【技术热点】铝制车门嫌贵？采用激光拼焊板试试看

热成形产业联盟 2023年11月21日浏览：1421

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在车辆工程领域，材料选择不是静态的工作。今天决定的一种方案可能很快就被下一个取代。从不同方面来说，这个有非常好的一面也有消极的一面。材料制造商一直在创新工艺并将可靠的解决方案提供给市场，供整车制造商从中选择。整车企业需要这些，因为他们要设计一辆有竞争力的车辆兼顾的所有属性，从其动力总成到空气动力学、车辆能效和造型，将数以万计的零部件集成到一辆汽车中以确保其最佳性能，这可是一项了不起的工作。但这项工作还要与市场、销售和售后服务相结合后，才能实现为股东盈利。降低成本一直在进行，尤其是对供应商和制造车间改动最小的条件下。为了减少整车的零部件数量和制造成本，位于美国密歇根州门罗市的TWB公司开发的拼焊板可以满足汽车工业最严苛的要求。

这家公司在2014年开发了拼焊板用于若干个车身覆盖件，例如机舱盖、翼子板、门以及整个侧围。随着不断关注汽车轻量化和可持续性，TWB相信开发铝合金拼焊板能够实现减少车身重量、降低模具工装成本从而大大降低单车成本。为了发掘铝合金拼焊板在整车设计中的潜力，本文将介绍由TWB为日产Roger。

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日产Rogue SUV车型

拼焊板

拼焊板是广泛用于汽车制造冲压工艺中的钣金产品，由几个独立且不同厚度、强度和涂层的料片通过焊接而成的一个整体。最后而成的整体薄板将是一面会比另一面更厚，从而获得精确成形和合格机械性能的零件用于设计的部位。这个工艺可以为获得最佳经济效益而订制零件。

对于铝合金拼焊板，TWB正对6000系列铝合金的大批量加工采用搅拌摩擦焊工艺（一种正在流行的焊接工艺）。搅拌摩擦焊工艺可以实现最薄1mm板，最快6m/min的焊接速度。这个工艺可以应用于曲线焊接以及将各种常见的车用铝合金板和混合合金板进行连接。

这家公司也使用激光焊接5000系列铝合金板。根据合金成分、厚度和应用的不同而采用激光焊或者搅拌摩擦焊接来拼焊产品。这种拼焊板既可以加工平板料片，也可以是料卷。

“拼焊板料可以在一张板料上获得不同厚度，给予设计更大的自由度实现所需要的刚性和强度。”TWB新产品开发部门的产品工程师Saambavi Karunakaran介绍，“从设计端开始考虑这项技术减少了前期的投资成本以及生产周期。相比单一料片可减少废料率而无任何性能折损。通过优化尺寸、等级和板料外形提高材料的利用率以满足其高性能。拼焊板的其它优势还包括规模化的零件整合和减少装配带来的成本降低。

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日产Rogue的车门包含铝板件（75%），铝挤压件（17%）和钢（8%）和塑料件（0.04%）

在2022年秋天密西根利沃尼亚市召开的国际汽车车身大会上，产品工程师Saambavi Karunakara以日产Rogue SUV作为对比基准，展示了让人眼前一亮的前车门概念。目前Rogue的门内板（是指内层冲压面板）是由3片不同料厚的6022铝合金组成，占门内板的75%（图二）。该设计包含了铝挤压件和钢制铰链，以及很少数量的塑料件。目前的车门设计是将相邻部件的边缘重叠并铆接在一起。

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基准门内板（左图）由三个铝合金板冲压后铆接成整体，转变成拼焊一体式门板（右图）

在获得拼焊设计概念满足结构和模态分析标准的结果后，TWB团队对设计的制造工艺转化进行了CAE分析。目的是尽可能使用CAE的分析能力给负责冲压的合作伙伴提供获得成形性能好且没有褶皱的冲压件的方案。为确保获得成形性能好且没有褶皱的冲压件需要从焊缝的设计出发，在12mm宽的区域内采用搅拌摩擦焊进行加工。

成本和减重

从展示的方案看，拼焊的方案在减重、模具工装成本以及单件成本方面均优于基准设计。拼焊方案的能节省22%的铝材用量，一年供节省610吨铝材。根据美国环保署公布的每公斤铝产生1.9公斤CO2的数据计算，整个方案全年可以降低1160吨CO2排放。

通过把多个零件整合在一起的设计，量产的单车可减重0.26公斤（前门），比基准更符合轻量化工程。此外，根据不同材料等级以及设计更改，单车前门内板成本可节省4-6美元。拼焊方案也省去了若干套模具和装配工装，节省大约72,000美元的投入。

综合所有让人头痛的各种因素例如通胀和供应链等制约等，拼焊方案最大的收获是单车成本的降低，特别是仅前车门就贡献了5美元/车的成本降低。将此方案再应用在后车门，计算产生的减重和工装模具的节省，这个案例将非常让人注目了。

未来车门

车用铝材期刊（Alumobility）研究了铝制车门与钢制车门的对比，并提出了几种在可接受成本条件下的轻量化材料方案。TWB的这项研究提供了铝制车门成本和减重的另一种方案。然而市场并没有停滞，整车制造商面临的从通货膨胀到电动汽车电池材料成本的过度上涨等外部成本压力————使其在钢铝不同材料选择之间出现犹豫。铝材行业必须控制它所能控制的，就像激光一样专注于客户的需求并提供有价值的创新。TWB团队为降低材料利用的成本方面做了很好的工作，这使更多的铝制车门和车身成为可能。