汽車輕量化材料在檢測維修中的應(yīng)用與性能分析

關(guān)鍵詞：汽車輕量化材料；鋁合金；鎂合金；維修

中圖分類號：U472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

20世紀(jì)80年代，受發(fā)達(dá)國家的影響，我國也積極投入到節(jié)能減排的實(shí)踐研究中，截至目前，我國在汽車輕量化技術(shù)方面的研究已經(jīng)取得了可觀的成果。

新型輕量化技術(shù)并不一味降低汽車重量，而是針對尾氣污染這一不容忽視的難題，為汽車工業(yè)提供輕量化設(shè)計(jì)，既保證汽車強(qiáng)度和安全性能，又合理提高汽車動力，降低油耗。由于輕量化材料具備抗腐蝕性、強(qiáng)導(dǎo)熱性等傳統(tǒng)金屬材料沒有的優(yōu)點(diǎn)，汽車工業(yè)領(lǐng)域在對輕量化材料檢測維修時，往往不能使用普通的焊接工藝技術(shù)。為了更好地保證檢測維修質(zhì)量，現(xiàn)提出輕量化材料在檢測維修中的應(yīng)用與性能分析。

1 輕量化材料

輕量化材料[1]，即能夠在保證乘客駕駛安全和車輛剛度、強(qiáng)度的前提下，最大限度降低汽車自重的材料。根據(jù)材質(zhì)差異，常見的輕量化材料被分為高強(qiáng)度、低密度兩種類型。其中，高強(qiáng)度材料包括高強(qiáng)度鋼板；低密度材料包括鋁合金、鎂合金等?，F(xiàn)階段，鋁合金[2]、鎂合金[3]、碳纖維復(fù)合材料依靠重量輕、成本低、減震強(qiáng)等優(yōu)勢，在車身中應(yīng)用最為廣泛。

1.1 鋁合金

碳鋼作為堅(jiān)固耐用的汽車用鋼，在傳統(tǒng)汽車工業(yè)中擔(dān)任重要角色。相較于碳鋼，未經(jīng)優(yōu)化的鋁合金雖然密度僅有其1/3，能顯著降低車重，但鋁合金的強(qiáng)度、剛度都落后于碳鋼。為了使行駛狀態(tài)下的汽車在任意方向上產(chǎn)生的各種力的大小和作用方式都能夠滿足輕量化要求，研究人員增強(qiáng)鋁合金厚度，提高鋁合金強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而提升汽車機(jī)械力學(xué)性能，有效減少污染排放。

1.2 鎂合金在對比鋼鐵材料

時表現(xiàn)出30%-60% 的減重優(yōu)勢，鎂合金在所有汽車結(jié)構(gòu)材料中，不僅輕量化效果理想，而且抗沖擊能力極強(qiáng)，常被應(yīng)用于殼體類、支架類車載零件上，輔助汽車消除行駛途中由于顛簸所產(chǎn)生的震動。作為金屬化學(xué)元素中最輕的元素，鎂在結(jié)合其他元素組成合金后，仍具備低密度、高強(qiáng)度、高沖擊載荷等特點(diǎn)，可以使已配備鋁合金的汽車在原始基礎(chǔ)上進(jìn)一步減重30%，全面提高公路貨運(yùn)車輛的經(jīng)濟(jì)效能。

1.3 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料[4] 簡稱CFRP，因具備低密度、高強(qiáng)度、高抗沖擊能力等優(yōu)點(diǎn)，被汽車工業(yè)廣泛應(yīng)用于輪胎減重。CFRP 不僅可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，減重效果好，而且有助于降低汽車油耗，在節(jié)油降低生產(chǎn)成本、調(diào)節(jié)載荷受力情況來減少車禍?zhǔn)鹿适軅蔬@兩方面，表現(xiàn)卓越。

2 汽車輕量化材料在檢測維修中的應(yīng)用

2.1 鋁合金在檢測維修中的應(yīng)用

科技發(fā)展使汽車工業(yè)對鋁合金鑄件的性能要求愈發(fā)嚴(yán)苛，普通的焊接工藝技術(shù)已無法滿足鋁合金鑄件在應(yīng)用量龐大的工業(yè)企業(yè)中的生產(chǎn)要求。考慮到焊接工藝水平直接決定鋁合金質(zhì)量，而鋁合金過薄的外壁對焊接工藝而言極具挑戰(zhàn)性，因此在實(shí)際操作過程中，想要獲得高質(zhì)量鋁合金，必須采用高水平焊接工藝檢測、維修鋁合金，以保證焊接過程不產(chǎn)生威脅工程質(zhì)量的氣孔。

2.1.1 檢測

氣孔[5] 是導(dǎo)致鋁合金裂紋、降低鋁制品可靠性的元兇，嚴(yán)重時可能降低鋁合金組織密度，進(jìn)而降低汽車力學(xué)性能。焊接工藝水平低下，易導(dǎo)致焊縫接頭位置和收弧位置出現(xiàn)氣孔。從本質(zhì)上來說，由焊接所產(chǎn)生的高溫會協(xié)助氫溶解于液態(tài)鋁，而焊接暫停，持續(xù)降低的溫度使氫無法再以溶解形式存在于鋁制品中，鋁合金表面就會析出大量氫氣，并在短時間內(nèi)混合其他氣體形成附著在焊接體表面的氣孔。

X 射線技術(shù)通過向鋁合金釋放一種高能量短頻電磁波，分析該輕量化材料的微觀結(jié)構(gòu)，了解其表面吸收和散射的X 射線，從而檢測鋁合金材料氣孔缺陷。目前，XDR-AZ1600 型、XDRAZ350型X 射線檢測設(shè)備受到汽車工業(yè)制造領(lǐng)域的普遍歡迎。它們以X 射線在氣孔處的散射和吸收為基礎(chǔ)繪制圖像，不僅能準(zhǔn)確判定氣孔數(shù)量、大小和位置，還能在檢測途中依據(jù)輕量化材料工況0eVjeSCp7fogZnT9mzQ2yfnGsTxNsE8QVd0lRuvEV3s=選擇適配的X 射線源，盡可能優(yōu)化檢測參數(shù)，提高圖像分辨率。鋁合金氣孔檢測效果如圖1 所示[7]。

2.1.2 維修

針對已經(jīng)產(chǎn)生的氣孔，最好的優(yōu)化方案是在鋁合金表面對應(yīng)部位增加單獨(dú)的澆注通道，并向其中澆注足以去除觀察窗冷鐵的高溫金屬液。金屬液溫度一般控制在590 ～ 600 ℃。伴隨澆注，由焊接不良所產(chǎn)生的混合氣體被順利排出。跟蹤氣體滯留區(qū)域及四周，可以發(fā)現(xiàn)鋁合金鑄件氣孔出現(xiàn)的比例穩(wěn)步降低，直至為零。

2.1.3 性能分析

現(xiàn)以某單位鋁合金精密鑄件為例，采用市面上常用的XDRAZ1600型X 射線檢測設(shè)備檢測其內(nèi)部氣孔缺陷，并利用高溫金屬液澆注維修，分析鋁合金在檢測維修中的性能。

經(jīng)X 射線源穿透檢測，參與分析的鋁合金鑄件存在裂紋、孔洞、等缺陷。對鑄件不合格的鋁合金展開維修，并對比澆注前鋁合金表面壓縮氣體量和澆注后發(fā)氣量，以此評估氣孔缺陷維修效果。對比澆注前鋁合金表面壓縮氣體量和澆注后發(fā)氣量可以發(fā)現(xiàn)，二者在不同溫度下的氣體體積趨近于相等，說明增加澆注通道并向其中澆注高溫金屬液能有效改善鋁合金表面氣孔缺陷。

上述內(nèi)容對鋁合金這一輕量化材料的氣孔檢測和鑄件維修進(jìn)行了性能分析和工藝驗(yàn)證，有利于提高鑄件合格率，推進(jìn)汽車工業(yè)發(fā)展。

2.2 鎂合金在檢測維修中的應(yīng)用

作為兼具低密度、高強(qiáng)度、高剛度、低質(zhì)量的金屬材料，鎂合金在汽車工業(yè)領(lǐng)域所占比重隨著科學(xué)研究的深入愈發(fā)增大。但即便以鎂合金為核心的各種零部件逐漸遍及汽車工業(yè)領(lǐng)域，其自身較差的塑性變形能力依舊使鎂合金相關(guān)零件在不同溫度、不同應(yīng)變速率下的應(yīng)用推廣受到約束和限制，這種與汽車機(jī)械力學(xué)相悖的鎂合金變形機(jī)制引起了研究人員的關(guān)注，鎂合金在高速沖壓下的熱壓縮變形行為[6] 也成為汽車工業(yè)領(lǐng)域的熱門話題。

2.2.1 檢測

金相顯微鏡分析法能夠檢測鎂合金鑄件經(jīng)歷高速沖擊被擠壓后所形成的織構(gòu)，該方法包含四個步驟，即鑲嵌、研磨、腐蝕和組織觀察。

（1）鑲嵌：從微觀角度來看，鑲嵌是對鎂合金縱坐標(biāo)方向的高速沖擊壓縮形變進(jìn)行觀察。切割機(jī)沿鎂合金鑄件發(fā)生壓縮形變的垂直方向切割小塊檢驗(yàn)樣本，并對其冷鑲處理。

（2）研磨：利用625目金相砂紙粗磨提前冷鑲好的檢驗(yàn)樣本，直至結(jié)合環(huán)氧樹脂和聚乙胺的鑲嵌料無多余邊角，用1 500 目的金相砂紙沿順時針方向細(xì)磨，直至檢驗(yàn)樣本無肉眼可見的劃痕。（3）腐蝕：經(jīng)過粗磨、細(xì)磨雙重拋光的檢驗(yàn)樣本呈鏡面狀。將其沒入苦味酸腐蝕劑中持續(xù)浸泡20 s，隨機(jī)用鑷子夾出放置在干燥器皿中自然風(fēng)干。

（4）組織觀察：調(diào)節(jié)ZEISS 金相顯微鏡至合適螺旋、合適倍數(shù)，細(xì)致觀察鎂合金在不同變形條件下的組織特點(diǎn)和組織組成物。

2.2.2 維修

鎂合金的變形修復(fù)過程就是鎂合金的晶粒細(xì)化過程。動態(tài)再結(jié)晶可以通過熱變形、擠壓、鍛造等能夠顯著改變鎂合金力學(xué)性能的手段，重塑不同變形條件下的鎂合金強(qiáng)度，消除高速沖壓下的鎂合金缺陷。在諸多改變鎂合金力學(xué)性能的手段中，熱變形最貼近鎂合金的成形方式。為了最大程度恢復(fù)鎂合金強(qiáng)度，獲得較為理想的微觀組織，動態(tài)再結(jié)合在低溫低速下，通過阻礙位錯運(yùn)動弱化織構(gòu)，使鎂合金細(xì)化從而獲得擁有6/8NbmyWZ3Jw+UgKTWGjkYd6S37wbT6Ylpl4ATv1Rus=最佳力學(xué)性能的輕量化鑄件。

2.2.3 性能分析

采用霍普金森壓桿設(shè)備模擬鎂合金高速沖擊過程，獲取不同應(yīng)變速率下鎂合金鑄件的基本變形數(shù)據(jù)。擠壓態(tài)鎂合金試樣宏觀照片如圖2 所示[8]。

采用金相顯微鏡觀察鎂合金試樣微觀組織，其微觀掃描圖如圖3所示[8]。

由圖2、圖3 可見，經(jīng)歷高速沖擊的鎂合金試樣，大部分晶粒出現(xiàn)孿晶，說明施加外力后，相互截交的晶體被破壞，出現(xiàn)明顯的滑移變形。

采用動態(tài)再結(jié)晶修復(fù)鎂合金試樣，觀察動態(tài)再結(jié)晶消除高速沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力變形的效果。鎂合金試樣在原始狀態(tài)下、高速沖壓后、動態(tài)再結(jié)晶后的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖4 所示。

由圖4 可見，動態(tài)再結(jié)晶后鎂合金試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變表現(xiàn)接近原始狀態(tài)下鎂合金試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變表現(xiàn)，說明動態(tài)再結(jié)晶對恢復(fù)鎂合金變形情況的確有效。

上述內(nèi)容對鎂合金這一輕量化材料的變形檢測和鑄件維修進(jìn)行了性能分析和工藝驗(yàn)證，有利于擴(kuò)展鎂合金這一類輕量化環(huán)保材料在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

在我國汽車工業(yè)飛速發(fā)展的現(xiàn)代化背景下，汽車零部件檢具工裝輕量化成為業(yè)界最受歡迎的研究課題之一。針對汽車輕量化設(shè)計(jì)問題，傳統(tǒng)方法一味降低車輛自重，極易違背節(jié)約能源的初衷，導(dǎo)致汽車安全隱患。為了在降低汽車油耗的同時，優(yōu)化汽車動力性能，提升乘客駕駛體驗(yàn)，降低汽車整備質(zhì)量，汽車輕量化研究不斷進(jìn)步，為汽車行業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，也為環(huán)保事業(yè)做出積極貢獻(xiàn)。隨著汽車輕量化技術(shù)的逐漸成熟，由汽車輕量化材料所引發(fā)的檢測維修問題也受到研究人員的矚目。本文通過論述，闡述了如何在保證汽車輕量化效果的同時，更好地檢測維修輕量化材料，為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者簡介：任建民，本科，工程師，研究方向?yàn)槠嚈z測維修與運(yùn)用。