新能源汽車鋁合金輕量化及其連接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

摘 "要：隨著我國“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的提出，汽車作為交通工具中最主要的碳排放來源，實現(xiàn)汽車全生命周期的低碳發(fā)展越來越迫切。新能源汽車輕量化發(fā)展能有效降低能源消耗，助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。該文綜述新能源汽車鋁合金輕量化的優(yōu)勢及鋁合金在新能源汽車輕量化的應用現(xiàn)狀，并根據(jù)鋁合金與同種材質(zhì)和異種材質(zhì)的連接特點，分別闡述鋁合金的熱連接技術(shù)和冷連接技術(shù)的工藝特點及相應的應用場合，為日后新能源汽車鋁合金輕量化發(fā)展提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鋁合金；輕量化；連接技術(shù)；工藝參數(shù)

中圖分類號：U465.2 文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0155-04

Abstract： With the proposal of the strategy of \"carbon peak and carbon neutralization\" in China， as the most important source of carbon emissions in vehicles， it is more and more urgent to achieve low-carbon development in the whole life cycle of vehicles. The lightweight development of new energy vehicles can effectively reduce energy consumption and help to achieve the goal of \"double carbon\". This paper summarizes the advantages of aluminum alloy lightweight of new energy vehicles and the application status of aluminum alloy in new energy vehicles， and according to the connection characteristics of aluminum alloy with the same material and different materials， the process characteristics and corresponding applications of hot bonding technology and cold bonding technology of aluminum alloy are described respectively， so as to provide reference for the lightweight development of aluminum alloy for new energy vehicles in the future.

Keywords： new energy vehicle; aluminum alloy; lightweight; connection technology; process parameters

據(jù)世界氣象組織發(fā)布的《2022年全球氣候狀況》臨時報告，隨著人類生產(chǎn)生活中的碳排放，近幾年溫室氣體濃度不斷上升，全球變暖加速持續(xù)，當前氣候問題愈發(fā)嚴峻，各種極端氣候問題凸顯，構(gòu)建人類、自然命運共同體迫在眉睫。

汽車是交通工具中最主要的碳排放來源。中國汽車技術(shù)研究中心估算，目前汽車的碳排放占全社會碳排放的7.5％左右，占我國交通領(lǐng)域碳排放的80％以上[1]。由于汽車碳排放主要來源于化石燃料，而新能源汽車主要走純電技術(shù)、插電混動、增程式技術(shù)和燃料電池技術(shù)等低碳路線，在汽車行駛過程中不排放或少排放二氧化碳，因此，汽車向新能源化的轉(zhuǎn)型升級是推進節(jié)能減排的關(guān)鍵，更是實現(xiàn)國家“碳達峰、碳中和”雙碳戰(zhàn)略的重要舉措。據(jù)工信部公布，2022年全國新能源汽車銷量達到688.7萬輛，新能源市場規(guī)模不斷擴大。隨著新能源汽車保有量的增加，以及汽車輕量化帶來的能耗節(jié)約、續(xù)航里程增加，新能源汽車輕量化的發(fā)展勢頭強勁。而鋁合金具有低密度、高延展性，良好的鑄造性能，耐腐蝕性等特點，使其成為汽車輕量化主要材料之一。隨著鋁合金材料在新能源汽車中的應用，如何實現(xiàn)鋁合金與同種或異種材料之間的高質(zhì)量連接成為影響新能源汽車品質(zhì)的重要因素。

1 "新能源汽車鋁合金輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 "新能源汽車輕量化發(fā)展的背景

1.1.1 "新能源汽車輕量化的技術(shù)途徑

目前新能源汽車輕量化的技術(shù)途徑主要有3種[2]：①材料輕量化，主要采用高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料等；②結(jié)構(gòu)輕量化，主要進行尺寸形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等；③工藝輕量化，主要采用先進制造工藝如液壓成形工藝、激光拼接成形工藝等。

1.1.2 "新能源汽車鋁合金材料輕量化的優(yōu)勢[3]

目前輕量化材料中，鋁合金相比高強度鋼而言，其強度高，能最大程度降低車身重量，減重效果好，且耐腐蝕性強，回收難度低，回收利用率高，具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢，能實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中鋁資源的回收再利用；相比鎂合金，鋁合金強度更高，更容易加工，且目前的鎂合金主要以Mg-Al合金為主，新能源汽車直接使用鋁合金價格更低；相比鈦合金，由于鋁合金對加工工藝參數(shù)敏感性要求相對較低，鋁合金的應用更具成本優(yōu)勢；相比塑料、碳纖維等復合材料，由于目前對復合材料的實際研發(fā)應用水平低，無法實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，鋁合金更具備大規(guī)模應用前景。因此，鋁合金成為目前新能源汽車的首選輕量化材料，在保證新能源汽車質(zhì)量、安全性、經(jīng)濟性的同時，降低整車的重量，增加車輛續(xù)航里程。

1.2 "新能源汽車鋁合金輕量化發(fā)展的背景

1.2.1 "新能源汽車用鋁合金的成形技術(shù)

新能源汽車用鋁合金的成形技術(shù)以鑄造成形技術(shù)及半固體成形技術(shù)為主[4]，除此之外還有擠壓成形、鍛造成形等。鑄造成形技術(shù)是新能源用鋁合金最主要的成形技術(shù)，包括壓力鑄造、擠壓鑄造、精密鑄造等。其中壓鑄成形技術(shù)成形的鋁制品報廢率低，成形尺寸精度高，成形質(zhì)量好，應用最廣。而半固體成形技術(shù)是一種新型成形技術(shù)，當鋁合金處于固態(tài)和液態(tài)之間的半溶狀態(tài)時，能獲得較好的填充，對其進行相應的成形時，能提高成形的精度，從而獲得更好的成形效果。但該技術(shù)尚未得到成熟應用，無法大批量生產(chǎn)鋁合金制品。

1.2.2 "新能源汽車輕量化中的鋁合金分類

新能源汽車用鋁合金主要分為鑄造鋁合金、變形鋁合金、泡沫鋁材和鋁基復合材料等。鑄造鋁合金的成形質(zhì)量穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)，汽車中77%的鋁制品為鑄造鋁合金。由于其采用鑄造的形式進行成形，因此在如輪轂、制動盤等復雜的新能源汽車構(gòu)件中應用較廣。變形鋁合金強度、塑性高，組織緊密，成分均勻，可劃分為以純鋁或Al-Si系合金為代表的不可熱處理變形鋁和以Al-Mg-Si系合金為代表的可熱處理變形鋁2類，廣泛應用于如車門、保險杠、熱交換器等新能源汽車構(gòu)件中。泡沫鋁材作為多孔材料，由于其金屬基體中存在氣泡，吸震性、阻尼性好，用于新能源汽車一些支撐性構(gòu)件中，能提高相應構(gòu)件的碰撞安全性。鋁基復合材料相比非增強金屬，其具有更輕的重量，卓越的耐磨性，適用于惡劣工況，應用于高壓電池系統(tǒng)中的組件等。

1.3 "新能源汽車輕量化的鋁合金應用場景

新能源汽車主要由電力驅(qū)動系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)3部分組成，鋁合金在新能源汽車車身、底盤、電池箱等都得到了廣泛應用。

1.3.1 "新能源汽車車身的輕量化應用[5-6]

新能源汽車中，車身占汽車自重的比例較大，通過車身鋁合金材料的應用在實現(xiàn)汽車減重的同時能提高續(xù)航里程。新能源汽車車身鋁合金板材主要以6系鋁合金材質(zhì)為主，如6014、6016等。6系鋁合金具有優(yōu)良的成形性、包邊性能、漆刷性、烘烤性，不容易在車身表面形成無法消除的波紋等優(yōu)點，從而在車身外覆蓋件方面得到廣泛應用，如蔚來、特斯拉的全鋁車身。而5系鋁合金成形性能優(yōu)良，易于成形復雜零部件，是新能源汽車結(jié)構(gòu)件、內(nèi)覆蓋件的首選材料，如路虎發(fā)現(xiàn)者4的5系鋁合金后背門內(nèi)板，奔馳S級的5系鋁合金車門內(nèi)板，長城VV7的機蓋外板。但5系材料在成形過程中容易出現(xiàn)形紋，因此在成形過程中需加以控制。除此之外，隨著新能源車車身鋁化率增加，需要加大在鋁合金成形工藝、維修等方面的車身應用研究，降低鋁合金車身的制造成本，從而在低端新能源汽車上也能普及鋁合金車身。

1.3.2 "新能源汽車底盤的輕量化應用

汽車底盤主要由傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等4部分組成。新能源汽車相對傳統(tǒng)汽車，其傳動系統(tǒng)發(fā)生變化，從原來的依靠發(fā)動機進行傳動到以單電機傳動、主電機+輪轂電機傳動、雙電機雙軸傳動等3種方案進行傳動。除此之外，新能源汽車的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)也發(fā)生變化，由于新能源汽車取消發(fā)動機，相應的由原來的液壓助力轉(zhuǎn)向變更為電動助力轉(zhuǎn)向，液壓真空助力泵變更為電動真空助力泵[7]。因此新能源汽車相對于傳統(tǒng)的汽車底盤，其底盤的作用基本相同，區(qū)別在于支撐及安裝發(fā)動機的位置變動成為支撐及安裝以電池模塊單元為主的電機動力總成。當前汽車底盤材料主要以TRIP鋼為主，因此，在新能源汽車底盤設(shè)計過程中可以選擇鋁合金來代替TRIP鋼質(zhì)材料從而達到汽車輕量化的設(shè)計。目前，鋁合金鑄件YL118、ZL119、ZL120等在汽車底盤中也得到了很好的應用[8]。如美國福特汽車公司將鋁合金應用于汽車制動盤，凱迪拉克、路虎等將鋁合金應用于汽車懸掛系統(tǒng)，蔚來汽車采用高真空壓鑄工藝制得了鋁合金減震塔。

1.3.3 "新能源汽車電池托盤的輕量化應用

相對傳統(tǒng)燃油車，動力電池是新能源汽車獨有的動力系統(tǒng)部件。而在新能源汽車中，動力電池約占整車質(zhì)量的30%，其中電池盒的重量就占動力電池重量的約20%，因此實現(xiàn)動力電池的電池盒輕量化發(fā)展是大勢所趨。鋁合金材料密度小、散熱性好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、壓鑄性好的優(yōu)勢，使其成為電池盒材料應用的主流方向。目前新能源汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)主要由上箱蓋、電池托盤、下殼體組成。作為電池包的承載部件，電池包下箱體的結(jié)構(gòu)及布局是否合理直接關(guān)乎電池包壽命。因此，下箱體鋁合金型材結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了在沖壓過程中考慮輕量化適度減薄還需要考慮新能源汽車行駛過程中路面的復雜性及可能存在的多樣化碰撞形式，對相應區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，適當增加加強筋，提高箱體剛度，有效避免沖擊變形。如特斯拉、比亞迪、寧德時代、蔚來等都已生產(chǎn)出相應的鋁質(zhì)電池箱，在實現(xiàn)電池箱高強度的同時，達到輕量化的目標[9]。

2 "新能源汽車鋁合金連接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

汽車傳統(tǒng)的連接方式是氣體保護焊和電阻點焊，但是隨著新能源汽車鋁合金的輕量化發(fā)展，以及為了解決汽車輕量化和高性能間的矛盾，因此鋁合金等輕質(zhì)合金結(jié)合復合材料成為新能源汽車輕量化發(fā)展的趨勢，而這對制造過程中的連接方式提出了較高的要求。

2.1 "新能源汽車鋁合金連接面臨的問題

鋁合金在焊接過程中，容易氧化，形成致密的氧化膜，阻礙母材的熔化及熔合，產(chǎn)生的雜質(zhì)和氣體不易排除，影響成形質(zhì)量；且鋁合金在焊接過程中會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，會降低連接強度。并且在焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、裂紋，焊接部位會出現(xiàn)變形等問題。此外，鋁合金與異種金屬之間焊接時，如鋁合金和鋼的連接，鋁和鋼的熱物理性能存在較大的差異，鋼的熔點在1 537 ℃，鋁合金的熔點在660 ℃，2種金屬的熔點相差很大，在相同熱源強度下，鋁合金和鋼很難同時熔化。此外，鋁合金和鋼的線膨脹系數(shù)也相差較大，在焊接過程中容易在連接處產(chǎn)生殘余應力，從而容易在連接處形成裂紋[10-11]。

2.2 "新能源汽車鋁合金連接技術(shù)類型

目前新能源汽車鋁合金輕量化連接技術(shù)主要有熱連接工藝和冷連接工藝2類，其中熱連接工藝主要為電極帶式電阻點焊技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光-電弧復合焊接技術(shù)、攪拌摩擦焊接技術(shù)和冷金屬過渡焊接技術(shù)，冷連接工藝主要為自穿刺鉚接技術(shù)、熱熔自攻釘鉚接技術(shù)、無鉚自沖鉚接技術(shù)、結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)技術(shù)[12-15]。

2.2.1 "新能源汽車鋁合金電極帶式電阻點焊技術(shù)

電極帶式電阻點焊技術(shù)通過對電極進行改造，在工件和電極之間加入電極帶，焊接時，將被焊工件放入兩電極間并壓緊，同時通大電流，在接頭接觸和鄰近的區(qū)域產(chǎn)生電阻熱，從而形成焊點。在一個焊點完成后，電極帶自動轉(zhuǎn)動完成更新，解決了鋁合金焊接時電極被污染的難題。其具有焊接速度快，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，廣泛應用于新能源汽車鋁合金車門的點焊。

2.2.2 "新能源汽車鋁合金激光焊接技術(shù)

激光焊接以其焊接快速、熱應力小等優(yōu)勢受到汽車行業(yè)廣泛關(guān)注，在新能源汽車制造中應用激光焊接技術(shù)，能有效縮減焊縫并減少搭接縫，顯著提高焊接質(zhì)量。激光焊接在合理焊接工藝參數(shù)下，能實現(xiàn)鋁合金的高質(zhì)量連接，焊接長度可達20～30 m。但鋁合金在激光焊接過程中，焊接工藝選擇不當會導致合金元素存在燒毀的現(xiàn)象或出現(xiàn)熱裂紋，從而影響焊縫質(zhì)量。此外，激光焊接技術(shù)對工藝要求較高，能焊接的鋁合金厚度較小、焊接的熱利用率低，不能很好滿足新能源汽車鋁合金連接的需求。

2.2.3 "新能源汽車鋁合金激光-電弧復合焊接技術(shù)

激光-電弧復合焊接結(jié)合了激光焊接高能量密度與電弧焊持續(xù)加熱的優(yōu)勢，通過耦合的方式，依靠激光在熔池上方產(chǎn)生的等離子體維持電弧的穩(wěn)定性，并借助電弧產(chǎn)生的等離子，提高熱量利用率，焊接穩(wěn)定，在深化焊縫的同時較少產(chǎn)生熱裂紋，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。但在應用激光-電弧復合焊技術(shù)的過程中，依舊存在一些問題，如熔化焊的焊縫具有鑄態(tài)組織的特性，而在激光-電弧復合焊焊接的過程中會出現(xiàn)熱循環(huán)，該熱循環(huán)在不同程度上會影響接頭的力學性能，甚至會產(chǎn)生形變或者色變等問題。

2.2.4 "新能源汽車鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)

和傳統(tǒng)的焊接方式相比，攪拌摩擦焊接技術(shù)需要特殊制作的攪拌頭結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際的生產(chǎn)需求，將特殊制造的攪拌頭插入到工件后借助高速旋轉(zhuǎn)處理與攪拌摩擦處理，通過摩擦過程中產(chǎn)生的熱量對相應的位置進行打磨，使該金屬部位有效形成熱塑性的狀態(tài)，并配合攪拌頭的壓力，實現(xiàn)前部向后端塑性的合理性流動，有效實現(xiàn)鋁合金焊件間的焊接處理。攪拌摩擦焊焊接技術(shù)形成的焊接接頭的基礎(chǔ)性能參數(shù)好，能實現(xiàn)晶粒的細化處理，并減少變形，降低接頭處的殘余應力，并且沒有煙塵、飛濺等問題，連接的成本也低。但其在應用過程中需要對焊件進行有效固定，對焊件裝夾要求高。其次，針對焊縫尾部的鑰孔現(xiàn)象，需要進行精細化處理，連接時候的速度也較慢，無法在新能源汽車鋁合金車身的焊接上得到廣泛應用。

2.2.5 "新能源汽車鋁合金冷金屬過渡焊接技術(shù)

冷金屬過渡焊接技術(shù)通過在焊接時產(chǎn)生的電弧使焊絲熔化形成熔滴，然后降低焊接電流，電路短路，電弧熄滅，待熔滴從焊絲滴落后，再次提高電流，送出焊絲，再形成熔滴，進行新的焊接。該焊接過程沒有焊渣和飛濺，能實現(xiàn)鋁合金薄板的高質(zhì)量焊接，在外觀要求高的部分如天窗、車罩等部位得到廣泛應用。

2.2.6 "新能源汽車鋁合金自穿刺鉚接技術(shù)

自穿刺鉚接連接技術(shù)屬于鋁合金連接中的冷連接技術(shù)，其克服了點焊等熱連接技術(shù)高能耗、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點，其工作原理是利用鉚槍產(chǎn)生的壓力將鉚釘穿過第一層的材料，鉚釘在鉚模的作用下，往底層的材料中滑動和延伸并穿入到底層的板材，但不會穿透下層的板材，從而在板材之間形成一個能相互鑲嵌的鉚釘連接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多層金屬零件進行機械連接。鋁合金同種金屬材質(zhì)板材之間或鋁合金異種材質(zhì)板材之間需要進行連接時可采用自穿刺鉚接技術(shù)。如新能源車鋁制減震器支座和鋼制周圍鈑金間的連接、鋁制車門外板和鋼制車門防撞橫梁間的連接均采用自穿刺鉚接，使用的鉚釘尺寸規(guī)格一般在3 mm、5 mm。

2.2.7 "新能源汽車鋁合金熱熔自攻釘鉚接技術(shù)

熱熔自攻釘鉚接技術(shù)通過高速旋轉(zhuǎn)的螺釘產(chǎn)生軸向力，使連接區(qū)的材料軟化后，螺釘旋入待連接的母材，形成螺紋，依靠螺釘擰緊實現(xiàn)鋁合金等車身板材、型材間的鉚接，連接方便，容易拆卸。但由于螺釘穿透板材，該區(qū)域相應的防腐蝕能力下降。

2.2.8 "新能源汽車鋁合金無鉚自沖鉚接技術(shù)

無鉚釘自沖鉚接技術(shù)利用板件本身的冷變形能力，通過凸模和凹模，在壓力的作用下，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件間進行連接。其結(jié)合區(qū)幾何形狀根據(jù)凸模凹模形狀分為圓形和矩形2種，鋁合金連接時通常采用圓形的模具，形成圓形的連接點。且該技術(shù)不會對連接處的表面產(chǎn)生破壞，不影響該結(jié)合區(qū)的腐蝕性能，但該連接的結(jié)合強度較低，目前只局限應用于輪罩、行李箱蓋等部件。

2.2.9 "新能源汽車鋁合金結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)技術(shù)

結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)技術(shù)在使用時采用面接觸的方式，通過物理化學變化將被連接件間進行連接，相比點焊和鉚接，不容易在連接處產(chǎn)生應力集中，連接處的強度和剛度都較高，廣泛應用于鋁合金等輕金屬連接。但結(jié)構(gòu)膠的耐熱性差，通常采用結(jié)構(gòu)膠和自沖鉚連接復合進行連接。

3 "結(jié)束語

隨著對鋁合金成形工藝的研究及高性能鋁合金的研制，鋁合金必將成為新能源汽車輕量化的首選材料。同時對鋁合金連接方式的選擇需要進行綜合考慮，保證連接方式的先進性、高質(zhì)量性、高效率性和節(jié)能性。隨著科技發(fā)展，鋁合金輕量化的連接技術(shù)必將得到推廣應用，新能源汽車鋁合金輕量化發(fā)展必將助力我國汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展。

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