輕量化汽車用鋁合金板材結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

王國軍

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209)

車身輕量化設(shè)計對汽車燃油經(jīng)濟性意義重大，能夠提高車身剛度，使車身受力分布均勻，提高材料的利用率。鋁合金是目前應(yīng)用最廣的輕量化材料。相比于傳統(tǒng)的鋼制車身，鋁合金車體在設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)等方面均有其獨特性。

輕量化鋁制車身及零部件從設(shè)計到完成包含結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAE分析、成型、連接總成、表面處理等五個關(guān)鍵步驟。在鋼制車體鋁化過程中，會根據(jù)現(xiàn)有鋼制車身的剛強度及減重的需求進(jìn)行多輪次結(jié)構(gòu)優(yōu)化；同時還要進(jìn)行成形性分析，確定材料的類型和規(guī)格；開展零件試制，并對模具、工藝進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，保障成形合格率；零件制成后，通過機械連接、焊接等多種連接方式進(jìn)行總成；對其進(jìn)行涂裝處理，形成最終的產(chǎn)品。

本文作者從汽車板零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAE分析、沖壓成型技術(shù)、零部件的連接技術(shù)及涂裝技術(shù)五個方面，介紹輕量化鋁合金板材的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 汽車板外覆蓋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及CAE分析

外覆蓋件是汽車板的重要應(yīng)用領(lǐng)域，包括車門內(nèi)外板、發(fā)動機蓋內(nèi)外板等，不同部位的設(shè)計及使用要求都有一定的差別。

發(fā)動機蓋一般由外板、內(nèi)板和局部加強板組成[1]。發(fā)動機蓋外板受造型的影響很大，幾乎沒有優(yōu)化空間；發(fā)動機蓋內(nèi)板中間部分無安裝附件，具有較大的設(shè)計自由度。因此發(fā)動機蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要集中在其內(nèi)板上。

發(fā)動機蓋輕量化通常采用輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計兩種方法。目前對鋁制發(fā)動機蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計分析研究[2-7]，但大多的結(jié)構(gòu)設(shè)計都基于經(jīng)驗，即通過輕質(zhì)材料替換或修改斷面結(jié)構(gòu)的方式對發(fā)動機蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在發(fā)動機蓋開發(fā)過程中往往出現(xiàn)某些剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目標(biāo)要求，造成材料的浪費和開發(fā)成本的增加。

1.1 鋁制發(fā)動機蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是指在給定結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間內(nèi)找到最佳的材料分布或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化包含優(yōu)化變量、約束響應(yīng)及目標(biāo)響應(yīng)三要素。以發(fā)動機蓋內(nèi)板為例，考慮到發(fā)動機蓋內(nèi)板周邊存在鉸鏈、撐桿、鎖等安裝附件的安裝點，將發(fā)動機蓋內(nèi)板周邊保持不變，選取發(fā)動機蓋內(nèi)板中部作為優(yōu)化變量，如圖1所示。約束響應(yīng)要保證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的各類剛度不低于原結(jié)構(gòu)剛度。約束響應(yīng)設(shè)置見表1。目標(biāo)響應(yīng)設(shè)置質(zhì)量最小化。

圖1 鋁合金發(fā)動機蓋內(nèi)板拓?fù)鋬?yōu)化可設(shè)計空間Fig.1 Topological optimization in designable space of interior plate of aluminum alloy engine cover

表1 約束響應(yīng)Table 1 Constraint response

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化，得出發(fā)動機蓋內(nèi)板的主要傳力路徑，如圖2所示。結(jié)合板材成型工藝及制造要求，消除細(xì)小的路徑，保留重要傳力加強筋，重新設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 鋁合金發(fā)動機蓋內(nèi)板拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.2 Topological optimization results of aluminum alloy engine cover inner plate

圖3 鋁合金發(fā)動機蓋內(nèi)板拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of aluminum alloy engine cover inner plate after topological optimization

對原鋼制發(fā)動機蓋與拓?fù)鋬?yōu)化后的鋁制發(fā)動機蓋分別進(jìn)行彎曲剛度、角點剛度、側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度性能分析，結(jié)果見表2。

表2 發(fā)動機蓋拓?fù)鋬?yōu)化前后剛度性能Table 2 Stiffness performance of engine cover before and after topological optimization

由表2可見，優(yōu)化后鋁制發(fā)動機蓋相比鋼制的減重30.4%，各剛度均有所提升。另外， 相比鋼制發(fā)動機蓋，鋁制發(fā)動機蓋對五種剛度的性能提升更加均勻，說明拓?fù)鋬?yōu)化后設(shè)計的鋁合金發(fā)動機蓋結(jié)構(gòu)更加合理。

1.2 鋁制發(fā)動機蓋內(nèi)板CAE性能分析

鋁合金在汽車車身上的應(yīng)用，逐漸從原來的無條件使用，發(fā)展為精細(xì)化的計算使用。結(jié)構(gòu)CAE分析對鋁材的使用起到了非常關(guān)鍵的作用，它使材料在用量合理化的同時實現(xiàn)了性能最優(yōu)化。鋁合金結(jié)構(gòu)CAE分析主要包括性能CAE分析及碰撞安全性CAE分析。性能CAE分析技術(shù)是通過對標(biāo)原結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)的模態(tài)、剛強性能，實現(xiàn)以鋁代鋼的同時，提升鋁合金車身的性能指標(biāo)。圖4為鋁合金機蓋結(jié)構(gòu)模態(tài)CAE分析結(jié)果。

圖4 鋁合金機蓋結(jié)構(gòu)模態(tài)CAE分析結(jié)果Fig.4 Results of CAE analysis of aluminum alloy engine cover structure modal

圖5為鋁合金機蓋結(jié)構(gòu)剛度CAE分析結(jié)果。通過剛度CAE分析確定使用的材料厚度規(guī)格，實現(xiàn)滿足性能的材料壁厚選取。碰撞安全性CAE分析技術(shù)是通過對比原結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)的碰撞性能，使鋁合金結(jié)構(gòu)滿足碰撞安全法規(guī)的要求，如圖6所示。通過行人保護碰撞安全性CAE分析，來提取發(fā)動機蓋內(nèi)外板的最大吸能量，選取優(yōu)化的結(jié)構(gòu)及優(yōu)選材料方案。

圖5 鋁合金機蓋結(jié)構(gòu)剛度CAE分析結(jié)果Fig.5 CAE analysis results of structural stiffness of aluminum alloy engine cover

圖6 行人保護碰撞安全CAE分析Fig.6 CAE analysis of pedestrian protection collision safety

2 汽車板的沖壓成型工藝

沖壓成型技術(shù)是板材零部件成形制造的傳統(tǒng)技術(shù)，國內(nèi)多家主機廠采用鋼板沖壓生產(chǎn)線實現(xiàn)了鋁合金發(fā)動機蓋、車門內(nèi)板等覆蓋件的沖壓生產(chǎn)。由于鋁板與鋼板的特性存在較大差異，鋁板對沖壓工藝、模具具有特殊的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)鋁板的塑性低于鋼板的，極易出現(xiàn)沖壓開裂問題。要求零件與模具避免小圓角、急劇過度等形狀特征。通過模具表面鍍鉻處理提高光潔度，降低沖壓成型風(fēng)險。

2)為減少批量生產(chǎn)時材料性能、模具狀態(tài)等因素波動對沖壓質(zhì)量造成的影響，沖壓工藝設(shè)計時必須進(jìn)行穩(wěn)健性分析，確認(rèn)材料屈服強度、抗拉強度、摩擦因數(shù)、壓邊力、板料厚度等變量對成形性的影響。

3)鋁合金的彈性模量小，沖壓后回彈大。模具設(shè)計前期應(yīng)通過回彈補償手段進(jìn)行優(yōu)化，沖壓工藝設(shè)計時要考慮塑性變形程度、變形均勻等因素，避免因回彈導(dǎo)致的零部件尺寸精度下降的問題。

4)鋁合金修沖時容易產(chǎn)生鋁屑，鋁屑?xì)埩粼谀＞弑砻婧髸α慵砻嬖斐蓧簜潅热毕?，降低外觀質(zhì)量。沖壓工藝設(shè)計取消廢料刀、縮小修邊沖孔角度、多應(yīng)用正沖孔技術(shù)等手段有助于改善鋁板沖壓鋁屑問題[8]。

5)相比于機械式壓力機，采用伺服壓力機可以兼顧成形速度和成形力，在保證成品質(zhì)量的同時，兼顧了沖壓生產(chǎn)效率[9]。

2.1 覆蓋件成形用冷沖壓技術(shù)改進(jìn)

近年來，為了提高鋁合金沖壓成型性，降低模具開發(fā)成本和風(fēng)險，國內(nèi)外圍繞摩擦與潤滑、精確模擬仿真等技術(shù)開展了重點研究，極大地提高了鋁合金汽車板的成形性。

1)通過潤滑處理改善摩擦特性是提高汽車鋁板成形性的有效途徑[10-13]。鋁板沖壓用潤滑劑分為液體潤滑劑和固體潤滑劑兩種。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)采用固態(tài)潤滑劑可以取得比液態(tài)潤滑劑更好的摩擦效果，典型案例如M. Meiler在寶馬Z8系列的車用鋁板上使用固態(tài)干膜E1潤滑劑沖壓，避免了液態(tài)潤滑劑條件下沖壓的開裂和頸縮缺陷[14]。

2)大量研究發(fā)現(xiàn)材料表面形貌對摩擦與潤滑特性存在顯著影響。因此，表面織構(gòu)化成為鋁板沖壓成型領(lǐng)域的熱門研究，主要包括表面織構(gòu)減摩作用機理、織構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計、摩擦特性等方面[15-19]。

3)模擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于沖壓模具設(shè)計開發(fā)，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)反復(fù)試錯法，以減少模具調(diào)試次數(shù)和降低模具開發(fā)成本與風(fēng)險。國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金汽車板在復(fù)雜沖壓條件下的宏觀力學(xué)特性、摩擦特性開展了持續(xù)研究，提出了系列硬化模型、屈服準(zhǔn)則[20-22]和摩擦模型[23-25]，以實現(xiàn)鋁合金汽車板沖壓過程的精確模擬。

2.2 高強件采用熱成形技術(shù)

隨著汽車輕量化的推進(jìn)，對高強鋁合金構(gòu)件的需求越來越急迫，但是由于高強鋁合金室溫下成形性能差，無法成形復(fù)雜的汽車零部件。為了滿足汽車高強鋁合金構(gòu)件的成形性需求，帝國理工大學(xué)的林建國教授提出了鋁合金熱沖壓成型技術(shù)。該技術(shù)的典型工藝流程：首先將高強鋁合金板材進(jìn)行固溶處理，然后快速轉(zhuǎn)移到模具中進(jìn)行成型淬火，通過人工時效處理獲得高強鋁合金零件。該技術(shù)可以滿足高強鋁合金構(gòu)件成型性的要求。英國Impression Technologies Ltd(ITL)公司將該技術(shù)率先在全球進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化推廣，建立了批量生產(chǎn)線，并已為蓮花汽車、阿斯頓·馬丁等主機廠開發(fā)出來高強鋁合金構(gòu)件，如圖7所示。

圖7 500 MPa汽車用橫梁Fig.7 500 MPa crossbeam for automobile

我國在高強鋁合金熱成形技術(shù)方面開展了大量研究，主要集中在鋁合金熱成形性能、鋁合金熱成形強化工藝與機制、熱沖壓數(shù)值模擬以及熱沖壓零件性能評價等方面[26-28]。華中科技大學(xué)王義林等[29]通過熱成形生產(chǎn)線試制了某汽車B柱，材質(zhì)為7075高強鋁合金，力學(xué)性能檢測結(jié)果如圖8所示，抗拉強度范圍為557 MPa～578 MPa，伸長率約為6.7%～10.1%。

圖8 熱沖成型、時效后的高強7075鋁合金B(yǎng)柱性能Fig.8 B-pillar properties of high strength 7075 aluminum alloy after hot stamping and aging

蔚來汽車在其量產(chǎn)的全鋁車身中，使用了500 MPa級的7×××鋁合金B(yǎng)柱內(nèi)板。據(jù)了解，該材料是由西南鋁業(yè)集團有限責(zé)任公司獨家供貨。該高強熱沖壓鋁合金零件的應(yīng)用在行業(yè)內(nèi)起到了良好的示范作用。目前中國第一汽車集團有限公司、東風(fēng)汽車集團有限公司、廣州汽車集團股份有限公司等主機廠已開展鋁合金熱成形技術(shù)儲備。

3 汽車鋁合金零部件的連接技術(shù)

3.1 鉚接

自沖鉚接(SPR)是一種快速連接兩層或者多層板材的冷成型工藝，它將鉚釘刺入上層板，并使其刺穿后，在一定模具作用下，鉚釘?shù)耐炔肯蛳聦影宀牧现車鷶U展而不沖裁下層板，最后形成機械互鎖結(jié)構(gòu)。HENROB在1993年首先發(fā)明了該技術(shù)，并將該技術(shù)成功用于奧迪A8全鋁汽車車身的總成制造，提高了連接點強度及可靠性，克服了連接點疲勞性能不足、鋼鉚釘和鋁材的接觸腐蝕等問題。

SPR技術(shù)為典型的機械連接結(jié)構(gòu)，連接過程無冶金反應(yīng)，可有效避免異種材料焊接過程因?qū)щ?、?dǎo)熱的差異形成的焊接變形、內(nèi)應(yīng)力等，克服了鋁合金、鎂合金等輕金屬難以采用傳統(tǒng)點焊連接方法的限制。該技術(shù)不僅可用于同種材料之間的連接，而且能夠?qū)崿F(xiàn)鋁/鎂、鋁/鋼、鋁合金/鎂合金/高強度鋼等金屬材料和高分子材料/復(fù)合材料的異種材料連接，同時連接過程能耗低，無熱效應(yīng)，不會破壞防腐涂層。

半空心鉚釘SPR工藝過程如圖9所示，包含四個階段：壓緊階段，沖裁階段，擴張階段，沖鉚完成。

圖9 半空心自沖鉚接工藝過程Fig.9 Semi-hollow self-punching riveting process

目前，SPR技術(shù)已應(yīng)用在奧迪、捷豹、寶馬、通用、福特等公司白車身制造中，形成了廣泛的應(yīng)用市場。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)新能源鋁合金及鋼鋁混合車身總成連接，具有不可替代的地位。國內(nèi)奇瑞、捷豹路虎、上汽大眾等車身普遍采用的連接工藝就是SPR技術(shù)，典型應(yīng)用如圖10所示。

圖10 捷豹XFL的自沖鉚接結(jié)構(gòu)Fig.10 Jaguar XFL self-punching riveting construction

SPR主要的研究有三個方面：自動化鉚接設(shè)備、鉚接工藝開發(fā)及鉚接質(zhì)量檢測。

目前國外已有成熟的SPR自動化鉚接設(shè)備，如Henrob、Bollhoff、Emhart，但是國外知名的SPR設(shè)備價格普遍較高，企業(yè)對白車身總成生產(chǎn)線進(jìn)行替換代價太大，推廣受阻。同時由于關(guān)鍵技術(shù)封鎖，引進(jìn)設(shè)備存在技術(shù)壁壘，很難在國內(nèi)得到普遍應(yīng)用。近些年來國內(nèi)在SPR技術(shù)推廣及設(shè)備開發(fā)方面也取得了重大突破，形成了國內(nèi)自主品牌，并在國內(nèi)汽車制造中得到了廣泛應(yīng)用，如深圳一浦萊斯、蘇州斯旺西、上海固極等，均可提供相關(guān)硬件設(shè)備及集成方案。

對SPR工藝及技術(shù)開發(fā)，國外已開展了較為系統(tǒng)的研究，并取得了系列成果[30-33]，但是出于技術(shù)壟斷和技術(shù)封鎖的目的，國外研究機構(gòu)及設(shè)備供應(yīng)商仍然對該工藝的核心設(shè)置了技術(shù)屏蔽。相比之下，由于對該技術(shù)的研究時間有限，國內(nèi)高校及研究機構(gòu)尚未對SPR工藝開展全面系統(tǒng)的深入研究，未形成系統(tǒng)的成套解決方案。因此，開展輕量化材料SPR工藝技術(shù)的研究對推動SPR技術(shù)的發(fā)展十分重要。

3.2 點焊

電阻點焊是鋼制車身最重要的連接方式，在車身總成及零部件的焊裝中均有大量應(yīng)用。隨著汽車輕量化的推進(jìn)，電阻點焊也開始廣泛應(yīng)用于鋁合金零部件的連接。在奔馳SL-R231、奧迪TT、凱迪拉克CT6、福特F150皮卡等車身裝配中均大量采用了鋁合金電阻點焊工藝。

鋁合金電阻點焊的技術(shù)難點有以下兩方面：

1)焊接時銅電極與鋁基體發(fā)生粘連作用，銅電極的連續(xù)打點性能差。主要原因是鋁合金表面存在組織致密、熔點極高、導(dǎo)電性能極差的氧化膜，焊接過程中產(chǎn)生很大的接觸電阻，電阻熱會形成高溫，使鋁與銅形成低熔點(548 ℃)的化合物，使銅電極與鋁合金的表面發(fā)生強烈粘連導(dǎo)致銅電極燒損嚴(yán)重。

2)鋁合金電阻點焊接頭力學(xué)性能較差。原因有三點：一是焊點熱影響區(qū)組織軟化(晶粒長大和過飽和固溶體等)；二是接頭的熔核處易形成縮松和氣孔，熱影響區(qū)易形成液化裂紋；三是鋁合金熱膨脹系數(shù)較大(約為鋼的2倍)，點焊熔化時的熱膨脹較大，易在工件接觸面間造成噴濺、電極與工件間造成飛濺，繼而帶走部分熔化金屬和熱量，影響熔核直徑的大小。

針對當(dāng)前鋁合金電阻點焊的應(yīng)用情況，目前的研究進(jìn)展主要包括以下幾個方面：

1)表面特性及接觸電阻優(yōu)化

鋁合金的表面狀態(tài)對電阻點焊的力學(xué)性能有很大影響。鋁合金表面形成的Al2O3膜在銅電極和鋁制工件的界面間會產(chǎn)生高電阻，這些不導(dǎo)電且難熔化的氧化膜會導(dǎo)致鋁合金焊點的質(zhì)量和電極壽命明顯下降。目前工業(yè)上主要通過對鋁合金板進(jìn)行清洗或者鈍化來去除氧化層，降低接觸電阻。在接觸電阻優(yōu)化方面，Luo et al.[34]提出應(yīng)用小電流預(yù)熱處理抑制氧化層的影響。如圖11所示，當(dāng)在原有焊接工藝基礎(chǔ)上施加一個電流為8 kA，時間為50 ms的預(yù)熱時，可以顯著降低AA5052鋁合金界面處的接觸電阻，從而顯著提高焊接質(zhì)量。

圖11 預(yù)熱對AA5052鋁合金接合面接觸電阻的影響Fig.11 Influence of preheating on contact resistance of joint surface of AA5052 aluminum alloy

2)外加磁場對焊點性能的改善

在相同的焊接工藝參數(shù)條件下，外加磁場對焊點熔核位置組織及性能有明顯的影響。Yang Li等[35]在開展AA5052鋁合金點焊時發(fā)現(xiàn)，外加磁場施加的電磁力可以明顯細(xì)化柱狀晶粒，因此采用外加磁場制備的接頭在柱狀晶和粗晶區(qū)具有較高的硬度(添加和不添加外部磁場的粗晶區(qū)晶粒尺寸分別為9.3 μm和16.7 μm)，如圖12所示。

圖12 相同參數(shù)下AA5052鋁合金電阻點焊300 ms的硬度剖面形貌Fig.12 AA5052 hardness profile morphologies after resistance spot welding for 300 ms with the same parameters

3)電阻點焊焊接工藝的優(yōu)化

焊接工藝的優(yōu)化內(nèi)容一般包括三個主要參數(shù)：焊接電流、焊接時間和電極壓力。其中焊接電流與焊接時間對熔核位置熱效應(yīng)的影響趨勢相同，焊接電流越大、時間越長，焊接的熱效應(yīng)越顯著。電極壓力則主要通過對接觸電阻和接觸面積的影響來影響接頭性能，當(dāng)電極力不足時，接觸電阻高，產(chǎn)生過多的熱，易于發(fā)生飛濺，從而導(dǎo)致接頭質(zhì)量差；當(dāng)電極力過大時，熔核直徑和接頭強度均呈減小趨勢，這主要是由于接觸面積增大、電流密度減小和散熱增加所致。

3.3 冷金屬過渡焊接(CMT)

熔化極氣體保護焊具有成本低、效率高等優(yōu)點備受主機廠青睞，但該種焊接方式在應(yīng)用過程中，存在飛濺大、變形量難以控制等問題，在鋁合金薄板上很難得到廣泛推廣，尤其對于1mm左右的薄板是該種焊接工藝的“禁區(qū)”，而輕量化汽車用鋁合金板厚度多為1 mm 左右。汽車白車身鋁合金工件狀況見表3。為獲得高質(zhì)量、高精度的輕量化車身零部件，對焊接技術(shù)提出了更高要求。

表3 汽車白車身鋁合金工件狀況Tab.3 Aluminum alloy workpiece status of automobile body-in-white

Fronius公司通過精準(zhǔn)協(xié)調(diào)送絲及實時監(jiān)控，創(chuàng)造性地提出了新型熔化極氣體保護焊——冷金屬過渡焊接工藝，該工藝的主要原理為當(dāng)熔滴與熔池接觸發(fā)生短路時，短路信號反饋給數(shù)字化處理器，焊機馬上停止輸出電流，處于“冷”階段；隨后，焊絲回抽、進(jìn)給，重新引弧并給予材料熱量，處于“熱”階段。這樣往返循環(huán)實現(xiàn)了焊接過程“冷”和“熱”的交替。圖13為CMT焊接過程。

圖13 CMT焊接過程Fig.13 CMT welding process

CMT焊接工藝通過精準(zhǔn)控制熱輸入從而使自動化焊接 1 mm左右的超薄鋁合金成為可能，同時該工藝具備較強的搭橋能力，可降低白車身裝配要求，滿足輕量化車身連接需求。表4為CMT技術(shù)在白車身領(lǐng)域焊接適應(yīng)性。

表4 CMT技術(shù)在白車身領(lǐng)域焊接適應(yīng)性Tab.4 Welding adaptability of CMT technology in body-in-white field

CMT焊接工藝已在國內(nèi)外眾多主機廠得以成功應(yīng)用，尤其是在車門、頂蓋等外觀要求高的部位，但車身骨架等中厚板(3 mm以上)運用CMT工藝時，其焊接過程能量輸入低并具有上限值，往往產(chǎn)生未焊透等焊接缺陷，可采用CMT復(fù)合脈沖(CMT+P)焊接工藝，能有效避免焊接缺陷的產(chǎn)生。這種工藝兼顧CMT低的焊接熱輸入的特點，同時與電弧脈沖復(fù)合，使焊接過程熱輸入量可以自由調(diào)控，實現(xiàn)了對焊接熱輸入的精確控制，該種工藝適用于車身骨架、車體下結(jié)構(gòu)等對連接強度有一定要求的部位。圖14為CMT焊接工藝車身焊縫改善對比。

圖14 CMT焊接工藝車身焊縫改善對比Fig.14 Comparison of auto body weld befor and after CMT welding

采用CMT冷金屬過渡技術(shù)是輕量化汽車焊接技術(shù)的發(fā)展方向，CMT工藝以多變的模式、精準(zhǔn)的控制被各大主機廠廣泛認(rèn)可。 CMT、CMT+P和變極性控制技術(shù)將被廣泛應(yīng)用到汽車覆蓋件、汽車骨架及汽車增材制造領(lǐng)域中。

3.4 膠接

膠接是指使用規(guī)定的粘接膠將兩個以上金屬或非金屬零件粘結(jié)起來的技術(shù)措施。膠接技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、載荷分布均勻、變形小、物理性能好、工藝簡便，成本低等特點，在車身連接中獲得了廣泛的應(yīng)用。

按照強度，粘接膠可以分為高結(jié)構(gòu)(high-structural)粘接膠、柔性結(jié)構(gòu)(flexible-structural)粘接膠、彈性(elastic)粘接膠以及密封膠(sealants)四類[36]。四類粘接膠的可逆彈性變形以及剪切模量如圖15所示。剪切模量以及斷裂時的伸長率如圖16所示。

圖15 粘接膠剪切模量及可逆彈性變形Fig.15 Shear modulus and reversible elastic deformation of binder

圖16 粘接膠和密封膠剪切模量及斷裂伸長率Fig.16 Shear modulus and fracture elongation of binder and sealant

高結(jié)構(gòu)粘接膠[37]一般由環(huán)氧、丙烯酸以及聚氨酯組成，可以分為室溫兩組份體系以及熱固化單組份體系。焊裝車間所用粘結(jié)膠一般為熱固化類型的，其中含有硬化劑在加熱條件下與環(huán)氧樹脂反應(yīng)并固化，從而得到最終的產(chǎn)品。焊裝車間進(jìn)行的膠裝一般先進(jìn)行預(yù)固化，隨后再隨車身進(jìn)行整體的磷化、電泳涂裝工序，從而在電泳烘烤階段完成膠的最終固化。在焊裝車間的膠接類型主要包括隔振膠、折邊膠、點焊密封膠、結(jié)構(gòu)膠等。不同類型膠的連接方式如圖17所示。

圖17 不同類型膠接示意圖Fig.17 Diagram of different types of bonding

隔振膠[38]主要用于機蓋、行李箱蓋、頂蓋和車門等內(nèi)外板之間。隔振膠的主要作用為減振，膨脹率范圍100%～300%。隔振膠的使用位置如圖18所示。涂隔振膠時一般分為條狀膠和點狀膠。條狀膠的斷面形狀為直徑約8 mm的半圓弧，每段長度約60 mm～80 mm，段與段的間隔約40 mm；點狀膠的直徑約為20 mm(視板件之間距離進(jìn)行調(diào)整)，相鄰膠點的間隔一般大于50 mm。

圖 18 隔振膠的使用位置Fig.18 Application position of vibration isolation adhesive

車身鈑金件折邊結(jié)構(gòu)的粘接膠統(tǒng)稱為折邊膠，是用于車身鈑金件折邊結(jié)構(gòu)的粘接膠的通稱，主要用于機蓋、車門、前翼子板等位置[39]。折邊膠的應(yīng)用位置如圖19所示。采用折邊方式連接內(nèi)、外蓋板，可有效提高車身的外觀質(zhì)量，減少焊接凹坑。折邊膠施工方式有機械手自動涂膠和手動涂覆，折邊后應(yīng)確保內(nèi)、外板之間的間距在0.1 mm～0.4 mm之間，施工壓力一般控制在12 MPa～16 MPa之間。

圖19 折邊膠的使用位置Fig.19 Application position of folding adhesive

點焊密封膠是焊裝工藝過程中常用的重要膠種之一，多用于前后圍、側(cè)圍及地板等處密封，主要起密封、防漏、防腐蝕以及防止灰塵進(jìn)入等作用，一般在焊接前在車身鈑金件之間使用，要求其經(jīng)焊接、涂裝固化膨脹后具有一定粘接強度[40]。點焊密封膠的斷面形狀為直徑約3 mm～5 mm的半圓弧，圓心離邊界7 mm。

4 汽車板零部件的涂裝工藝

鋁合金汽車零部件的涂裝主要包括前處理及涂裝工序：前處理方式主要包括磷化及薄膜化處理；涂裝工序主要包括電泳、中涂、色漆、清漆的噴涂等。

4.1 涂裝前處理

磷化前處理方式在汽車行業(yè)應(yīng)用最為普遍，鋼制車身大量采用磷化處理方式。對于含鋁車身而言，由于鋁合金的特性，磷化方式與鋼制車身存在一定差異。鋁合金構(gòu)件表面存在一層氧化鋁(Al2O3)膜層，需要在磷化槽液中添加氟離子( F-) ，一方面促進(jìn)鋁合金表面氧化膜溶解，另一方面與槽液中游離態(tài)的鋁離子(Al3+)反應(yīng)生成AlF3、AlPO4、K2NaAlF6等沉淀物，減少Al3+對磷化的影響[41]。典型鋁合金磷化后表面形貌如圖20所示。

圖20 典型鋁合金磷化后表面形貌Fig.20 Surface morphologies of typical aluminum alloys after phosphating

此外，含鋁車身在磷化過程中產(chǎn)渣量要大于鋼制車身的，需要根據(jù)現(xiàn)場情況對除渣系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。一般而言，在鋁合金表面積比例不超過20%時，可以采用鋼鋁共線磷化的方式進(jìn)行磷化處理；在鋁合金表面積比例超過20%時，可以采用兩步法或者薄膜前處理工藝。兩步法磷化其要點在于鋼鋁混合件中的鋼件和鋁件分別進(jìn)行磷化和鈍化處理，通過在磷化液添加遮蔽劑，使鋁合金在磷化液中不反應(yīng)， 鋼件先進(jìn)行磷化，隨后有鈍化工序?qū)︿X合金進(jìn)行鈍化，確保鋼件、鋁件均制備良好的前處理保護膜層。

鋁合金磷化由于含有鎳、錳等重金屬，產(chǎn)渣量大、溫度高能耗大，在主機廠新建生產(chǎn)線中應(yīng)用已越來越少，薄膜前處理是取代磷化處理的主要方式。較傳統(tǒng)磷化膜厚度1 μm～3 μm而言，薄膜前處理膜層厚度一般為20 nm～200 nm。帕卡、漢高、凱密特爾、PPG等相關(guān)前處理供應(yīng)商均提供了相應(yīng)的產(chǎn)品，并獲得應(yīng)用。薄膜前處理具有產(chǎn)渣量少、不需要亞硝酸鹽促進(jìn)劑、不含錳、鎳等有害重金屬等特點，且處理溫度更低、減少了表調(diào)工序，總體上可以降低生產(chǎn)能耗成本[42-43]。目前國內(nèi)主要薄膜前處理廠家及使用案例如表5所示。

表5 主要薄膜前處理廠家及使用案例Table 5 Main film pre treatment manufacturers and application cases

4.2 涂裝工序

汽車涂裝工序主要包括電泳、中涂、色漆、清漆的噴涂等。水性免中涂B1B2工藝，是近年來研發(fā)的一種環(huán)保性涂裝工藝[44]，由于不再設(shè)置中涂工序，降低了涂料自身的實際應(yīng)用量，減少了涂裝過程能量耗損及運行成本投入，降低了有害物質(zhì)的排放量。

免中涂涂裝工藝路線由于減少了中涂工序使得涂料總體厚度下降，且由于薄膜前處理的大量使用，對于鋁合金板材的表面質(zhì)量的要求越來越高，板材的表面粗糙度會發(fā)生傳遞行為，影響最終的涂裝效果。為了滿足涂裝后表面長波、短波以及鮮映性等指標(biāo)，要求鋁材嚴(yán)格控制平均粗糙度、峰密度和波紋度等性能指標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文作者對汽車用鋁合金板材的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的概述，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAE分析、沖壓成型技術(shù)、零部件的連接技術(shù)及涂裝技術(shù)五個方面介紹了輕量化鋁合金板材的應(yīng)用現(xiàn)狀。目前，車身中的鋁合金汽車板的設(shè)計開發(fā)與生產(chǎn)應(yīng)用已得到國家的重視和支持，汽車工業(yè)也已瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平，未來對汽車用鋁合金板材的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)工藝將進(jìn)行更深入的研究開發(fā)：

1)在結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真方面，以拓?fù)鋬?yōu)化分析方法作為研究手段，對汽車用鋁合金板材進(jìn)行正向設(shè)計開發(fā)。

2)在材料成形方面，充分研究鋁合金的材料特性，加大對汽車車身板材用鋁合金的研究力度，完善沖壓模擬精度，提升沖壓件表面質(zhì)量。

3)在材料連接方面，加大對連接設(shè)備及工藝的研發(fā)投入，提升鋁板的連接質(zhì)量、效率，降低連接成本。

4)在零部件涂裝方面，加強環(huán)保型涂裝前處理工藝、免中涂短流程涂裝工藝的研究，實現(xiàn)鋼鋁零部件的混合涂裝和應(yīng)用。