轿车车身轻量化及其对连接技术的挑战

本文对汽车车身轻量化的方法、要求和发展趋势进行综述，分析了车身轻量化对连接技术的挑战，并对新型的连接技术进行介绍，旨在对轻量化车身的设计与制造提供有益的借鉴。

1、汽车车身轻量化方法及发展趋势

1.1 汽车车身轻量化的方法

汽车车身轻量化并非是简单地将汽车重量减轻，而是在保证车身的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车车身质量，同时要保证汽车车身的制造成本在合理范围内。目前有以下三种手段。

(1) 使用轻量化结构。即以车身零件的强度和刚度要求为约束，借助 CAE 优化设计方法对零件的结构进行优化设计，通过车身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，以减小车身骨架和车身覆盖件的质量或数量，从而达到车身减重目的。优化汽车的结构设计是实现汽车轻量化的有效途径之一。图 1a 中通过挤压形成的封闭型铝合金空间框架结构(Audi space frame，ASF)、图 1b中通过辊压成形的变截面结构零件以及图 1c 内高压成副车架，都是典型的轻量化结构，在显著减重同时能够有效保证强度和刚度需求。

图 1 典型的轻量化结构

(2) 使用轻量化材料。通过大量使用轻质、高强材料实现车身大幅减重已经成为车身轻量化最为主要的手段。这些材料主要可以分为两类：一类是高强钢材料，包括普通高强钢、先进高强钢(Advanced high strength steel，AHSS)以及超高强钢(Ultra high strength steel，UHSS)。图2a 所示的奥迪 A4(B8)就是通过大量使用高强钢来实现有效减重；另一类是低密度材料，包括铝合金、镁合金、塑料、复合材料等，图 2b 所示的奥迪 A8(D3)全部采用铝合金制造，具有非常显著的减重效果。表 1给出了不同低密度材料替代高密度材料的减重效果，显然通过铝合金替代钢可以获得较好的减重效果，而且成本增加也相对较低。

 

图 2 典型的轻量化车身

表 1 低密度材料替代高密度的减重效果和相对成本比较

(3) 使用轻量化结构材料。即采用特种加工工艺制成的具有轻量化结构特征的车身用毛坯材料，包括激光拼焊板(Tailor welded blank，TWB)和连续变截面轧制板(Tailor rolling blank，TRB)。TWB 即采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，形成冲压用坯料。基于这种技术，工程师可以根据车身各个部位的强度和刚度的需求，像裁缝缝制衣服一样预先“量身定做”所需的拼焊板坯料，然后进行冲压，从而达到节省材料、减轻重量且提高车身零部件性能的目的。TRB 指在板料轧制过程中通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，获得沿轧制方向上按预定的厚度连续变化的坯料板材。如图 3 所示，这样的变截面薄板根据零件的强度需求实现材料厚度的按需分配，经加工后制成的汽车零部件具有更好的承载能力，且能轻量化效果显著。TRB 继承了 TWB根据零件强度和刚度需求变截面的技术，可显著降低车身零件的数量，从而降低车身焊装的复杂性。同时解决了 TWB 焊缝两侧应力突变以及焊缝存在对成形过程和零件表面质量的不良影响。

图 3 TRB 在福特福克斯中的应用

轻量化材料为车身轻量化提供了巨大的潜力，但轻质材料的应用需要新的轻量化结构和工艺做支撑。总而言之，轻量化材料、轻量化结构以及轻量化结构材料三种手段相辅相成，为汽车车身轻量化带来更多的空间和可能。要获得最佳的汽车车身轻量化效果，必须以成本和性能为约束，借助先进的数字化手段，充分发挥三者各自的优势，实现三种方法在车身上的合理化和精细化使用。奥迪的 ASF车身技术，就实现了轻量化材料和轻量化结构的完美结合，使车身刚度提高了 60%，成为全球汽车车身轻量化的典范。

1.2 汽车轻量化技术发展趋势

通过使用轻量化材料来降低汽车自重已经得到汽车工业的普遍关注，成为汽车车身轻量化的主流技术。目前主要有以下 4 种途径。

(1) 高强钢板替代普通钢板。采用高强度钢板代替普通钢板，能使构件厚度减薄，又能保证其使用性能，从而减轻汽车的质量，而且钢铁材料价格便宜、工艺成熟，因此迄今仍然是汽车车身使用最多的材料。1993 年美国克林顿政府的 PNGV 项目就是通过高强度钢替代普通板实现大幅减重。1995年，18 个国家 32 家跨国钢铁生产企业联合提出了“超轻碳钢车身(Ultra light steel auto body，ULSAB)”概念，这种采用高强度钢板制造的车身实现了更薄更轻的结构，使车身减重达25%。目前在汽车中使用的高强钢已经发展到第三代。第一代高强钢具有强度越高延展率越低的特点。全球车企普遍采用的双相钢(Duplex steel，DP)、相变诱发塑性钢(Transformation induced plasticity steel，TRIP)、烘烤硬化钢、热成形硼钢都属于第一代汽车钢；第二代汽车钢通过大量增加合金元素在增加强度的同时提升了钢材的塑性，但是成本较高，限制了其在汽车中的规模应用，代表钢种是孪晶诱发塑性钢(Twinning induced plasticity steel，TWIP)。第三代汽车钢的性能和成本介于第一代和第二代汽车钢之间，强度高、可塑性强，性价比更易被企业接受。目前仍然在开发之中，代表钢种为淬火分配钢。由于成本优势，第一代汽车钢仍然是现阶段汽车用钢的主体。同时，在中国市场，通过高强钢替代普通低碳钢板仍然是汽车车身轻量化最为主要的方式 [8] 。2010年，宝钢与上海汽车集团股份有限公司共同签署了《汽车用钢轻量化战略合作框架协议》，并宣布双方将共同研发、应用汽车用钢轻量化技术，并将汽车轻量化列为上海汽车“十二五”汽车技术发展的一个重要路径。

(2) 轻金属材料替代钢板。铝合金因其密度低、比强度高，在显著减重的同时仍然能够大幅提高车身零部件的刚性。奥迪汽车公司1999年推出的AudiA2 便是世界第一款大批量生产的全铝车身轿车，其采用全铝空间框架结构，平均油耗接近 3 L/100km。2004 年问世的捷豹 XJ8 也是采用全铝车身，其车身刚性比旧款的钢制车身提高了 60%，但质量却减少了 40%。但铝合金由于成本高，目前在市面上销售的全铝车身汽车只有奥迪A8、R8和捷豹等豪华车型。

(3) 复合材料替代钢板。复合材料因为密度低(铝合金的 1/3 左右)、比强度极高、耐撞击、抗断裂韧度好、减振隔音性能好、可设计性好、耐腐蚀等一系列优点，已经得到汽车工业的重视。但由于成本较高以及许多和复合材料使用相关的技术仍然没有解决，现阶段复合材料在汽车上的应用主要集中在豪华跑车和赛车上，如梅赛德斯—奔驰 SLR 跑车就通过高强度的碳纤维复合材料制成的车身来大幅降低整车质量，而在普通乘用车上的使用则主要集中在保险杠等零件上。由于其与金属材料相比具有无与伦比的优点，可以预见复合材料在未来汽车车身材料中将占有越来越重要的地位。

(4) 多材料混合车身结构。如图 4 所示，单纯采用高强钢板虽然具有较大的成本优势，但在现阶段条件下采用高强钢进行车身轻量化的空间已经十分有限。采用轻金属虽然可以获得较好的轻量化效果，但是成本仍然较高。复合材料可以获得最佳的轻量化效果，但是成本极高，无法规模应用。综合考虑成本与轻量化效果，德国学者 HAHN 等提出“多材料轻量化结构”(Mixed material constructions)概念，认为合理的轻量化应该是“合适的材料用在合适的部位”，多材料结构设计将代表今后汽车车身结构的发展趋势

图 4 汽车轻量化的发展趋势

2005 年，欧盟启动了著名的超轻车项目(SuperLIGHT-Car，SLC)。在德国大众汽车公司的主导下，通过 38 家汽车生产厂家、汽车零部件供应厂商、高等院校和研究所 4 年的共同努力，在不显著增加轿车成本的前提下，设计并制造出了减重达35%(101 kg)的超轻 A 级轿车车身。如图 5 所示，为了提高减重的效果，在采用轻量化结构设计的同时，该车身中大量使用了轻金属，尤其是铝合金，并采用了多种连接工艺支撑多材料车身的制造，如弧焊、MIG 焊、电阻点焊、冷金属过渡(Gold metal transfer, CMT)弧焊、自冲铆接、抽芯铆钉、流钻螺钉、搅拌摩擦点焊和胶接等。目前已经有多款量产的多材料车身，如宝马 5/6/7 系车身上铝合金的用量都达到了 18%以上，奥迪TT/TTS Coupe 车身达到 68%，奥迪 TT/TTS Roadster 也达到 58%。通过在全钢车身中逐步引入铝、镁、复合材料等低密度材料，即开发“多材料混合车身”，已经成为全球汽车车身轻量化的必然趋势。

图 5 SLC 轻量化设计结果

2、多材料轻量化车身对连接技术挑战

通过多种材料的混合使用可以有效减轻车身重量，为汽车工业的发展提供更多的机遇。然而，也对车身制造技术，尤其是焊接与连接技术提出巨大挑战。

2.1 电阻点焊工艺

电阻点焊因其高效率、低成本、易于自动化等优点在钢制轿车车身装配中长期占主导地位，一辆典型的钢制车身90%以上装配量由电阻点焊工艺完成 。然而，多材料轻量化车身由于高强钢的大量使用以及铝钢的混合使用，使得传统的电阻点焊技术面临巨大挑战。

2.1.1 先进高强钢的电阻点焊

根据美国达科环球的统计数据，2007 年北美汽车用材中高强钢用量达 44.6%，其预测 2015 年则会高达 68.5%，尤其是双相钢、复相钢(Complex steel，CP)、相变诱发塑性钢、孪生诱发塑性钢等先进高强钢以及烘烤硬化钢将大规模应用于汽车车身。高强钢由于含碳量和合金元素增加，奥氏体稳定性显著增加，在焊点快速冷却过程中不可避免会出现淬硬马氏体，导致接头容易产生界面断裂。同时，由于点焊熔核结晶过程具有较强的方向性，导致接头中容易出现合金元素偏析、结晶裂纹和气孔，使接头综合力学性能变差。采用中频逆变直流焊机精确控制能量输入并配合焊后回火可以改善接头性能，但会降低生产节拍、提高车身制造成本。磁控电阻点焊技术已经证明可以宏观上增大熔核直径、微观上细化晶粒，最终显著提高接头的静态强度和疲劳性能，并改善界面断裂(图6)，但是要应用在实际生产上还有许多技术问题有待解决。

 图 6 电磁搅拌对点焊熔核宏观形貌和微观组织影响

2.1.2 铝—钢的异种电阻点焊

由于轻金属和钢在电导率、热导率、熔点等诸多方面的显著差异(表 2)，以及熔化焊时铝钢连接界面极易形成脆性相，采用传统电阻点焊技术难以实现轻金属与钢的可靠连接。2006 年，Fronius 公司开发了 Deltaspot 电阻点焊工艺用以实现铝钢的异种点焊。如图 7 所示，该工艺通过在铝板侧使用高电阻率的电极带，在钢侧使用低电阻率的电极带，使铝—钢结合面上的铝快速熔化，而钢则保持固态，从而使得铝向钢中扩散形成的脆性相厚度得到控制(小于 4 µm)，实现了铝钢的电阻钎焊。然而，由于铝合金的熔化，接头中铝合金热影响软化比较严重。当焊接热处理强化铝合金时，热影响区强度会损失30%～40%。而对于工作硬化铝合金，由于重结晶，热影响区的强度也会显著降低

图 7 基于 Deltaspot 工艺的铝—钢电阻钎焊

2.2 胶接技术

胶接技术是通过胶粘剂与被连接件之间的化学反应或物理凝固等作用将材料连接在一起的连接技术。胶粘连接以其良好的抗疲劳性、隔音性、减振性在现阶段的车身制造中有着广泛的应用，目前在SGM和SVW所有的车型上都大量使用了胶接技术。捷豹 X350 上用胶量高达 154 m，以显著提高整车的安全性和舒适性。

对于多材料混合车身，由于胶接技术不存在熔化问题，而且可以隔绝异种金属接触从而避免电化学腐蚀，因此具有明显的优越性。然而，多材料车身的胶接却面临前所未有的挑战。在高温烤漆固化的时候，由于铝钢热膨胀系数差异较大，会导致车身结构产生严重变形，并使胶粘接头失效，如图 8所示。陶氏化学已经开发出双组分常温固化胶以解决高温固化引起的大变形，但是这些双组分胶的力学性能要明显低于目前大规模使用的单组分胶，而且在与单组分胶一起使用时存在较大的问题。

2.3 固相连接技术

搅拌摩擦点焊(Friction stir spot welding，FSSW)作为一种固相连接方法，热输入低，可有效控制铝钢结合面金属间化合物形成，在铝钢异种连接方面具有很大优势，其原理如图9所示。2006年Mazda宣称开发出全球第一个基于FSSW的铝钢连接技术。

图 8 铝钢异种金属胶接固化大变形

图 9 摩擦点焊工艺原理

然而迄今该技术仍局限于非承载部件连接。这是因为高强钢的应用使得针对铝合金设计的FSSW 技术面临巨大挑战。

(1) FSSW 工艺会产生一个与搅拌针形状一致的工艺凹孔(图 10)，该孔会大大降低接头承载面积，从而削弱接头力学性能。通过金属回填可以消除工艺孔，但需要复杂的控制系统和较长的工艺时间，难以满足汽车车身的高生产节拍要求。

图 10 搅拌摩擦点焊残留工艺孔

(2) 高强钢变形困难，需更多的热量来软化金属，因此需要更多的工艺时间以产生更多的摩擦热。

(3) 与铝合金相比，高强钢热导率很低，摩擦热很难通过钢板快速散出去，导致搅拌针温度很高，在高速摩擦中容易发生磨损失效。对于钢，符合要求的搅拌头材料往往是难熔金属合金或者结构陶瓷，但价格极其昂贵，无法规模应用于汽车工业。

2.4 机械连接技术

无铆钉铆接和自冲铆接是汽车车身中应用最为广泛的两种机械冷连接技术，它们不需要预冲孔便可实现汽车板的连接，而且对连接对象的表面清洁度和氧化层不敏感，同时具有电阻点焊技术的高效率和易于自动化等特点。

2.4.1 无铆钉铆接

无铆钉连接(Clinching)技术，又叫“冲压铆接”，1897 年由德国人发明。如图 11 所示，无铆钉连接是利用板件本身的冷变形能力，对板件进行压力加工，使板件产生局部变形而将板件连接在一起的机械连接技术。目前国际上提供该工艺装备的公司主要为德国的TOX和美国的BTM(注册商标为Tog-L-Loc)。因为成本低的优势，无铆钉铆接工艺已经在国外汽车工业中普遍应用。国内 SVW的途安、波罗、斯柯达明睿、斯柯达晶睿，以及 SGM的爱维欧、科鲁兹、别克英朗、迈瑞宝、君越、君威都采用了 TOX 的技术与装备。

图 11 无铆钉铆接工艺过程示意图

如图 12 所示，无铆钉铆接主要有直壁整体下模和分体下模两种形式。其中前者的模具是一个整体，模具结构简单。后者模具结构相对复杂，模具中存在活动部分，在连接时下模在金属的作用下向侧面滑开，使金属材料能够充分从而形成塑性镶嵌，所以其强度也较高。无铆钉铆接接头强度是由颈厚值和嵌入量决定的，颈厚值决定抗剪强度，嵌入量则决定剥离强度，同时接头底厚对强度也有重要影响。但总体而言，无铆钉铆接接头的剥离强度和疲劳强度都比较低，所以通常只用在发动机罩、行李箱盖等非承载部位。

图 12 典型的无铆钉连接形式

2.4.2 自冲铆接

1985 年基恩·琼斯在英国创建 Henrob 公司，研发和生产出世界上第一套自冲铆接(Self-piercingriveting，SPR)设备。此后，美国 EMHART 公司与德国 BOLLHOFF 公司也相继开发出了自冲铆接设备。Henrob 公司作为行业的领导者，在全世界范围内有超过 5 300 套设备在运行，其在欧洲市场占有率高达 70%，中国目前有 60 多套。如图 13 所示，自冲铆接是通过半空心铆钉刺穿上层板并与下层板之间通过塑性大变形形成机械自锁来实现。要形成一个合格的自冲铆接接头，必须遵循三个基本原则。

(1) 铆钉腿部在驱动杆的推动下刺穿上层板材，否则无法与下层板之间形成自锁。

(2) 铆钉腿部要在下层板中呈喇叭形张开，以使下层板能够勾住张开的铆钉腿，从而形成机械自锁。在外观满足要求的情况下，接头强度可通过图13b 所示的底切量大小来衡量。

(3) 下层钢板不能被穿透，以保证接头具有良好的气密性和抗腐蚀能力。

图 13 自冲铆接工艺过程及其接头

目前，自冲铆接方法已广泛应用于奥迪、宝马、捷豹、沃尔沃、通用、福特和戴姆勒—克莱斯勒等公司铝合金合身的制造，接头疲劳强度可达电阻点焊的 2 倍 [18] 。国内在自冲铆接方面研究起步较晚，近几年天津大学 [19] 、华东交通大学 [20] 以及清华大学 [21]等围绕铝合金做了大量的理论和试验研究。上海交通大学 [22-24] 针对铝钢异种连接研究了凹模、铆钉尺寸等工艺要素对铝—钢自冲铆接质量的影响规律。总而言之，SPR 由于没有热输入，已经成为最具潜力的多材料车身连接方法。然而，高强钢的引入使得 SPR 工艺面临巨大挑战。

(1) 如图 14 所示，高强钢变形困难，从钢铆向铝时铆钉内会形成空腔，而从铝铆向钢时，铆钉腿部难以使下层钢板产生足够塑性变形以形成自锁。由于高强钢延展率低，容易出现铆穿缺陷。另外，铆钉也容易因强度不足发生墩粗甚至开裂。通过预热可明显改善高强钢铆接性能，但难以应用于生产。

(2) 铆枪需要承受更大的铆接力，容易产生变形，难以保证铆钉和凹模的同轴度，导致接头质量稳定性降低。

来源焉知汽车轻量化