前言

近（jìn）年來，能源和環境（jìng）問（wèn）題越來越成為人們關注的焦點（diǎn）。據統計，截止2019年全球汽車保（bǎo）有量達到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（yán）重。整車質量越（yuè）大能耗（hào）就越多，因此與傳統汽車相（xiàng）比，純電動汽車（chē）對於輕量化的要求更為迫切。目前從事電動汽車生（shēng）產的國外廠（chǎng）家包（bāo）括特斯拉、豐田、寶馬、奧（ào）迪、雷克薩斯等；國內的有比亞迪、蔚來、長城（chéng）等，電動汽車輕量化衝壓連接技術是這些（xiē）企（qǐ）業必須考慮、也是提高企（qǐ）業核心競爭力的重要課題。

目前電動汽車輕量化的實現主要有三種途徑（jìng）：（1）優化車身結構設（shè）計。（2）使（shǐ）用（yòng）輕量化材料（liào）。（3）采用新型連接工藝技術。前者在（zài）傳統車型的（de）演變過程中經過不斷研究開發，日（rì）趨完善，提升空間已相對狹窄。再者，實（shí）現車身輕量化的最（zuì）簡單最直接的方式就是（shì）使用輕量化材料，比如鋁合（hé）金、高強度鋼等，但是研發一種（zhǒng）新型輕量化材料試驗周期相對（duì）較長，因此本文著重（chóng）對第三個途徑進行（háng）論述。

1、輕量化連接技術現狀（zhuàng）

在（zài）目前純電動汽車市（shì）場上（shàng），實現輕量化（huà）的主要手段是采用輕質材料（liào）代替傳統的鋼製材料，比如鋁合金（jīn）、鎂合金、碳纖維、高強度塑料等（děng）等。對於鎂（měi）鋁合金相同材料的（de）連接而言，因為鋁合金熱容小、導熱和導電（diàn）率高，其表麵易與銅元（yuán）素發（fā）生化學反應，所以（yǐ）采用傳統電阻點焊工藝連接時，會（huì）造成焊接不到位、電極壽命短、接頭質量不穩定。由此可見，傳統的連接（jiē）工藝（yì）已經無法滿足目（mù）前（qián）日益增長的輕量（liàng）化需要了，因此，本文（wén）根據一些行業領先的純電動汽車廠家生產過程中的實際案例（lì）逐一介紹新型連接工（gōng）藝（yì）。

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

2、純電動汽車鋁合金輕量化連接技術

2.1 焊接工藝

2.1.1 Deltspot電極帶式電阻點焊

Delta Spot點焊，其原（yuán）理是在焊接（jiē）時，將電極帶放（fàng）置在工件與電極（jí）之（zhī）間，電極壓住電極（jí）帶與工件接觸，電極帶在當一（yī）個焊點完成時會自動轉到下一個焊點處並重複上述焊接過程（如（rú）圖1所示）。其優點在於：電極和鋁材料不直接接觸，電極頭無需打磨，延長了電極壽命，提高了焊接效率（lǜ）並且保證了焊接質量；同時電極帶會將焊接產生的氧化物清（qīng）理幹（gàn）淨（jìng），避免焊接材料（liào）飛濺及由此造成的部件損壞。目前該焊接工藝已被成功（gōng）應用（yòng）於（yú）保時捷、特斯拉某車型的製造，在特斯拉某車型車門生產線中，一條電極帶（dài）的（de）使（shǐ）用壽命達到4500個焊次，每個車門有20個焊點，焊接一個該車型車門所需時間100s，一個Delta Spot帶機每天能（néng）夠焊接650多個車門，若（ruò）適（shì）當調整還能實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焊工藝采用的是可熔化的焊絲與焊件之（zhī）間的電弧作為熱源來（lái）將母材（cái）金屬熔化，並在焊接過程中輸送保護氣（qì）體，一般采用氬氣或者富氬氣體保護焊接（jiē）熔池，使焊絲、母（mǔ）材金（jīn）屬免收周圍空氣的有害作用（yòng）。相比而言，常見的二氧化碳保護焊具有強烈的（de）氧（yǎng）化性，而MIG在保（bǎo）護氣體下氧化性極（jí）低甚至能達到零氧化，這就將其優點——不但可（kě）以焊接（jiē）碳鋼、高（gāo）合金鋼，而且還可以焊接許多活潑金屬及其合金，凸顯出來（lái）。寶馬某車型就采用了大量MIG焊工藝生產的全鋁副車架。

2.1.3冷金屬（shǔ）過渡技術（CMT）

薄板焊接的極限——冷金屬過渡技術，指的是在數字控製（zhì）方式下，使焊絲的輸送過程呈間斷送絲。該係統能夠根據焊接電弧的（de）生成時間變化（huà）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/鋼等異種（zhǒng）材料的焊（hàn）接，由於冷金屬過渡技術焊接質量高、焊縫（féng）美觀，已被國內外（wài）眾多電動車廠家采用，尤其是在（zài）車罩、車門、天窗等對（duì）外觀要求高的部位。特斯拉（lā）Model S的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

激光焊接，就是利用高能量密度的激光束作為（wéi）熱源，在極短的時間使被焊處形（xíng）成一個高溫熱熔區，使材料蒸發並形成熔融金屬小孔，激光（guāng）移開後會留下空（kōng）隙並於冷凝（níng）後形成焊縫。激光焊接相較於電阻點焊而（ér）言，能量更集中、熔化的材料少、需要的總熱量小（xiǎo），因此焊接變形小，焊接速度更快。

激光焊接技術主要（yào）應用於汽車拚焊板焊接、動力電池焊接、齒輪焊接、安全氣囊內膽焊接、保險杠焊接等（děng）方麵。例如，比亞迪某車型白車（chē）身（shēn）的焊接及蔚來某車型（xíng）車門內板和前後縱梁就采用了激光焊接技術。除了上述應用之外，大眾、寶馬、豐田等各大汽車生廠商相繼在車身中采用了激光拚焊板技術，包括汽車安全氣囊內膽、汽車車門和前後縱梁、汽車保險杠、動力電池、變速箱（xiāng）齒輪等也都能作為一種先進（jìn）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），是指利用高速旋轉的焊具與工件摩擦產（chǎn）生（shēng）的熱（rè）量使被焊材料（liào）局部塑性化（huà），當焊具沿著焊接路徑向前移動時，形成致密的固相焊縫。根據（jù）焊接種類的不同，可分為攪拌摩擦縫焊（hàn）和攪拌摩擦（cā）點焊（FSSW）。長城（chéng）某車（chē）型純電動汽車就成功采用了（le）攪拌摩擦（cā）點焊（hàn）（FSSW）技術（shù），該技術主要運用於鋁合金、鎂合計等輕（qīng）金屬結構領域，除了具有常規摩擦焊的技術優點（diǎn）外，其接頭熱影響區殘（cán）餘應（yīng）力較低、焊接板件不易變形；並且（qiě）在焊接（jiē）過程（chéng）中無需添加焊絲，焊鋁（lǚ）合（hé）金時無需提前除去合金表麵（miàn）的氧化膜，無需保護氣體，成（chéng）本低。但是在（zài）焊接（jiē）結束將探頭提出板件時，焊縫端頭會形成一個工藝凹孔，該孔（kǒng）會大大降低接頭承（chéng）載麵積，從而削弱其力學性能，雖（suī）然能（néng）夠通過金屬回（huí）填對焊縫進行修（xiū）補，但是修補過程需要複雜的控製係統和較（jiào）長的工藝時間。

2.2 機械連接工藝（yì）

2.2.1自衝鉚（mǎo）連接（SPR）

SPR工藝是通過液壓缸或伺服電機提（tí）供動力將鉚（mǎo）釘穿透（tòu）上部板材並與底部板材形（xíng）成（chéng）可（kě）靠互鎖結構形成（chéng）穩定連接的技術。它的整個工藝（yì）過程包括夾緊、衝（chōng）裁、擴張、成型四個階（jiē）段。

SPR自衝鉚連（lián）接可實現鋼、鋁（lǚ）及鎂鋁合金等材料的連接，克服了傳（chuán）統鉚接工藝外觀差、效率（lǜ）低、工藝複雜等缺點，並且能耗低（dī）無汙染，更重要的（de）一點是該（gāi）工藝無需在板（bǎn）材上加工預置孔，縮短了鉚接時間，提高了生產效率。目前SPR已成功運用於（yú）蔚來（lái）、寶馬、奧迪、凱迪拉克等電動汽車的（de）全（quán）鋁（lǚ）車身及鋁、鋼（gāng）混合車身連接中，僅寶（bǎo）馬某車型整車製造過程中，就采用了30種鉚釘，共2453個鉚點，可與300多種板件匹配。

2.2.2螺栓連接

螺栓連接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，其結（jié）構設（shè）計（jì）、拆裝和連接更（gèng）加方便、可靠。螺栓連接（jiē）作為最常用的緊固件可大致分為兩類：（一）根（gēn）據受力形式可分為抗（kàng）拉螺栓連接和抗剪螺栓連接。抗拉螺（luó）栓連接適用於傳遞軸向載荷，但對孔（kǒng）的加工精度要求較高；抗剪連接則適用於傳遞垂直於螺栓軸線的載荷（hé），靠螺栓杆剪（jiǎn）切和擠壓傳動。（二）按安裝（zhuāng）狀（zhuàng）態可分為有預緊力和（hé）無預緊力螺栓連接。無預緊力連接常（cháng）應用於起重吊鉤、懸掛（guà）螺栓等，這（zhè）是由於其在安（ān）裝時螺母無需擰緊，螺栓隻有在承受載（zǎi）荷時（shí）才受力；而有預緊力螺栓連接相對而言（yán）應用較為廣泛，例（lì）如汽車輪轂。雷克薩斯某車（chē）型後防撞梁與車身縱梁就采用了螺栓連接。

2.2.3無鉚（mǎo）釘鉚接（TOX）

無鉚釘鉚接工藝是由德（dé）國的TOX公司於20世（shì）紀80年代末提出的（de）發明專利，相對於傳（chuán）統的汽車行業連接技術，其獨特的（de）優勢——低能耗（hào）、無排放、疲勞強度高被很多電動汽車生產（chǎn）廠商廣泛應用。粗到如汽車（chē）車身（shēn）、表麵覆蓋件以及整車零部件的連接，細到奧迪的（de）車燈導板、寶馬的車頂窗等（děng）都有它的影子。

 

圖2 無鉚釘（dìng）鉚接工藝流程（chéng）

如圖2所示，TOX的工作原理是在無鉚釘鉚接機的強高壓作用下，使兩板件發生塑性變形，從而使其在擠壓處（chù）鑲嵌互鎖，達到將板件點連接起（qǐ）來的目的。TOX工藝常見的有兩種形（xíng）式：直（zhí）壁整體下模和分體下模（如圖3）。直壁整體下模，就是（shì）將模具設計成一個結（jié）構簡單的整體件；而分體下模就是使金屬材料與衝頭接觸時在金屬作（zuò）用下產生側滑，使其能（néng）充（chōng）分形成塑性鑲嵌，進而形成強度較高的連接。例如上汽通用和上汽大（dà）眾的某車型的發動機罩和（hé）後備箱蓋就充分采用了TOX工藝（yì）。

 

圖（tú）3 TOX的兩種接頭形式

2.2.4熱熔自攻（gōng）絲鉚接（FDS）

熱熔自攻絲鉚（mǎo）接（FDS）是（shì）借助高（gāo）速旋轉的（de）螺釘產生的巨大軸向（xiàng）力使待連接板件軟化，從而旋入待連接（jiē）母材，最終在板材與螺釘之間形成結合螺紋，並憑借（jiè）螺紋將自攻絲擰緊來實現鉚接的一種連接工藝。

其工藝過程可分為四個階段：衝孔、螺紋成形、攻絲、擰（nǐng）緊。FDS工藝屬於單向連接，其優點主（zhǔ）要（yào）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（chāo）高強度鋼等基本所有車身材料連接板件。但是其缺點也顯而易見，由於攻絲需要擰穿材料，穿孔出的（de）材料放腐蝕能力會下降；其次對夾具的剛度要求也較高；再者螺釘的（de）成本較高，質量大，若大麵積使用會增加車身自重。FDS工藝一般用於車身板材、型材與梁類件以及鑄鎂鋁（lǚ）件（jiàn）之間（jiān）的連接。奧迪某新型車型上就采用了700多處熱熔自攻絲鉚接。

2.3 粘結技術

2.3.1結構（gòu）膠粘接工藝

粘結技術（shù）是通過膠粘劑與被連接件之間的物理化學反應將被粘物連接成整體的工藝過程。在目前電動車製造中，其良好的物理性能（néng），比如抗應力集中、密封性、減震性能使其在眾多連接工藝中別具一格。在連接處使用結構膠可以避免不同金屬複合材（cái）料（liào）的（de）直接接觸，能夠減輕作用下的電化學腐（fǔ）蝕反應。但是膠的抗（kàng）疲勞強度和耐熱性是限製其大量應（yīng）用的工藝難題，所以在一些豪（háo）華品牌轎車（chē）製造中，將結構膠粘結工藝和自衝鉚連（lián）接（SPR）混合形成的複合連接工（gōng）藝應用較（jiào）為廣（guǎng）泛。例如捷豹某車型用膠量長達150m，通過上述（shù）複合連接工藝成功使（shǐ）車身連接強度增大（dà）到（dào）純鉚（mǎo）接工藝的2倍左右

3、前景與展望

隨著新能源（yuán）汽車的不斷發展，對未來純電（diàn）動汽車的輕量化的要求也會越來越高（gāo）。通過對目前國內外電動汽車市場上輕（qīng）量化衝壓連接工藝的現狀進行（háng）分析，如何提高自（zì）身的工藝技術，乃至開發一種全新的連接工藝是所有（yǒu）汽車製造商提高核心競爭力的目標。隻有加快鋁合金等材料輕量化衝（chōng）壓連接技術的開發，才能突破工藝瓶頸，為純電動汽車的輕量化設計提供更多的有益借鑒。

來源：期刊-《汽車實用技術》；作者：趙傳軍，李煒

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