高強度雙質(zhì)材料掛車輕量化關(guān)鍵技術(shù)綜述

朱玉麒，郭前建，袁偉，王文華，李飛，楊先海

(1. 山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2. 蒙陰縣飛達(dá)礦山工程機械有限公司, 山東 臨沂 276200)

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及化石能源的供不應(yīng)求，運載工具輕量化已成為國內(nèi)外設(shè)計和使用者長期追求的目標(biāo)[1]。汽車的輕量化是指在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。研究數(shù)據(jù)表明，汽車質(zhì)量每降低10%，油耗便可以降低6%～8%[2]，對汽車進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計可以使其更好地應(yīng)用于物流運輸行業(yè)。

掛車分為全掛車和半掛車，其中半掛車是一種由半掛牽引車牽引、車軸置于車輛重心后面(當(dāng)車輛均勻受載時)、并且裝有可將水平或垂直力傳遞到牽引車的聯(lián)結(jié)裝置的掛車。相比于傳統(tǒng)的商用車底盤運輸方式，專用的半掛車運輸具有效率高、成本低的優(yōu)點，更符合當(dāng)前物流運輸行業(yè)的發(fā)展趨勢。然而，與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國在其輕量化的研發(fā)方面仍處于起步階段，掛車減重效果和安全性能仍然較差。因此，亟需對掛車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究，使其既滿足各項性能要求又具備一定的輕量化效果。

本文對掛車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)，介紹相關(guān)的輕量化材料，分析討論高強度雙質(zhì)材料的復(fù)合焊接技術(shù)，并基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對今后的研究方向和發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 輕量化材料研究

由于鋼質(zhì)車輛過于沉重，所以研究人員常使用輕質(zhì)材料替代的方法來實現(xiàn)車輛輕量化[3]。王金剛等[4]通過采用鋁合金代替鋼材設(shè)計廂式貨車車廂兩翼，取得了良好的輕量化效果；馬曉坤等[5]對碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕等特點。Tang等[6]研究發(fā)現(xiàn)，使用鋁合金制作中型客車前保險杠不僅可以使其質(zhì)量較輕鋼保險杠降低約60%，還能更好地吸收碰撞力。

此外，Zewdie等[7]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)劍麻纖維復(fù)合材料是一種很好的汽車車身輕質(zhì)替代材料；方炅任等[8]采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計制造了城軌車輛車頭頭罩及骨架，在滿足設(shè)計要求的前提下實現(xiàn)了30%的減重效果。然而，由于堿性環(huán)境會使得劍麻纖維分解和礦化，導(dǎo)致劍麻纖維承載力和延性下降[9]；國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料制造工藝裝備落后，導(dǎo)致缺乏碳纖維高端產(chǎn)品，且中低端產(chǎn)品成本較高[10]，使得這兩種材料的大規(guī)模應(yīng)用難以實現(xiàn)。

現(xiàn)階段，倉柵式半掛車(如圖1所示)以其裝載量大、拆卸方便、用途廣、投資成本低等優(yōu)勢成為了道路運輸行業(yè)的主要裝備，研究人員常采用鋁合金作為其輕量化的主要材質(zhì)，然而鋁合金材料在工作中可能會發(fā)生如應(yīng)力腐蝕、剝落腐蝕等局部腐蝕[11]，且鋁合金車架的強度與鋼制車架相比較低，特別是焊縫部位的結(jié)構(gòu)強度降低的更為明顯，使得車輛在極端使用情況下的可靠性不如傳統(tǒng)的鋼制車架。研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金-鋼雙材質(zhì)掛車能夠充分利用鋼材承載能力強、耐磨，而鋁合金質(zhì)量輕的優(yōu)點，在確保掛車承載能力與安全性能的同時，大幅減輕掛車重量；因此，可使用鋁合金-鋼雙材質(zhì)進(jìn)行掛車輕量化設(shè)計。

由此可見，可以實現(xiàn)車輛輕量化的替代材料大體分為兩類，一類為復(fù)合材料，另一類為雙質(zhì)金屬材料?？紤]到材料成本與制造工藝，以及車架的安全性能等因素，鋁合金-鋼雙材質(zhì)應(yīng)成為未來掛車輕量化的首選材料。

2 激光-MIG復(fù)合焊接工藝研究

由于輕量化掛車所用的鋁、鋼雙質(zhì)材料熱物理性能和化學(xué)性能存在較大差異，難以熔合焊接[12]，而傳統(tǒng)焊接方法焊接鋁合金不僅焊接效率低，還常會產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷[13]，因此復(fù)合焊接技術(shù)已成為掛車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)之一。20世紀(jì)70年代，英國帝國理工大學(xué)的Steen教授提出了一種名為“激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)”的復(fù)合熱源焊接方法，與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，該技術(shù)具有加工速度快、焊縫強度高、焊縫小等優(yōu)點；因此，激光復(fù)合焊接技術(shù)已成為研究熱點。

2.1 激光復(fù)合焊接工藝技術(shù)方法研究

激光復(fù)合焊接技術(shù)分類廣泛，主要有激光與電弧焊接、激光與等離子弧焊接、激光與感應(yīng)熱源復(fù)合焊接、雙激光束焊接等[14]。與其他激光復(fù)合焊接技術(shù)相比，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、加工效率高等優(yōu)點[15]，廣泛應(yīng)用于軌道交通、造船、汽車、工程機械等領(lǐng)域；其缺點是焊后冷卻速度較快，特別是對于高強度鋼的焊接，焊接殘余應(yīng)力較高[16]。對于鋁合金材料而言，由于其熱傳導(dǎo)能力強，對激光能量的反射率高，因此普遍采用激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。

激光-MIG復(fù)合焊接是激光-電弧復(fù)合焊接的一種[17]，其原理為激光束與MIG電弧同時作用于焊接區(qū)域，向其輸送熱量(如圖2所示)，因激光-電弧兩個熱源之間的交互作用而使其具有較好的能量利用率和工況適應(yīng)性[18]，使得它具有焊接速度快、焊縫熱影響區(qū)小、熱變形小、焊接成形好以及生產(chǎn)效率高等顯著優(yōu)點。

圖2 激光-MIG復(fù)合焊接原理

近年來國內(nèi)外學(xué)者對激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行了大量研究，將其與其他焊接工藝反復(fù)進(jìn)行對照實驗，分析其適用領(lǐng)域。Wang等[19]采用光譜分析方法對激光-MIG復(fù)合焊接中的混合等離子體現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)激光-MIG混合焊接中金屬元件的光譜強度要比單一的MIG焊接強得多，因此會在焊接池附近產(chǎn)生更多熱量。韓麗梅等[20]通過對比分析不同焊接方式下焊接接頭的宏觀形貌和顯微組織，得出了激光-MIG復(fù)合焊接擁有比單MIG焊接和激光焊接更好的橋接能力、成形能力和組織性能的結(jié)論?？梢姡す?MIG復(fù)合焊接比單一焊接更具有優(yōu)勢。

在鋁合金材料與其他材料焊接方面，Shaker等[21]采用激光-MIG復(fù)合焊接和冷金屬轉(zhuǎn)移釬焊的方法，成功地將雙相鋼與AA2024-T3鋁板對接焊在了一起。吳永亮等[22]采用PLC系統(tǒng)控制的激光-MIG復(fù)合焊接工藝對Q890鋼/6063鋁合金進(jìn)行異種金屬焊接，發(fā)現(xiàn)添加Al-Cu合金片的焊接接頭抗拉強度更高，接頭界面層顯微組織厚度更薄。大量研究表明，激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)對鋁合金-鋼材料的焊接有顯著效果。

2.2 激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)研究方向

作為一種新興的焊接技術(shù)，激光-MIG復(fù)合焊接在德國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)化應(yīng)用階段，但目前我國對該技術(shù)的研究還處于探索階段。由于激光-MIG復(fù)合焊接接頭強度較低，尚未廣泛應(yīng)用于焊接厚度大于10 mm的鋁合金材料[23]，且焊接過程中協(xié)同工藝參數(shù)眾多，焊接接頭形貌直接影響焊接質(zhì)量[24]，因此國內(nèi)外研究人員主要從焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能、工藝參數(shù)等方面進(jìn)行研究。Yan等[25]利用顯微鏡對鋁鋰合金板焊接接頭顯微組織和斷口形貌進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)焊接條件下接頭呈現(xiàn)出了以韌窩為主和少量撕裂脊的特征。譚兵等[26]使用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡等工具對焊接接頭組織、元素分布和力學(xué)性能進(jìn)行了觀察研究，發(fā)現(xiàn)采用激光-MIG復(fù)合焊接方法可以高速焊接中厚度鋁合金,且焊縫成形美觀、界面熔合良好、焊接接頭軟化區(qū)較小。

此外，Zhang等[27]使用高速攝像機研究了激光-MIG復(fù)合焊接中外縱向磁場對電弧形狀、運動特性和耦合的影響，發(fā)現(xiàn)外加縱向磁場可以明顯改善焊接過程的穩(wěn)定性。侯艷喜等[28]采用激光-MIG復(fù)合焊接工藝對鋁合金板進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)激光功率對焊縫熔深起主導(dǎo)作用，激光功率越大，焊縫熔深越大；焊接速率越大，焊縫熔寬和熔深越小。常云峰等[29]研究了擺動振幅、擺動頻率等激光擺動參數(shù)對鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接焊縫氣孔率的影響，發(fā)現(xiàn)激光束垂直于焊縫擺動時(如圖3所示)對氣孔的抑制效果最佳，且擺動幅度a達(dá)到1.5 mm時才能完全抑制焊縫氣孔。由于焊縫區(qū)域是焊接最薄弱的地方，力學(xué)性能最差，因此未來對激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)的研究將著重于改善焊縫區(qū)域焊接接頭的力學(xué)性能，使其更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)。

圖3 激光束擺動示意圖

由以上研究可以看出，激光復(fù)合焊接技術(shù)種類繁多，實際應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)根據(jù)焊接材料的不同來進(jìn)行研究分析，選取合適的焊接方法。對于含有鋁合金材質(zhì)的焊接應(yīng)選用激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)；同時，針對激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)焊接工藝復(fù)雜、焊縫區(qū)域力學(xué)性能差等問題，應(yīng)加大與計算機技術(shù)結(jié)合的研究深度，加快激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)的智能化、自動化、精確化進(jìn)程。

3 掛車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在解決焊接技術(shù)以后，對掛車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成為了實現(xiàn)其輕量化的重要途徑。結(jié)構(gòu)優(yōu)化可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，其中拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在材料均勻分布的設(shè)計空間中找到最佳分布方案的優(yōu)化設(shè)計方法，廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、建筑等領(lǐng)域。拓?fù)鋬?yōu)化對比如圖4所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化對比圖

國內(nèi)外學(xué)者廣泛使用拓?fù)鋬?yōu)化方法對掛車車身骨架進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計[30]。魏春梅等[31]采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法對重型汽車傳動軸進(jìn)行了輕量化設(shè)計研究，使凸緣叉質(zhì)量由優(yōu)化前的9.23 kg減小為優(yōu)化后的6.874 kg，降低約25.5%，且花鍵軸叉、萬向節(jié)叉、后傳動軸等均取得了顯著減重效果。Panganiban等[32]通過拓?fù)鋬?yōu)化獲得了平板掛車框架梁的最優(yōu)布局，使得優(yōu)化后的車架質(zhì)量比原設(shè)計輕約13%(275 kg),而剛性與原設(shè)計相同。由此可見，拓?fù)鋬?yōu)化方法能夠在滿足使用性能與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時有效地減少掛車骨架用料，從而達(dá)到輕量化的效果。

由于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中容易出現(xiàn)棋盤格式、網(wǎng)格依賴等數(shù)值計算不穩(wěn)定現(xiàn)象，增加了優(yōu)化結(jié)構(gòu)提取制造的難度；因此，為了更好地實現(xiàn)掛車結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究人員常將拓?fù)鋬?yōu)化與其他優(yōu)化方法結(jié)合使用[33-34]。郭建宇等[35]基于有限元分析理論，通過采用變密度法拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)尺寸優(yōu)化的方法對車身骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計，使得優(yōu)化后的車身骨架在滿足各項性能要求的前提下減重14.08%。Jang等[34]通過對掛車進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和厚度優(yōu)化設(shè)計，大幅度提高了掛車的剛性質(zhì)量比，將最終模型的總質(zhì)量降低了29%，平均服從均勻彎曲載荷降低了21%。由于實際操作中車身優(yōu)化會涉及到多個方面，所以應(yīng)通過多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。

形貌優(yōu)化基于形狀優(yōu)化，主要針對板型結(jié)構(gòu)中肋的位置與形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可在改善板型結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時減輕其結(jié)構(gòu)重量[36]。劉迪輝等[37]對汽車發(fā)動機底護(hù)板進(jìn)行了拓?fù)浼靶蚊矁?yōu)化，在降低原設(shè)計模型最大應(yīng)力、最大變形量的同時使質(zhì)量減輕了12.5%。簡幫強等[38]通過對泵車連桿進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)輕量化，并提高了穩(wěn)定性。張積洪等[39]通過使用拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化等方法對拖車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，既增強了車架的結(jié)構(gòu)強度又節(jié)約了材料，取得了一定的輕量化效果。

由此可見，拓?fù)鋬?yōu)化在輕量化設(shè)計領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，其中最常用的是基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化。由于在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中易出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)當(dāng)同多目標(biāo)優(yōu)化算法、形貌優(yōu)化等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法結(jié)合使用。當(dāng)前，常用的形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化方法已日趨成熟，未來應(yīng)著重研究遺傳算法等多目標(biāo)優(yōu)化算法在拓?fù)鋬?yōu)化中的應(yīng)用，以便更好地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

4 總結(jié)與展望

本文主要對高強度雙質(zhì)材料掛車輕量化過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，通過分析當(dāng)前常用輕量化技術(shù)的優(yōu)勢和不足，對未來研究方向進(jìn)行了預(yù)測，為掛車輕量化設(shè)計提供了參考。

1) 車輛輕量化材料多種多樣，各有優(yōu)缺點。傳統(tǒng)的掛車輕量化材料仍以鋁合金為主，但使用鋁合金-鋼雙材質(zhì)進(jìn)行掛車輕量化設(shè)計已逐漸成為未來的發(fā)展方向，充分發(fā)揮兩種材料各自優(yōu)勢，既保證了掛車輕量化的需求，又能兼顧掛車的可靠性和安全性。

2) 可以通過對激光-MIG復(fù)合焊接工藝過程中的流體流動和傳熱傳質(zhì)機理進(jìn)行研究，解決不同熔點、不同硬度的鋁合金和鋼材難以熔合焊接的問題；但激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)仍存在焊縫力學(xué)性能差、自動化水平低等局限性，如何使焊接過程系統(tǒng)化、簡便化，是未來復(fù)合焊接技術(shù)的研究方向。

3) 在今后的研究中，應(yīng)將拓?fù)鋬?yōu)化與其他優(yōu)化方法結(jié)合使用，共同對掛車結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，找到最佳設(shè)計方案，以便更好地實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。