車車門和前後縱梁、汽車保險杠、動力電池、變（biàn）速箱齒輪等也都能作為一種先進加工技術解決方案。

2.1.5攪拌摩擦焊（FSW）

攪拌摩擦焊（簡稱FSW），是指（zhǐ）利用高速（sù）旋轉的焊具與工件摩擦產生的熱（rè）量使被焊材料局部塑性化，當（dāng）焊具沿著焊接路徑向前移動時（shí），形成致密的固（gù）相焊縫。根據焊接種類的不同，可分為攪拌摩擦縫焊和攪拌摩擦（cā）點焊（hàn）（FSSW）。長（zhǎng）城某車型純電動汽（qì）車（chē）就成功采用了攪拌摩擦點焊（hàn）（FSSW）技術，該技術主要運用於鋁合金、鎂合計（jì）等輕金屬結構（gòu）領域，除（chú）了具有常規（guī）摩擦焊的（de）技術優點外，其接頭熱影響區殘餘（yú）應力較低（dī）、焊接板件不易（yì）變形（xíng）；並且在焊接過程中（zhōng）無需添加焊絲，焊鋁合（hé）金時無（wú）需提前除去合（hé）金表麵的氧化膜，無需（xū）保護（hù）氣體，成本低。但是在焊接結束將探頭提出板件時，焊縫（féng）端頭會形成一個工藝（yì）凹孔，該孔會大大降低接頭承載（zǎi）麵積（jī），從而（ér）削弱其力（lì）學性能，雖然能夠通（tōng）過金屬回填對焊縫（féng）進行修補，但是修補過程需要（yào）複雜的控製係統和較長的（de）工藝時（shí）間。

2.2 機械連接工藝

2.2.1自衝鉚連接（SPR）

SPR工藝是（shì）通過液壓缸或伺服電機提供（gòng）動力（lì）將鉚釘穿透（tòu）上部板材並與底部板材形（xíng）成可靠互鎖結構（gòu）形成穩定連接的技術。它的整個工藝過程包括夾緊、衝裁（cái）、擴（kuò）張、成（chéng）型（xíng）四個階段（duàn）。

SPR自衝鉚連接可實現鋼、鋁及鎂（měi）鋁合金等材料的連接，克服了傳統鉚接工藝外觀差、效率低、工藝複雜等缺（quē）點，並且能（néng）耗（hào）低無汙染，更重要的一點（diǎn）是該工藝無需在（zài）板（bǎn）材上加工預置孔，縮短了鉚接時間，提高了生產效率（lǜ）。目前SPR已成功運用於蔚來、寶馬、奧迪（dí）、凱迪拉克等電動汽車的全鋁車身及鋁、鋼混（hún）合車身連接中，僅寶馬某（mǒu）車型整車製（zhì）造過程中，就采用了30種鉚釘，共2453個鉚點，可與（yǔ）300多種板（bǎn）件匹配。

2.2.2螺栓連接

螺栓連接（jiē）是一種廣泛使用的可拆卸的鋁合金連接方式，相較於SPR鉚接工藝，其（qí）結構設計、拆裝和連接更加方便、可靠。螺栓連接作為最常用的緊固件（jiàn）可大（dà）致分為兩類：（一）根據受力形式可分（fèn）為抗拉螺栓連接和抗剪螺栓連接。抗拉（lā）螺栓連接適用於傳遞（dì）軸向載荷，但對孔的加工精度要求較高；抗（kàng）剪（jiǎn）連接則（zé）適用於（yú）傳遞垂直於螺栓軸線的載荷，靠螺栓杆剪切和擠壓傳動。（二）按安裝狀態可分為有（yǒu）預緊力和無預（yù）緊力螺栓連接。無預緊力連接常應用於起重吊鉤、懸掛（guà）螺栓（shuān）等，這是由於其（qí）在安裝時螺母無需擰緊，螺栓隻有在承受載荷時才受力；而（ér）有預緊力螺栓連接相對（duì）而言應用（yòng）較為廣泛，例如汽車輪轂。雷克薩斯某車型（xíng）後防撞（zhuàng）梁（liáng）與車身縱梁就采（cǎi）用了螺栓連（lián）接。

2.2.3無（wú）鉚釘鉚接（TOX）

無鉚釘鉚接（jiē）工藝是由德國的TOX公司於20世紀80年（nián）代末（mò）提出的發明專利，相對於傳統（tǒng）的汽車行業連接技術，其獨特的優勢——低能耗、無排放、疲勞強（qiáng）度高被很多電（diàn）動汽車生產廠（chǎng）商（shāng）廣泛應用。粗到如汽車車身、表麵覆蓋件（jiàn）以（yǐ）及整車零部件的連接，細到奧迪（dí）的車燈（dēng）導板、寶馬的車頂窗等都有它的影子。

 

圖2 無（wú）鉚釘（dìng）鉚（mǎo）接工藝流程（chéng）

如圖2所示，TOX的工作原理是在無鉚釘（dìng）鉚接（jiē）機的強高壓作（zuò）用下，使兩板件發生塑性變形，從而使其在擠壓處鑲嵌互鎖，達（dá）到將板件點連（lián）接起來的目的。TOX工藝常見的有兩種（zhǒng）形式：直壁整體（tǐ）下模和分體下模（如圖3）。直壁整體下模（mó），就是將模具設計成一個結構簡單的整體件；而分體下模就是使（shǐ）金屬材料與衝頭接（jiē）觸時在（zài）金屬作用下產生側滑，使其能充分形成塑性鑲嵌（qiàn），進而形成強度較高的連接。例如上汽通用和上汽大（dà）眾的某車型的（de）發動機罩和後備箱蓋（gài）就充分采（cǎi）用了（le）TOX工藝。

 

圖3 TOX的（de）兩種接頭形式

2.2.4熱熔自攻絲鉚接（FDS）

熱熔（róng）自攻絲鉚接（FDS）是借助高速旋轉的螺釘產生的（de）巨大軸向力（lì）使（shǐ）待連接板件軟化（huà），從而旋入待連接母材，最終在板材與螺釘之（zhī）間形成（chéng）結合螺紋，並憑借螺紋將自攻絲擰緊（jǐn）來實現鉚接（jiē）的一種（zhǒng）連接工藝。

其工藝過程可分為四（sì）個階段：衝孔、螺紋成形、攻絲、擰緊。FDS工藝屬於單向連（lián）接，其優點主要有①無需提前鑽孔，連接簡便，易拆卸。②變形空間小，因此可以用來連接鋁鎂合金、超高（gāo）強度（dù）鋼等基本所有車（chē）身材料連（lián）接板件（jiàn）。但是其缺（quē）點也（yě）顯而易見，由於攻絲需要擰穿材料，穿孔出的材（cái）料放腐蝕能力會下降；其次對夾（jiá）具的剛度要求也較高；再（zài）者螺釘（dìng）的成本較（jiào）高，質量大，若大麵積使用會（huì）增加車身自重。FDS工藝一般用於車身板材、型材與梁類件以及鑄鎂鋁件之間的連接。奧（ào）迪某新型車（chē）型上就采用了700多處熱（rè）熔（róng）自攻絲鉚接。

2.3 粘結技術

2.3.1結（jié）構膠粘接工藝

粘結技術是通過膠粘劑與被連接件之間（jiān）的物理（lǐ）化學反（fǎn）應將被粘物連接成整體的工藝過程。在目前電動車製造中，其良好的物（wù）理性能，比如抗應力集中、密封性、減震性能使（shǐ）其在眾多連接工藝中別具一格。在（zài）連接處使用結構膠可以避免不（bú）同金屬複合材料的直接接觸（chù），能夠減輕（qīng）作用下（xià）的電化（huà）學腐蝕反應。但（dàn）是膠（jiāo）的抗疲勞強度和（hé）耐熱（rè）性是限製（zhì）其大量應用的工藝難題，所以（yǐ）在一些豪華品牌轎車製造中，將結構膠粘結工藝和自衝鉚連接（SPR）混合形成的複合連接（jiē）工藝應用較為廣泛。例如捷豹某車型用膠量長達150m，通過上述複合連接工藝成功使車身（shēn）連接強度增大到純鉚接工藝的2倍左右（yòu）

3、前景與展望

隨著新能源汽車的不斷發展（zhǎn），對未來（lái）純電動汽車（chē）的輕量化（huà）的要求也會越來越高（gāo）。通過對目前國內外（wài）電動汽車（chē）市場上（shàng）輕量化衝壓工藝的現狀進行分（fèn）析，如何提高自身的工藝技術，乃至（zhì）開發一（yī）種（zhǒng）全新的連接工藝是所有（yǒu）汽車（chē）製造商提（tí）高核心（xīn）競爭力的目（mù）標。隻有（yǒu）加快（kuài）鋁合金等材料輕量（liàng）化連接技術的開發，才（cái）能突破工藝瓶頸，為純電動汽車的輕量化設（shè）計提供更多的有益借鑒。

來源：期（qī）刊（kān）-《汽車實用技術》；作者：趙傳軍，李煒

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