摘要：2009 年中國(guó)以 300 多萬(wàn)輛的優(yōu)勢(shì)，首次超越美國(guó)，成為世界汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)第一大國(guó)，比預(yù)計(jì)提前了 5～6 年。中國(guó)車(chē)市的優(yōu)異表現(xiàn)，不僅有效拉動(dòng)了中國(guó)本土汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，也為經(jīng)濟(jì)危機(jī)條件下世界汽車(chē)工業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。然而，全球產(chǎn)銷(xiāo)第一帶來(lái)的不僅僅是欣喜，更多的則是壓力。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)在技術(shù)水平、創(chuàng)新能力、品牌影響力以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等方面與世界汽車(chē)強(qiáng)國(guó)還有明顯的差距。與此同時(shí)，汽車(chē)工業(yè)也成為我國(guó)能源安全、低碳經(jīng)濟(jì)和城市環(huán)境的巨大負(fù)擔(dān)，使其發(fā)展受到限制，轉(zhuǎn)型迫在眉睫。汽車(chē)輕量化作為降低原油消耗和尾氣排放的重要手段，已經(jīng)得到世界各國(guó)的高度重視，成為世界汽車(chē)強(qiáng)國(guó)提高品牌競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。對(duì)全球汽車(chē)車(chē)身輕量化的方法和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述，分析車(chē)身輕量化技術(shù)的發(fā)展對(duì)焊接與連接的挑戰(zhàn)，并對(duì)新型的車(chē)身連接技術(shù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以對(duì)我國(guó)輕量化車(chē)身的設(shè)計(jì)與制造提供有益借鑒。

0 前言 ?

截至 2010 年，全球汽車(chē)總保有量首次突破 10 億，比 2009 年增長(zhǎng)了近 2 000 萬(wàn)，而 1986 年，全球汽車(chē)總保有量?jī)H為5億。據(jù)美國(guó) Wardsauto 雜志分析，2000 年以來(lái)，全球汽車(chē)保有量平均增長(zhǎng)3.6%。其中美國(guó)是目前最大的汽車(chē)擁有國(guó)，汽車(chē)注冊(cè)量達(dá)2.398 億，中國(guó)首次超過(guò)日本位居第二，從 1 680 萬(wàn)一躍到了 7 800 萬(wàn)，幾乎是全球半年的增長(zhǎng)率 [1] ，僅 2010 年汽車(chē)注冊(cè)量猛增 27.5%。汽車(chē)保有量的迅速增加充分證明了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的穩(wěn)步提高，然而也對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展造成巨大影響，反過(guò)來(lái)又制約了我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。

（1）能源安全。我國(guó)汽油的 70%左右是汽車(chē)消費(fèi)的，柴油也有 40%左右是汽車(chē)直接消費(fèi)的。據(jù)工信部 2011 年公布的我國(guó)原油對(duì)外依存度的最新數(shù)據(jù)，我國(guó)原油對(duì)外依存度已經(jīng)高達(dá) 55.2%，顯著超過(guò)我國(guó)能源安全警戒線，也超過(guò)了美國(guó)的 53.5%。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，今后幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)將保持 7%左右的增長(zhǎng)速度，石油需求將以 5%～6%的年均速度增長(zhǎng)。由于國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)量增幅遠(yuǎn)低于 5%，在目前新能源尚不能大面積替代化石能源的條件下，未來(lái) 5 年我國(guó)石油對(duì)外依存度還將逐步提高。汽車(chē)保有量增加對(duì)我國(guó)能源安全造成巨大壓力。

（2）氣候安全。氣候變化問(wèn)題已成為影響人類(lèi)社會(huì)發(fā)展和全球政治經(jīng)濟(jì)格局的重大戰(zhàn)略課題。發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)行業(yè) CO2 排放占國(guó)家總排放量 25%左右，專(zhuān)家預(yù)測(cè)我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的 CO2 排放可能占總排放量 8%～10%。但隨著汽車(chē)總量不斷增加，汽車(chē)排放在我國(guó)總體 CO 2 排放中的比例也將增加。我國(guó)作為溫室氣體排放的主要大國(guó)，已成為全球關(guān)注的對(duì)象，面臨巨大的國(guó)際壓力 [2] ，已經(jīng)向國(guó)際社會(huì)承諾到2020年單位GDP CO 2 排放比2005年下降40%～45%。

（3）環(huán)境安全。一輛轎車(chē)每年排出的有害廢氣比轎車(chē)自重大三倍，并且其中含有 100 多種有害物質(zhì)。汽車(chē)尾氣正在成為空氣污染的“罪魁禍?zhǔn)住?。雖然我國(guó)新車(chē)行駛標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)推行到了更為嚴(yán)格的國(guó)4 階段，但汽車(chē)總保有量的飆升使得總體排放量增加。汽車(chē)仍然是機(jī)動(dòng)車(chē)?yán)镒钪饕奈廴疚飦?lái)源，給城市空氣質(zhì)量帶來(lái)巨大的環(huán)境壓力。如何破解汽車(chē)工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的矛盾也成了擺在政府、社會(huì)面前一個(gè)現(xiàn)實(shí)、迫切的難題。

工信部預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)汽車(chē)保有量將超過(guò)2億輛，由此帶來(lái)的能源安全和環(huán)境問(wèn)題將更加突出。石油安全將成為制約中國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的第一因素，油耗和排放也將成為中國(guó)汽車(chē)走向世界的絆腳石。因此，通過(guò)各種方式降低原油消耗和尾氣排放已經(jīng)成為中國(guó)汽車(chē)工藝亟須解決的重大課題。目前，大力推進(jìn)傳統(tǒng)汽車(chē)節(jié)能減排和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化已成為中國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略。中國(guó)科技部、發(fā)改委、工信部以及各地方政府均出臺(tái)政策鼓勵(lì)和扶持節(jié)能汽車(chē)和新能源汽車(chē)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，以加快我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型，擺脫對(duì)傳統(tǒng)化石資源和生物燃料的依賴(lài)。然而，由于我國(guó)電池、電機(jī)以及電控三大核心技術(shù)目前比較落后，新能源汽車(chē)的安全性、續(xù)駛里程以及高昂的成本仍然無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求，便其短期內(nèi)無(wú)法成為市場(chǎng)的主流。

汽車(chē)輕量化作為降低原油消耗和尾氣排放的重要手段得到了世界各國(guó)的高度重視，已經(jīng)成為各國(guó)汽車(chē)品牌提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。研究表明：汽車(chē)自重每降低 10%，可降低油耗 6%～8%，減少CO2 排放 13%，而且當(dāng)汽車(chē)自重降低時(shí)，其起步加速性能會(huì)更好，制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離也會(huì)顯著縮短。

汽車(chē)輕量化已經(jīng)被列入我國(guó)“十二五”規(guī)劃綱要，我國(guó)《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中也明確指出發(fā)展新能源汽車(chē)要著力突破材料和結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)。

2012 年 1 月 1 日，強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》（GB 27999—2011）執(zhí)行，旨在“推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)節(jié)能技術(shù)革新，鼓勵(lì)車(chē)輛小型化和輕量化，進(jìn)一步降低乘用車(chē)單車(chē)燃料消耗量水平，縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，從整體上控制我國(guó)乘用車(chē)燃料消耗量和二氧化碳排放,使我國(guó)乘用車(chē)平均燃料消耗量水平在2015年下降至7 L/100km左右，對(duì)應(yīng)二氧化碳排放約為 167 g/km?！备鶕?jù)此標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)可以看出，輕量化仍是我國(guó)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)最為重要的手段之一。

汽車(chē)車(chē)身占整車(chē)總重的 30%～60%左右，汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中約 70%的燃料是消耗在車(chē)身質(zhì)量上，使得車(chē)身成為汽車(chē)輕量化的關(guān)鍵。此外，車(chē)身減輕后，汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的功耗也會(huì)降低，從而有利于減小發(fā)動(dòng)機(jī)和減速箱的尺寸，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的進(jìn)一步減重。因此，車(chē)身減重在汽車(chē)輕量化中具有至關(guān)重要的地位。

本文對(duì)汽車(chē)車(chē)身輕量化的方法、要求和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述，分析了車(chē)身輕量化對(duì)連接技術(shù)的挑戰(zhàn)，并對(duì)新型的連接技術(shù)進(jìn)行介紹，旨在對(duì)輕量化車(chē)身的設(shè)計(jì)與制造提供有益的借鑒。

1 汽車(chē)車(chē)身輕量化方法及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 汽車(chē)車(chē)身輕量化的方法

汽車(chē)車(chē)身輕量化并非是簡(jiǎn)單地將汽車(chē)重量減輕，而是在保證車(chē)身的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量，同時(shí)要保證汽車(chē)車(chē)身的制造成本在合理范圍內(nèi)。目前有以下三種手段。

（1）使用輕量化結(jié)構(gòu)。即以車(chē)身零件的強(qiáng)度和剛度要求為約束，借助 CAE 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)車(chē)身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，以減小車(chē)身骨架和車(chē)身覆蓋件的質(zhì)量或數(shù)量，從而達(dá)到車(chē)身減重目的。優(yōu)化汽車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的有效途徑之一。圖 1a 中通過(guò)擠壓形成的封閉型鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)(Audi space frame，ASF)、圖 1b 中通過(guò)輥壓成形的變截面結(jié)構(gòu)零件以及圖 1c 內(nèi)高壓成副車(chē)架，都是典型的輕量化結(jié)構(gòu)，在顯著減重同時(shí)能夠有效保證強(qiáng)度和剛度需求。

圖 1 典型的輕量化結(jié)構(gòu)

（2）使用輕量化材料。通過(guò)大量使用輕質(zhì)、高強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)車(chē)身大幅減重已經(jīng)成為車(chē)身輕量化最為主要的手段。這些材料主要可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是高強(qiáng)鋼材料，包括普通高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼（Advanced high strength steel，AHSS）以及超高強(qiáng)鋼(Ultra high strength steel，UHSS)。圖 2a 所示的奧迪A4(B8)就是通過(guò)大量使用高強(qiáng)鋼來(lái)實(shí)現(xiàn)有效減重；另一類(lèi)是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等，圖 2b 所示的奧迪 A8(D3)全部采用鋁合金制造，具有非常顯著的減重效果。表 1給出了不同低密度材料替代高密度材料的減重效果，顯然通過(guò)鋁合金替代鋼可以獲得較好的減重效果，而且成本增加也相對(duì)較低。

注：a 包括材料和制造成本；下界是預(yù)測(cè)值。b 下界來(lái)源于 Powers(2000)，上界來(lái)源NRC(2000)。

（3）使用輕量化結(jié)構(gòu)材料。即采用特種加工工藝制成的具有輕量化結(jié)構(gòu)特征的車(chē)身用毛坯材料，包括激光拼焊板(Tailor welded blank，TWB)和連續(xù)變截面軋制板(Tailor rolling blank，TRB)。TWB 即采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，形成沖壓用坯料?；谶@種技術(shù)，工程師可以根據(jù)車(chē)身各個(gè)部位的強(qiáng)度和剛度的需求，像裁縫縫制衣服一樣預(yù)先“量身定做”所需的拼焊板坯料，然后進(jìn)行沖壓，從而達(dá)到節(jié)省材料、減輕重量且提高車(chē)身零部件性能的目的。TRB 指在板料軋制過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整軋輥的間距，獲得沿軋制方向上按預(yù)定的厚度連續(xù)變化的坯料板材。如圖 3 所示，這樣的變截面薄板根據(jù)零件的強(qiáng)度需求實(shí)現(xiàn)材料厚度的按需分配，經(jīng)加工后制成的汽車(chē)零部件具有更好的承載能力，且能輕量化效果顯著。TRB 繼承了 TWB根據(jù)零件強(qiáng)度和剛度需求變截面的技術(shù)，可顯著降低車(chē)身零件的數(shù)量，從而降低車(chē)身焊裝的復(fù)雜性。同時(shí)解決了 TWB 焊縫兩側(cè)應(yīng)力突變以及焊縫存在對(duì)成形過(guò)程和零件表面質(zhì)量的不良影響。

圖 3 TRB 在福特?？怂怪械膽?yīng)用

輕量化材料為車(chē)身輕量化提供了巨大的潛力，但輕質(zhì)材料的應(yīng)用需要新的輕量化結(jié)構(gòu)和工藝做支撐。總而言之，輕量化材料、輕量化結(jié)構(gòu)以及輕量化結(jié)構(gòu)材料三種手段相輔相成，為汽車(chē)車(chē)身輕量化帶來(lái)更多的空間和可能。要獲得最佳的汽車(chē)車(chē)身輕量化效果，必須以成本和性能為約束，借助先進(jìn)的數(shù)字化手段，充分發(fā)揮三者各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)三種方法在車(chē)身上的合理化和精細(xì)化使用。奧迪的 ASF車(chē)身技術(shù)，就實(shí)現(xiàn)了輕量化材料和輕量化結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，使車(chē)身剛度提高了 60%，成為全球汽車(chē)車(chē)身輕量化的典范。

1.2 汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)使用輕量化材料來(lái)降低汽車(chē)自重已經(jīng)得到汽車(chē)工業(yè)的普遍關(guān)注，成為汽車(chē)車(chē)身輕量化的主流技術(shù)。目前主要有以下 4 種途徑。

(1) 高強(qiáng)鋼板替代普通鋼板。采用高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板，能使構(gòu)件厚度減薄，又能保證其使用性能，從而減輕汽車(chē)的質(zhì)量，而且鋼鐵材料價(jià)格便宜、工藝成熟，因此迄今仍然是汽車(chē)車(chē)身使用最多的材料。1993 年美國(guó)克林頓政府的 PNGV 項(xiàng)目就是通過(guò)高強(qiáng)度鋼替代普通板實(shí)現(xiàn)大幅減重。

1995年，18 個(gè)國(guó)家 32 家跨國(guó)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合提出了“超輕碳鋼車(chē)身(Ultra light steel auto body，ULSAB)”概念，這種采用高強(qiáng)度鋼板制造的車(chē)身實(shí)現(xiàn)了更薄更輕的結(jié)構(gòu)，使車(chē)身減重達(dá) 25%。目前在汽車(chē)中使用的高強(qiáng)鋼已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代高強(qiáng)鋼具有強(qiáng)度越高延展率越低的特點(diǎn)。全球車(chē)企普遍采用的雙相鋼(Duplex steel，DP)、相變誘發(fā)塑性鋼(Transformation induced plasticity steel，TRIP)、烘烤硬化鋼、熱成形硼鋼都屬于第一代汽車(chē)鋼；第二代汽車(chē)鋼通過(guò)大量增加合金元素在增加強(qiáng)度的同時(shí)提升了鋼材的塑性，但是成本較高，限制了其在汽車(chē)中的規(guī)模應(yīng)用，代表鋼種是孿晶誘發(fā)塑性鋼(Twinning induced plasticity steel，TWIP)。第三代汽車(chē)鋼的性能和成本介于第一代和第二代汽車(chē)鋼之間，強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)，性?xún)r(jià)比更易被企業(yè)接受。目前仍然在開(kāi)發(fā)之中，代表鋼種為淬火分配鋼。由于成本優(yōu)勢(shì)，第一代汽車(chē)鋼仍然是現(xiàn)階段汽車(chē)用鋼的主體。同時(shí)，在中國(guó)市場(chǎng)，通過(guò)高強(qiáng)鋼替代普通低碳鋼板仍然是汽車(chē)車(chē)身輕量化最為主要的方式 [8] 。2010 年，寶鋼與上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司共同簽署了《汽車(chē)用鋼輕量化戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，并宣布雙方將共同研發(fā)、應(yīng)用汽車(chē)用鋼輕量化技術(shù)，并將汽車(chē)輕量化列為上海汽車(chē)“十二五”汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要路徑。

(2) 輕金屬材料替代鋼板。鋁合金因其密度低、比強(qiáng)度高，在顯著減重的同時(shí)仍然能夠大幅提高車(chē)身零部件的剛性。奧迪汽車(chē)公司1999年推出的AudiA2 便是世界第一款大批量生產(chǎn)的全鋁車(chē)身轎車(chē)，其采用全鋁空間框架結(jié)構(gòu)，平均油耗接近 3 L/100km。2004 年問(wèn)世的捷豹 XJ8 也是采用全鋁車(chē)身，其車(chē)身剛性比舊款的鋼制車(chē)身提高了 60%，但質(zhì)量卻減少了 40%。但鋁合金由于成本高，目前在市面上銷(xiāo)售的全鋁車(chē)身汽車(chē)只有奧迪A8、R8和捷豹等豪華車(chē)型。

(3) 復(fù)合材料替代鋼板。復(fù)合材料因?yàn)槊芏鹊?鋁合金的 1/3 左右)、比強(qiáng)度極高、耐撞擊、抗斷裂韌度好、減振隔音性能好、可設(shè)計(jì)性好、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到汽車(chē)工業(yè)的重視。但由于成本較高以及許多和復(fù)合材料使用相關(guān)的技術(shù)仍然沒(méi)有解決，現(xiàn)階段復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用主要集中在豪華跑車(chē)和賽車(chē)上，如梅賽德斯—奔馳 SLR 跑車(chē)就通過(guò)高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料制成的車(chē)身來(lái)大幅降低整車(chē)質(zhì)量，而在普通乘用車(chē)上的使用則主要集中在保險(xiǎn)杠等零件上。由于其與金屬材料相比具有無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見(jiàn)復(fù)合材料在未來(lái)汽車(chē)車(chē)身材料中將占有越來(lái)越重要的地位。

(4) 多材料混合車(chē)身結(jié)構(gòu)。如圖 4 所示 [8] ，單純采用高強(qiáng)鋼板雖然具有較大的成本優(yōu)勢(shì)，但在現(xiàn)階段條件下采用高強(qiáng)鋼進(jìn)行車(chē)身輕量化的空間已經(jīng)十分有限。采用輕金屬雖然可以獲得較好的輕量化效果，但是成本仍然較高。復(fù)合材料可以獲得最佳的輕量化效果，但是成本極高，無(wú)法規(guī)模應(yīng)用。綜合考慮成本與輕量化效果，德國(guó)學(xué)者 HAHN 等 [9] 提出“多材料輕量化結(jié)構(gòu)”(Mixed material constructions)概念，認(rèn)為合理的輕量化應(yīng)該是“合適的材料用在合適的部位”，多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將代表今后汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖 4 汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)

2005 年，歐盟啟動(dòng)了著名的超輕車(chē)項(xiàng)目（SuperLIGHT-Car，SLC）。在德國(guó)大眾汽車(chē)公司的主導(dǎo)下，通過(guò) 38 家汽車(chē)生產(chǎn)廠家、汽車(chē)零部件供應(yīng)廠商、高等院校和研究所 4 年的共同努力，在不顯著增加轎車(chē)成本的前提下，設(shè)計(jì)并制造出了減重達(dá)35%(101 kg)的超輕 A 級(jí)轎車(chē)車(chē)身。如圖 5 所示，為了提高減重的效果，在采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，該車(chē)身中大量使用了輕金屬，尤其是鋁合金，并采用了多種連接工藝支撐多材料車(chē)身的制造，如弧焊、MIG 焊、電阻點(diǎn)焊、冷金屬過(guò)渡(Gold metaltransfer, CMT)弧焊、自沖鉚接、抽芯鉚釘、流鉆螺釘、攪拌摩擦點(diǎn)焊和膠接等。目前已經(jīng)有多款量產(chǎn)的多材料車(chē)身，如寶馬 5/6/7 系車(chē)身上鋁合金的用量都達(dá)到了 18%以上，奧迪 TT/TTS Coupe 車(chē)身達(dá)到 68%，奧迪 TT/TTS Roadster 也達(dá)到 58%。通過(guò)在全鋼車(chē)身中逐步引入鋁、鎂、復(fù)合材料等低密度材料，即開(kāi)發(fā)“多材料混合車(chē)身”，已經(jīng)成為全球汽車(chē)車(chē)身輕量化的必然趨勢(shì)。

圖 5 SLC 輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果

2 多材料輕量化車(chē)身對(duì)連接技術(shù)挑戰(zhàn)

通過(guò)多種材料的混合使用可以有效減輕車(chē)身重量，為汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展提供更多的機(jī)遇。然而，也對(duì)車(chē)身制造技術(shù)，尤其是焊接與連接技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。

2.1 電阻點(diǎn)焊工藝

電阻點(diǎn)焊因其高效率、低成本、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)在鋼制轎車(chē)車(chē)身裝配中長(zhǎng)期占主導(dǎo)地位，一輛典型的鋼制車(chē)身90%以上裝配量由電阻點(diǎn)焊工藝完成 。然而，多材料輕量化車(chē)身由于高強(qiáng)鋼的大量使用以及鋁鋼的混合使用，使得傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

2.1.1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的電阻點(diǎn)焊

根據(jù)美國(guó)達(dá)科環(huán)球的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2007 年北美汽車(chē)用材中高強(qiáng)鋼用量達(dá) 44.6%，其預(yù)測(cè) 2015 年則會(huì)高達(dá) 68.5%，尤其是雙相鋼、復(fù)相鋼(Complex steel，CP)、相變誘發(fā)塑性鋼、孿生誘發(fā)塑性鋼等先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及烘烤硬化鋼將大規(guī)模應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身。高強(qiáng)鋼由于含碳量和合金元素增加，奧氏體穩(wěn)定性顯著增加，在焊點(diǎn)快速冷卻過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)淬硬馬氏體，導(dǎo)致接頭容易產(chǎn)生界面斷裂。同時(shí)，由于點(diǎn)焊熔核結(jié)晶過(guò)程具有較強(qiáng)的方向性，導(dǎo)致接頭中容易出現(xiàn)合金元素偏析、結(jié)晶裂紋和氣孔，使接頭綜合力學(xué)性能變差。采用中頻逆變直流焊機(jī)精確控制能量輸入并配合焊后回火可以改善接頭性能，但會(huì)降低生產(chǎn)節(jié)拍、提高車(chē)身制造成本。磁控電阻點(diǎn)焊技術(shù) [12-13] 已經(jīng)證明可以宏觀上增大熔核直徑、微觀上細(xì)化晶粒，最終顯著提高接頭的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞性能，并改善界面斷裂(圖 6)，但是要應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)上還有許多技術(shù)問(wèn)題有待解決。

2.1.2 鋁—鋼的異種電阻點(diǎn)焊

由于輕金屬和鋼在電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)等諸多方面的顯著差異(表 2)，以及熔化焊時(shí)鋁鋼連接界面極易形成脆性相，采用傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)輕金屬與鋼的可靠連接。2006 年，F(xiàn)ronius 公司開(kāi)發(fā)了 Deltaspot 電阻點(diǎn)焊工藝用以實(shí)現(xiàn)鋁鋼的異種點(diǎn)焊。如圖 7 所示，該工藝通過(guò)在鋁板側(cè)使用高電阻率的電極帶，在鋼側(cè)使用低電阻率的電極帶，使鋁—鋼結(jié)合面上的鋁快速熔化，而鋼則保持固態(tài)，從而使得鋁向鋼中擴(kuò)散形成的脆性相厚度得到控制(小于 4 μm)，實(shí)現(xiàn)了鋁鋼的電阻釬焊。然而，由于鋁合金的熔化，接頭中鋁合金熱影響軟化比較嚴(yán)重。當(dāng)焊接熱處理強(qiáng)化鋁合金時(shí)，熱影響區(qū)強(qiáng)度會(huì)損失30%～40%。而對(duì)于工作硬化鋁合金，由于重結(jié)晶，熱影響區(qū)的強(qiáng)度也會(huì)顯著降低。

2.2 膠接技術(shù)

膠接技術(shù)是通過(guò)膠粘劑與被連接件之間的化學(xué)反應(yīng)或物理凝固等作用將材料連接在一起的連接技術(shù)。膠粘連接以其良好的抗疲勞性、隔音性、減振性在現(xiàn)階段的車(chē)身制造中有著廣泛的應(yīng)用，目前在SGM和SVW所有的車(chē)型上都大量使用了膠接技術(shù)。捷豹 X350 上用膠量高達(dá) 154 m，以顯著提高整車(chē)的安全性和舒適性。

對(duì)于多材料混合車(chē)身，由于膠接技術(shù)不存在熔化問(wèn)題，而且可以隔絕異種金屬接觸從而避免電化學(xué)腐蝕，因此具有明顯的優(yōu)越性。然而，多材料車(chē)身的膠接卻面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在高溫烤漆固化的時(shí)候，由于鋁鋼熱膨脹系數(shù)差異較大，會(huì)導(dǎo)致車(chē)身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，并使膠粘接頭失效，如圖 8所示。陶氏化學(xué)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出雙組分常溫固化膠以解決高溫固化引起的大變形，但是這些雙組分膠的力學(xué)性能要明顯低于目前大規(guī)模使用的單組分膠，而且在與單組分膠一起使用時(shí)存在較大的問(wèn)題。

2.3 固相連接技術(shù)

攪拌摩擦點(diǎn)焊(Friction stir spot welding，F(xiàn)SSW)作為一種固相連接方法，熱輸入低，可有效控制鋁
鋼結(jié)合面金屬間化合物形成，在鋁鋼異種連接方面具有很大優(yōu)勢(shì) [14] ，其原理如圖9所示。2006年Mazda宣稱(chēng)開(kāi)發(fā)出全球第一個(gè)基于FSSW的鋁鋼連接技術(shù)，然而迄今該技術(shù)仍局限于非承載部件連接。這是因?yàn)楦邚?qiáng)鋼的應(yīng)用使得針對(duì)鋁合金設(shè)計(jì)的 FSSW 技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

（1）FSSW 工藝會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與攪拌針形狀一致的工藝凹孔（圖10），該孔會(huì)大大降低接頭承載面積，從而削弱接頭力學(xué)性能。通過(guò)金屬回填可以消除工藝孔，但需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和較長(zhǎng)的工藝時(shí)間，難以滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)身的高生產(chǎn)節(jié)拍要求。

（2）高強(qiáng)鋼變形困難，需更多的熱量來(lái)軟化金屬，因此需要更多的工藝時(shí)間以產(chǎn)生更多的摩擦熱。

（3）與鋁合金相比，高強(qiáng)鋼熱導(dǎo)率很低，摩擦熱很難通過(guò)鋼板快速散出去，導(dǎo)致攪拌針溫度很高，在高速摩擦中容易發(fā)生磨損失效。對(duì)于鋼，符合要求的攪拌頭材料往往是難熔金屬合金或者結(jié)構(gòu)陶瓷，但價(jià)格極其昂貴，無(wú)法規(guī)模應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)。

2.4 機(jī)械連接技術(shù)

無(wú)鉚釘鉚接和自沖鉚接是汽車(chē)車(chē)身中應(yīng)用最為廣泛的兩種機(jī)械冷連接技術(shù)，它們不需要預(yù)沖孔便可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)板的連接，而且對(duì)連接對(duì)象的表面清潔度和氧化層不敏感，同時(shí)具有電阻點(diǎn)焊技術(shù)的高效率和易于自動(dòng)化等特點(diǎn)。

2.4.1 無(wú)鉚釘鉚接

無(wú)鉚釘連接(Clinching)技術(shù)，又叫“沖壓鉚接”，1897 年由德國(guó)人發(fā)明。如圖 11 所示，無(wú)鉚釘連接是利用板件本身的冷變形能力，對(duì)板件進(jìn)行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的機(jī)械連接技術(shù)。目前國(guó)際上提供該工藝裝備的公司主要為德國(guó)的TOX和美國(guó)的BTM（注冊(cè)商標(biāo)為T(mén)og-L-Loc）。因?yàn)槌杀镜偷膬?yōu)勢(shì)，無(wú)鉚釘鉚接工藝已經(jīng)在國(guó)外汽車(chē)工業(yè)中普遍應(yīng)用。國(guó)內(nèi) SVW 的途安、波羅、斯柯達(dá)明睿、斯柯達(dá)晶睿，以及 SGM的愛(ài)維歐、科魯茲、別克英朗、邁瑞寶、君越、君威都采用了 TOX 的技術(shù)與裝備。

如圖 12 所示，無(wú)鉚釘鉚接主要有直壁整體下模和分體下模兩種形式。其中前者的模具是一個(gè)整體，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。后者模具結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，模具中存在活動(dòng)部分，在連接時(shí)下模在金屬的作用下向側(cè)面滑開(kāi)，使金屬材料能夠充分從而形成塑性鑲嵌，所以其強(qiáng)度也較高。無(wú)鉚釘鉚接接頭強(qiáng)度是由頸厚值和嵌入量決定的，頸厚值決定抗剪強(qiáng)度，嵌入量則決定剝離強(qiáng)度，同時(shí)接頭底厚對(duì)強(qiáng)度也有重要影響 [18] 。但總體而言，無(wú)鉚釘鉚接接頭的剝離強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都比較低，所以通常只用在發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋等非承載部位。

2.4.2 自沖鉚接

1985 年基恩·瓊斯在英國(guó)創(chuàng)建 Henrob 公司，研發(fā)和生產(chǎn)出世界上第一套自沖鉚接（Self-piercing
riveting，SPR）設(shè)備。此后，美國(guó) EMHART 公司與德國(guó) BOLLHOFF 公司也相繼開(kāi)發(fā)出了自沖鉚接設(shè)
備。Henrob 公司作為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，在全世界范圍內(nèi)有超過(guò) 5 300 套設(shè)備在運(yùn)行，其在歐洲市場(chǎng)占有率高達(dá) 70%，中國(guó)目前有 60 多套。如圖 13 所示，自沖鉚接是通過(guò)半空心鉚釘刺穿上層板并與下層板之間通過(guò)塑性大變形形成機(jī)械自鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)。要形成一個(gè)合格的自沖鉚接接頭，必須遵循三個(gè)基本原則。

（1）鉚釘腿部在驅(qū)動(dòng)桿的推動(dòng)下刺穿上層板材，否則無(wú)法與下層板之間形成自鎖。

（2）鉚釘腿部要在下層板中呈喇叭形張開(kāi)，以使下層板能夠勾住張開(kāi)的鉚釘腿，從而形成機(jī)械自鎖。在外觀滿(mǎn)足要求的情況下，接頭強(qiáng)度可通過(guò)圖13b 所示的底切量大小來(lái)衡量。

（3）下層鋼板不能被穿透，以保證接頭具有良好的氣密性和抗腐蝕能力。

圖 13 自沖鉚接工藝過(guò)程及其接頭

目前，自沖鉚接方法已廣泛應(yīng)用于奧迪、寶馬、捷豹、沃爾沃、通用、福特和戴姆勒—克萊斯勒等公司鋁合金合身的制造，接頭疲勞強(qiáng)度可達(dá)電阻點(diǎn)焊的 2 倍。國(guó)內(nèi)在自沖鉚接方面研究起步較晚，近幾年天津大學(xué)、華東交通大學(xué)、以及清華大學(xué)，等圍繞鋁合金做了大量的理論和試驗(yàn)研究。上海交通大學(xué)針對(duì)鋁鋼異種連接研究了凹模、鉚釘尺寸等工藝要素對(duì)鋁—鋼自沖鉚接質(zhì)量的影響規(guī)律?？偠灾?，SPR 由于沒(méi)有熱輸入，已經(jīng)成為最具潛力的多材料車(chē)身連接方法。然而，高強(qiáng)鋼的引入使得 SPR 工藝面臨巨大挑戰(zhàn)。

（1）如圖 14 所示，高強(qiáng)鋼變形困難，從鋼鉚向鋁時(shí)鉚釘內(nèi)會(huì)形成空腔，而從鋁鉚向鋼時(shí)，鉚釘腿部難以使下層鋼板產(chǎn)生足夠塑性變形以形成自鎖。由于高強(qiáng)鋼延展率低，容易出現(xiàn)鉚穿缺陷。另外，鉚釘也容易因強(qiáng)度不足發(fā)生墩粗甚至開(kāi)裂。通過(guò)預(yù)熱可明顯改善高強(qiáng)鋼鉚接性能，但難以應(yīng)用于生產(chǎn)。

（2）鉚槍需要承受更大的鉚接力，容易產(chǎn)生變形，難以保證鉚釘和凹模的同軸度，導(dǎo)致接頭質(zhì)量穩(wěn)定性降低。

3 新型的多材料連接技術(shù)

隨著超高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料等材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)的連接方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足多材料車(chē)身制造的需求。為迎接多材料輕量化車(chē)身挑戰(zhàn)，世界各國(guó)已經(jīng)提出許多新型連接方法。機(jī)械連接方法在異種金屬連接方法具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，受到較多的關(guān)注。

4 結(jié)論

（1）輕量化材料、輕量化結(jié)構(gòu)以及輕量化結(jié)構(gòu)材料三種手段在車(chē)身上的合理化和精細(xì)化使用為車(chē)身輕量化帶來(lái)更多的空間和可能。多材料車(chē)身成為全球汽車(chē)車(chē)身輕量化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（2）連接技術(shù)成為制約多材料車(chē)身制造的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊技術(shù)以及單純的自沖鉚接技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足多材料車(chē)身發(fā)展的需要。

（3）多材料車(chē)身的制造需要多種工藝的支撐。機(jī)械連接與固相連接相復(fù)合成為未來(lái)汽車(chē)連接技術(shù)發(fā)展的新方向。新型的復(fù)合連接技術(shù)距離生產(chǎn)應(yīng)用仍有較大距離。