汽车车身轻量化材料连接技术研究.pdf

总第2 11期2023年第8 期行业纵横李传奇，鲁昌国，王漫潼，王硕，周洋，李勇杰，李蕴杰（营口理工学院，辽宁营口1150 0 1）摘要：随着车身轻量化材料的发展，多材料连接技术作为汽车制造行业的关键技术，需要从连接的新工艺、新材料、新方法等方向开展研究。通过介绍车身轻量化材料常见的连接技术，并针对复合材料的特殊性、车身结构的不同，选择合适的连接方式，为多材料车身连接技术的研究提供一定的参考。关键词：车身；轻量化材料；连接技术中图分类号：U4660引言在全球气候变暖、环境污染日趋严峻的环境下,为了满足车辆的使用性能、安全性能、降低造价成本，必须采用新的设计、新的材料、新的技术、新的结构、新的工艺来达到车辆向“低能耗”“低排放”的目的 1。随着新能源汽车制造技术的快速发展，尤其针对多材料混合车身，需采用多种连接技术实现稳定可靠连接。根据连接原理的不同，车身连接技术可以分为机械连接、热连接、固相连接和胶粘结等。在这些连接方式中，机械连接和热连接是车身主要的连接方式；根据其受力特点 ,可将其分为三种类型：点式连接、线式连接和面式连接；根据被连接结构的材料属性可分为：同种金属材料间连接、异种金属材料间连接、非金属材料间连接以及非金属与金属材料间连接 3-5。目前，白车身的材料主要是传统的钢制材料、铝合金以及复合材料，所以可以将连接技术集中在钢钢、钢铝、铝铝、钢/铝复合材料、复合材料-复合材料等几个领域的材料组合上。当前，主要的轻质材料包括复合材料、铝镁合金、高强钢、陶瓷、工程塑料等。采用多种材质的组合不仅可以降低零件的重量，还可以增加零件可供选择的空间。因不同材质之间的晶体结构和物理性质的差别较大，导致传统的连接技术难以实现轻质材料的稳定性和可靠性，对汽车零部件间的连接带来了新的挑战，因此多材料连接技术作为汽车制造的关键技术，需要从连接新工艺、新材料的使用、新方法的研究等方向开展研究。总之,根据车身材料的不同及结构特点来选择合适的连接方式，从而实现整车质量的稳定可靠是车身连接技术的选择依据。1焊接焊接又称为熔接（接）,是通过加热、高温或高压将金属或其他热塑性物质（例如塑料)连接在一起收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 1基金项目：2 0 2 1年营口理工学院一般科研基金项目“汽车车身量化材料及连接工艺研究”编号（YBL202120）第一作者简介：李传奇（19 8 9 一），男，辽宁营口人，硕士研究生，毕业于辽宁工业大学，实验师,研究方向为CAE/CAM。通信作者：鲁昌国（19 6 9 一）,男，湖北荆州人，本科，毕业于中国矿业大学，教授，研究方向为机械制造。山西冶金ShanxiMetallurgy汽车车身轻量化材料连接技术研究文献标识码：A的一种生产工艺和技术，图1为车身焊接示意图。焊接方法有三种，即熔化焊、压力焊和钎焊。在汽车车身焊接工艺中，采用最多的方法就是熔化焊和压力焊，主要用于实现同质材料间的连接。图1车身焊接工艺示意图1.1熔化焊熔化焊是将被焊接的基材金属熔化，从而构成焊缝的一种焊接方式，常用的熔化焊为电弧焊和激光焊。因为被焊工件受温度场、重力等影响，且在没有施加任何压力的情况下，两个工件之间的融液会产生一种混合的现象。当温度下降到一定程度后，融化的金属就会凝固,将两个工件牢牢的连接在一起，从而达到一种焊接的目的。1.2电弧焊电弧焊是以电弧作为加热电源，通过空气放电将能量转换为热能、机械能，进而实现金属之间的连接,其工作原理是通过电弧放电产生的高温使电极和被测物体相互熔化，经冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头。电弧焊是应用最广泛的一种熔化焊接方式，有电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等多种焊接方式，其中，熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）和钨极氩弧焊（T I G 焊）在轻量化材料焊接技术的应用最为广泛，MIG焊具有生产效率高、能耗低、自动化程度高等优势，TIG焊则具有焊接稳定性好、热输人小、表面成形质量高等优势。Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.034文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 8 8-0 32023年第8 期TIG焊接是采用纯钨或活性钨作为一个电极，将待焊接的零件作为另外一个电极，通过对两个电极间的电弧、熔池和母材的热影响区进行惰性气体的保护来达到材料的连接方法。Ar、H e 或Ar与He的混合物)是通常使用的惰性保护气体。TIG焊因能隔绝空气对熔化金属的不利影响而被广泛应用于易被氧化的铝、镁等有色金属的焊接。TIG焊是一种常用的焊接方法，但其焊接质量不高，在工业上多为MIG焊或零金属过渡工艺。CMT(冷金属过渡技术)是基于熔滴短路过渡而发展起来的一种新工艺,也是一种电弧焊。CMT是解决MIG/MAG焊无法解决的问题，如薄板、钢铝混合焊等。CMT工艺以热输入低、焊接变形小、焊接效率高，同时还可以实现不同材质的焊接而被广泛应用于新能源汽车车身、电池组和底盘部件的焊接。1.3激光焊激光焊是一种使用高能量的激光脉冲，在较小的范围内对材料进行局部加热，激光辐射的能量在热传导作用下向材料内部扩散，将材料熔化，并形成特定的熔池，从而达到焊接目的的焊接方法。激光焊接技术是目前汽车工业发展的主要方向，相对于传统的电阻焊接，其焊接速率可达4 6 m/min，是点焊的2 4倍，但在汽车工业中的应用受到限制。激光焊在与多种材料连接方面有着广泛的应用，铝合金、钢、复合材料包括碳纤维以及塑料等都可以通过激光焊来进行焊接，主要包括激光熔化焊，激光钎焊，激光飞焊，激光复合焊，激光熔化焊，激光熔化焊，激光复合焊。采用激光复合焊可以将两种方式分别对焊接区进行加热，实现了两种方式的协同加热，从而实现了一种新型的、高效率的、可持续的、无缺陷的焊接方式。在激光复合焊接时，挥发不仅发生在工件的表面，同时也发生在填充焊丝上，使得更多的金属挥发，从而使激光的能量传输更加容易，同时也保证了焊接过程的完整性。作为一种在激光焊接新技术,该技术尤其适用于高反材料(铜、铝、合金)的加工，具有焊接速度快、焊缝质量高、焊接缺陷少、焊接强度高等优点，在动力电池、汽车白车身等领域有广泛的应用前景。激光焊在实现材料连接同时，还能实现零部件的轻量化。目前一汽大众在奥迪A6、G o lf A 6、宝来、速腾、ModelX等几乎所有品牌的车型制造过程中,均不同程度地采用了激光钎焊、激光熔化焊、激光飞行焊、激光复合焊等技术。1.4电阻焊电阻焊是指将待焊件夹紧于电极之间，利用电流流经焊件接触面及相邻区域时所产生的电阻热，将焊件接触面熔化，或者达到高温塑性状态，从而获得焊李传奇，等：汽车车身轻量化材料连接技术研究种方式进行焊接。当前，传统的钢结构白车身大多采用电阻点焊，而铝焊点由于其高强度、高可靠性和高稳定性等特点，存在着焊点质量不稳定、电极烧损严重、使用寿命短等问题。缝焊是指工件在两个旋转的盘状电极间通过并形成一条焊点前后搭接连续焊缝的焊接方法；对焊是指将焊件分别置于两夹紧装置之间，使其端面对准，在接触处通电加热进行焊接的方法，对焊要求焊件接触处的截面尺寸、形状相同或相近，以保证焊件接触面加热均匀。2机械连接多材料车身因其晶体结构及物理特性存在巨大差别，使得采用传统焊接方法难以达到两者之间的可靠连接。为此,机械连接技术作为一种新型的连接技术被广泛应用于多材料连接工艺中。机械连接是用螺栓、螺钉、铆钉等紧固件把分离型材或零件连接在一起的一种连接方式。铆接、螺栓连接、流钻螺钉连接、高速射钉铆连接、卡箍连接、卡扣连接、轧带连接等都是比较常见的机械连接工艺。其中,无铆钉铆接、自冲铆接、流钻螺钉连接、高速射钉铆连接等主要用于铝合金、镁合金及碳纤维复合材料的机械连接方式。无铆接技术是指在冲压过程中对板材进行冲压，使板材具有一定的冷形变,并在冲压、下模具的共同作用下，使板材发生局部塑性变形，从而达到零部件间的连接。无铆接技术是利用零件自身的塑性形变来完成零件间的连接，而不是通过紧固件连接。由于无铆接技术加工工艺简单、造价低廉、抗疲劳性能低,所以在汽车生产中多用于发动机罩盖、行李箱盖板等非承重部件。自冲式铆接是指在受到外力作用下,刺穿上层板材同时承受横向载荷，铆钉腿部在底层板中张开，使底层板与铆钉腿部形成机械互锁，从而形成接头的过程。底板必须确保接头的气密性和耐腐蚀性。SPR技术铆接过程不需要预制孔，其连接速度快、可在线监测、连接质量稳定、自动化程度高、热量输入低、铆点性能等优于点焊方式，可实现不同材料间的连接，是一种很有发展前景的汽车连接技术。目前,SPR技术已经被通用、奥迪、宝马、捷豹等多家企业采用，并被广泛用于铝材和其他材料的连接，但SPR焊接技术的应用也存在着局限性，首先是不适用于热塑性钢材，在穿透热塑性钢材时，其铆钉腿部容易出现墩粗甚至开裂现象，从而影响焊接质量；其次，在底板厚度小于1mm的情况下，对底板进行铆钉过程易刺穿；而对延展性较差的镁合金来说，在连接过程中很89接接头的一种焊接方式，电阻焊有点焊、缝焊和对焊三种方式。镁及铝合金的零件可以通过点焊和缝焊两山西冶金90E-mail:第46 卷容易出现裂纹等缺陷。流钻螺钉(FDS)连接是具有特定螺纹的螺钉,在纵向载荷和旋转载荷的作用下，通过对钢板进行软化、刺穿后,进行自攻螺纹并拧紧形成接头的一种连接方式。FDS技术因具备无需开孔、可单面连接、可连接多种异质材料、便于拆装维修等特点得到广泛应用，尤其是在全铝和钢铝混杂的车身上，FDS主要用于具有封闭空间的铝合金零部件之间的连接，如铝合金的前部纵向梁与减振器的基座,以及铝合金的座位横向梁和门槛梁、中通道等零部件之间的连接。高速射钉铆接连接是一种使特殊螺纹的螺钉在压缩空气的压力下，以2 0 40 m/s的速度穿透钢板材,从而与板材啮合形成接头的连接方法。高速射钉铆接工艺的特点是可以单面连接、无需预制孔，连接效率高，但也存在联接噪音较大、生产费用高等劣势。另外，由于连接点存在着很大的变形，会对零件的装配精度和表面质量造成一定影响。3胶黏剂连接由于胶粘剂连接技术工艺简单、应力分布均匀、适用材料广、密封性能好、抗疲劳性能好等优点，在整车制造中得到了广泛应用。胶黏剂在汽车中的应用主要包括两个方面，一方面可实现异种材料的连接，解决异种材料连接上的局限性，另一方面也可用于车身补强,采用结构胶连接可以有效提升整车NVH性能，Research on Connection Technology of Lightweight Materials for Automobile BodyLi Chuanqi,Lu Changguo,Wang Mantong,Wang Shuo,Zhou Yang,Li Yongjie,Li YunjieAbstract:With the development of lightweight materials for car bodies,multi material connection technology,as a key technology in theautomotive manufacturing industry,needs to be studied from the perspectives of new processes,materials,and methods for connection.Byintroducing common connection technologies of lightweight materials for car bodies,and considering the particularity of composite materialsand different body structures,selecting appropriate connection methods,this provides a certain reference for the research of multi materialcarbody connection technology.Key words:vehicle body;lightweight materials;connection technology(上接第 8 7 页）Discussion on New Energy Saving Technologies for Heat Treatment of Metal Materials in the(Lanzhou Institute of Information Technology,Lanzhou Gansu 730300,China)Abstract:Heat treatment technology can ensure that metal materials will not change their performance due to external factors during theprocessing process.However,the energy consumption of diferent heat treatment technologies varies.To meet energy-saving needs,it isnecessary to explore new heat treatment energy-saving technologies.In view of this,a systematic introduction was focused on laser heattreatment technology,vacum heat treatment technology,thin layer penetration technology,computer-aided technology,and vibration agingtreatment technology.The key points of energy-saving technology for metal material heat treatment were analyzed,in order to better applyheat treatment technology while reducing environmental pollution and excessive energy consumption.Key words:New Era;metal materials;energy saving technology for heat treatment同时当汽车受外力撞击时,还可以起到很好的缓冲与吸能作用。胶接面的失效模式是评价胶接性能的一个重要方向。胶粘剂连接的破坏方式主要包括界面破坏、内聚破坏、混合破坏和基材破坏。在胶接面存在其他失效模式时,应针对失效模式的成因进行分析，并加以改善。为了避免胶接出现提前剥离的情况,胶粘剂连接会与其他连接方式相结合，如胶焊混合链接、胶铆混合连接和胶螺混合连接等。4结语通过研究分析，在汽车轻量化复合材料连接工艺中,因为复合材料自身的特殊性,在车身结构的不同的情况下应采用不同的复合材料及合适的连接方式，从而提高汽车制造的质量。参考文献1韩立军.汽车车身激光焊接技术发展与应用 J.电焊机，2 0 2 0,50(7):64-73.2 余啸.激光一电弧复合焊7 0 7 5-T6铝合金接头软化行为研究 D.合肥：合肥工业大学，2 0 13.3王娜.汽车轻量化车身材料连接工艺研究 J.内燃机与配件，2022(8):37-39.4施子音.车身零部件铝合金及钢铝混合连接工艺应用探讨 J.中国高新技术企业，2 0 16（18）：46-48.5陆建邦,李贺强,王崇,新能源汽车车身材料及连接工艺概述 J.汽车工艺师,2 0 18(8)：54-56.(编辑：杨光辉）(Yingkou Institute of Technology,Yingkou Liaoning 115001,China)New EraLiDingnan