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新能源汽车铝合金轻量化及其连接技术发展现状
材料来源:钣金加工与焊接喷涂           录入时间:2024/1/31 17:20:28

据世界气象组织发布的《2022年全球气候状况》临时报告,随着人类生产生活中的碳排放,近几年温室气体浓度不断上升,全球变暖加速持续,当前气候问题愈发严峻,各种极端气候问题凸显,构建人类、自然命运共同体迫在眉睫。

汽车是交通工具中最主要的碳排放来源。中国汽车技术研究中心估算,目前汽车的碳排放占全社会碳排放的7.5%左右,占我国交通领域碳排放的80%以上。由于汽车碳排放主要来源于化石燃料,而新能源汽车主要走纯电技术、插电混动、增程式技术和燃料电池技术等低碳路线,在汽车行驶过程中不排放或少排放二氧化碳,因此,汽车向新能源化的转型升级是推进节能减排的关键,更是实现国家“碳达峰、碳中和”双碳战略的重要举措。据工信部公布,2022年全国新能源汽车销量达到688.7万辆,新能源市场规模不断扩大。随着新能源汽车保有量的增加,以及汽车轻量化带来的能耗节约、续航里程增加,新能源汽车轻量化的发展势头强劲。而铝合金具有低密度、高延展性,良好的铸造性能,耐腐蚀性等特点,使其成为汽车轻量化主要材料之一。随着铝合金材料在新能源汽车中的应用,如何实现铝合金与同种或异种材料之间的高质量连接成为影响新能源汽车品质的重要因素。

1 新能源汽车铝合金轻量化发展现状

1.1 新能源汽车轻量化发展的背景

1.1.1 新能源汽车轻量化的技术途径

目前新能源汽车轻量化的技术途径主要有3种:①材料轻量化,主要采用高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等;②结构轻量化,主要进行尺寸形状优化、拓扑优化等;③工艺轻量化,主要采用先进制造工艺如液压成形工艺、激光拼接成形工艺等。

1.1.2 新能源汽车铝合金材料轻量化的优势

目前轻量化材料中,铝合金相比高强度钢而言,其强度高,能最大程度降低车身重量,减重效果好,且耐腐蚀性强,回收难度低,回收利用率高,具有绿色环保的优势,能实现汽车产业链中铝资源的回收再利用;相比镁合金,铝合金强度更高,更容易加工,且目前的镁合金主要以Mg-Al合金为主,新能源汽车直接使用铝合金价格更低;相比钛合金,由于铝合金对加工工艺参数敏感性要求相对较低,铝合金的应用更具成本优势;相比塑料、碳纤维等复合材料,由于目前对复合材料的实际研发应用水平低,无法实现批量化生产,铝合金更具备大规模应用前景。因此,铝合金成为目前新能源汽车的首选轻量化材料,在保证新能源汽车质量、安全性、经济性的同时,降低整车的重量,增加车辆续航里程。

1.2 新能源汽车铝合金轻量化发展的背景

1.2.1 新能源汽车用铝合金的成形技术

新能源汽车用铝合金的成形技术以铸造成形技术及半固体成形技术为主,除此之外还有挤压成形、锻造成形等。铸造成形技术是新能源用铝合金最主要的成形技术,包括压力铸造、挤压铸造、精密铸造等。其中压铸成形技术成形的铝制品报废率低,成形尺寸精度高,成形质量好,应用最广。而半固体成形技术是一种新型成形技术,当铝合金处于固态和液态之间的半溶状态时,能获得较好的填充,对其进行相应的成形时,能提高成形的精度,从而获得更好的成形效果。但该技术尚未得到成熟应用,无法大批量生产铝合金制品。

1.2.2 新能源汽车轻量化中的铝合金分类

新能源汽车用铝合金主要分为铸造铝合金、变形铝合金、泡沫铝材和铝基复合材料等。铸造铝合金的成形质量稳定,适合大批量生产,汽车中77%的铝制品为铸造铝合金。由于其采用铸造的形式进行成形,因此在如轮毂、制动盘等复杂的新能源汽车构件中应用较广。变形铝合金强度、塑性高,组织紧密,成分均匀,可划分为以纯铝或Al-Si系合金为代表的不可热处理变形铝和以Al-Mg-Si系合金为代表的可热处理变形铝2类,广泛应用于如车门、保险杠、热交换器等新能源汽车构件中。泡沫铝材作为多孔材料,由于其金属基体中存在气泡,吸震性、阻尼性好,用于新能源汽车一些支撑性构件中,能提高相应构件的碰撞安全性。铝基复合材料相比非增强金属,其具有更轻的重量,卓越的耐磨性,适用于恶劣工况,应用于高压电池系统中的组件等。

1.3 新能源汽车轻量化的铝合金应用场景

新能源汽车主要由电力驱动系统、供电系统、辅助系统3部分组成,铝合金在新能源汽车车身、底盘、电池箱等都得到了广泛应用。

1.3.1 新能源汽车车身的轻量化应用

新能源汽车中,车身占汽车自重的比例较大,通过车身铝合金材料的应用在实现汽车减重的同时能提高续航里程。新能源汽车车身铝合金板材主要以6系铝合金材质为主,如6014、6016等。6系铝合金具有优良的成形性、包边性能、漆刷性、烘烤性,不容易在车身表面形成无法消除的波纹等优点,从而在车身外覆盖件方面得到广泛应用,如蔚来、特斯拉的全铝车身。而5系铝合金成形性能优良,易于成形复杂零部件,是新能源汽车结构件、内覆盖件的首选材料,如路虎发现者4的5系铝合金后背门内板,奔驰S级的5系铝合金车门内板,长城VV7的机盖外板。但5系材料在成形过程中容易出现形纹,因此在成形过程中需加以控制。除此之外,随着新能源车车身铝化率增加,需要加大在铝合金成形工艺、维修等方面的车身应用研究,降低铝合金车身的制造成本,从而在低端新能源汽车上也能普及铝合金车身。

1.3.2 新能源汽车底盘的轻量化应用

汽车底盘主要由传动系统、行驶系统、转向系统及控制系统等4部分组成。新能源汽车相对传统汽车,其传动系统发生变化,从原来的依靠发动机进行传动到以单电机传动、主电机+轮毂电机传动、双电机双轴传动等3种方案进行传动。除此之外,新能源汽车的转动系统和制动系统也发生变化,由于新能源汽车取消发动机,相应的由原来的液压助力转向变更为电动助力转向,液压真空助力泵变更为电动真空助力泵。因此新能源汽车相对于传统的汽车底盘,其底盘的作用基本相同,区别在于支撑及安装发动机的位置变动成为支撑及安装以电池模块单元为主的电机动力总成。当前汽车底盘材料主要以TRIP钢为主,因此,在新能源汽车底盘设计过程中可以选择铝合金来代替TRIP钢质材料从而达到汽车轻量化的设计。目前,铝合金铸件YL118、ZL119、ZL120等在汽车底盘中也得到了很好的应用。如美国福特汽车公司将铝合金应用于汽车制动盘,凯迪拉克、路虎等将铝合金应用于汽车悬挂系统,蔚来汽车采用高真空压铸工艺制得了铝合金减震塔。

1.3.3 新能源汽车电池托盘的轻量化应用

相对传统燃油车,动力电池是新能源汽车独有的动力系统部件。而在新能源汽车中,动力电池约占整车质量的30%,其中电池盒的重量就占动力电池重量的约20%,因此实现动力电池的电池盒轻量化发展是大势所趋。铝合金材料密度小、散热性好、化学性质稳定、压铸性好的优势,使其成为电池盒材料应用的主流方向。目前新能源汽车电池包箱体结构主要由上箱盖、电池托盘、下壳体组成。作为电池包的承载部件,电池包下箱体的结构及布局是否合理直接关乎电池包寿命。因此,下箱体铝合金型材结构设计中,除了在冲压过程中考虑轻量化适度减薄还需要考虑新能源汽车行驶过程中路面的复杂性及可能存在的多样化碰撞形式,对相应区域进行结构优化,适当增加加强筋,提高箱体刚度,有效避免冲击变形。如特斯拉、比亚迪、宁德时代、蔚来等都已生产出相应的铝质电池箱,在实现电池箱高强度的同时,达到轻量化的目标。

2 新能源汽车铝合金连接技术发展现状

汽车传统的连接方式是气体保护焊和电阻点焊,但是随着新能源汽车铝合金的轻量化发展,以及为了解决汽车轻量化和高性能间的矛盾,因此铝合金等轻质合金结合复合材料成为新能源汽车轻量化发展的趋势,而这对制造过程中的连接方式提出了较高的要求。

2.1 新能源汽车铝合金连接面临的问题

铝合金在焊接过程中,容易氧化,形成致密的氧化膜,阻碍母材的熔化及熔合,产生的杂质和气体不易排除,影响成形质量;且铝合金在焊接过程中会出现软化现象,会降低连接强度。并且在焊接过程中容易产生气孔、裂纹,焊接部位会出现变形等问题。此外,铝合金与异种金属之间焊接时,如铝合金和钢的连接,铝和钢的热物理性能存在较大的差异,钢的熔点在1537℃,铝合金的熔点在660℃,2种金属的熔点相差很大,在相同热源强度下,铝合金和钢很难同时熔化。此外,铝合金和钢的线膨胀系数也相差较大,在焊接过程中容易在连接处产生残余应力,从而容易在连接处形成裂纹。

2.2 新能源汽车铝合金连接技术类型

目前新能源汽车铝合金轻量化连接技术主要有热连接工艺和冷连接工艺2类,其中热连接工艺主要为电极带式电阻点焊技术、激光焊接技术、激光-电弧复合焊接技术、搅拌摩擦焊接技术和冷金属过渡焊接技术,冷连接工艺主要为自穿刺铆接技术、热熔自攻钉铆接技术、无铆自冲铆接技术、结构胶粘结技术

2.2.1 新能源汽车铝合金电极带式电阻点焊技术

电极带式电阻点焊技术通过对电极进行改造,在工件和电极之间加入电极带,焊接时,将被焊工件放入两电极间并压紧,同时通大电流,在接头接触和邻近的区域产生电阻热,从而形成焊点。在一个焊点完成后,电极带自动转动完成更新,解决了铝合金焊接时电极被污染的难题。其具有焊接速度快,生产效率高,生产成本低等优点,广泛应用于新能源汽车铝合金车门的点焊。

2.2.2 新能源汽车铝合金激光焊接技术

激光焊接以其焊接快速、热应力小等优势受到汽车行业广泛关注,在新能源汽车制造中应用激光焊接技术,能有效缩减焊缝并减少搭接缝,显著提高焊接质量。激光焊接在合理焊接工艺参数下,能实现铝合金的高质量连接,焊接长度可达20~30m。但铝合金在激光焊接过程中,焊接工艺选择不当会导致合金元素存在烧毁的现象或出现热裂纹,从而影响焊缝质量。此外,激光焊接技术对工艺要求较高,能焊接的铝合金厚度较小、焊接的热利用率低,不能很好满足新能源汽车铝合金连接的需求。

2.2.3 新能源汽车铝合金激光-电弧复合焊接技术

激光-电弧复合焊接结合了激光焊接高能量密度与电弧焊持续加热的优势,通过耦合的方式,依靠激光在熔池上方产生的等离子体维持电弧的稳定性,并借助电弧产生的等离子,提高热量利用率,焊接稳定,在深化焊缝的同时较少产生热裂纹,从而获得高质量的焊缝。但在应用激光-电弧复合焊技术的过程中,依旧存在一些问题,如熔化焊的焊缝具有铸态组织的特性,而在激光-电弧复合焊焊接的过程中会出现热循环,该热循环在不同程度上会影响接头的力学性能,甚至会产生形变或者色变等问题。

2.2.4 新能源汽车铝合金搅拌摩擦焊接技术

和传统的焊接方式相比,搅拌摩擦焊接技术需要特殊制作的搅拌头结构,根据实际的生产需求,将特殊制造的搅拌头插入到工件后借助高速旋转处理与搅拌摩擦处理,通过摩擦过程中产生的热量对相应的位置进行打磨,使该金属部位有效形成热塑性的状态,并配合搅拌头的压力,实现前部向后端塑性的合理性流动,有效实现铝合金焊件间的焊接处理。搅拌摩擦焊焊接技术形成的焊接接头的基础性能参数好,能实现晶粒的细化处理,并减少变形,降低接头处的残余应力,并且没有烟尘、飞溅等问题,连接的成本也低。但其在应用过程中需要对焊件进行有效固定,对焊件装夹要求高。其次,针对焊缝尾部的钥孔现象,需要进行精细化处理,连接时候的速度也较慢,无法在新能源汽车铝合金车身的焊接上得到广泛应用。

2.2.5 新能源汽车铝合金冷金属过渡焊接技术

冷金属过渡焊接技术通过在焊接时产生的电弧使焊丝熔化形成熔滴,然后降低焊接电流,电路短路,电弧熄灭,待熔滴从焊丝滴落后,再次提高电流,送出焊丝,再形成熔滴,进行新的焊接。该焊接过程没有焊渣和飞溅,能实现铝合金薄板的高质量焊接,在外观要求高的部分如天窗、车罩等部位得到广泛应用。

2.2.6 新能源汽车铝合金自穿刺铆接技术

自穿刺铆接连接技术属于铝合金连接中的冷连接技术,其克服了点焊等热连接技术高能耗、焊接质量不稳定等缺点,其工作原理是利用铆枪产生的压力将铆钉穿过第一层的材料,铆钉在铆模的作用下,往底层的材料中滑动和延伸并穿入到底层的板材,但不会穿透下层的板材,从而在板材之间形成一个能相互镶嵌的铆钉连接结构,实现多层金属零件进行机械连接。铝合金同种金属材质板材之间或铝合金异种材质板材之间需要进行连接时可采用自穿刺铆接技术。如新能源车铝制减震器支座和钢制周围钣金间的连接、铝制车门外板和钢制车门防撞横梁间的连接均采用自穿刺铆接,使用的铆钉尺寸规格一般在3mm、5mm。

2.2.7 新能源汽车铝合金热熔自攻钉铆接技术

热熔自攻钉铆接技术通过高速旋转的螺钉产生轴向力,使连接区的材料软化后,螺钉旋入待连接的母材,形成螺纹,依靠螺钉拧紧实现铝合金等车身板材、型材间的铆接,连接方便,容易拆卸。但由于螺钉穿透板材,该区域相应的防腐蚀能力下降。

2.2.8 新能源汽车铝合金无铆自冲铆接技术

无铆钉自冲铆接技术利用板件本身的冷变形能力,通过凸模和凹模,在压力的作用下,使板件产生局部变形而将板件间进行连接。其结合区几何形状根据凸模凹模形状分为圆形和矩形2种,铝合金连接时通常采用圆形的模具,形成圆形的连接点。且该技术不会对连接处的表面产生破坏,不影响该结合区的腐蚀性能,但该连接的结合强度较低,目前只局限应用于轮罩、行李箱盖等部件。

2.2.9 新能源汽车铝合金结构胶粘结技术结构胶粘结技术

在使用时采用面接触的方式,通过物理化学变化将被连接件间进行连接,相比点焊和铆接,不容易在连接处产生应力集中,连接处的强度和刚度都较高,广泛应用于铝合金等轻金属连接。但结构胶的耐热性差,通常采用结构胶和自冲铆连接复合进行连接。

3 结束语

随着对铝合金成形工艺的研究及高性能铝合金的研制,铝合金必将成为新能源汽车轻量化的首选材料。同时对铝合金连接方式的选择需要进行综合考虑,保证连接方式的先进性、高质量性、高效率性和节能性。随着科技发展,铝合金轻量化的连接技术必将得到推广应用,新能源汽车铝合金轻量化发展必将助力我国汽车工业转型升级和高质量发展。

文章来源:钣金加工与焊接喷涂

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