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行多輪次結(jié)構(gòu)優(yōu)化；同時還要進行成形性分析，確定材料的類型和規(guī)格；開展零件試制，并對模具、工藝進行細致優(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行總成；對其進行涂裝處理，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)某些剛度遠遠超過目標要求，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)拓撲優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)拓撲優(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)拓撲優(yōu)化包含優(yōu)化變量、約束響應(yīng)及目標響應(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)板拓撲優(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)過拓撲優(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)板拓撲優(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)板拓撲優(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)動機蓋與拓撲優(yōu)化后的鋁制發(fā)動機蓋分別進行彎曲剛度、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)動機蓋拓撲優(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，說明拓撲優(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。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)計時必須進行穩(wěn)健性分析，確認材料屈服強度、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，鋁屑殘留在模具表面后會對零件表面造成壓傷、劃傷等缺陷，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

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，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行固溶處理，然后快速轉(zhuǎn)移到模具中進行成型淬火，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，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、精準的控制被各大主機廠廣泛認可。 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。焊裝車間進行的膠裝一般先進行預(yù)固化，隨后再隨車身進行整體的磷化、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)， 鋼件先進行磷化，隨后有鈍化工序?qū)︿X合金進行鈍化，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，要求鋁材嚴格控制平均粗糙度、峰密度和波紋度等性能指標。

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)也已瞄準國際先進水平，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，以拓撲優(yōu)化分析方法作為研究手段，對汽車用鋁合金板材進行正向設(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。