由车身轻量化引发的思考:未来汽车还需要焊接吗?

七号_宋

白车身焊接是指将各种冲压件通过焊接的方式装配成合格的白车身总成。现代汽车中常见的焊接方式有多种,比如电阻点焊、激光焊、Plasma焊、铆焊、TIG/MIG焊等,各种焊接方式各司其职,特点不一。

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据统计,白车身中的焊点数目高达4000~6000个之多,将各冲压件装配到一起的同时,还会额外增加车身重量。在现代车身轻量化趋势之下,关于焊接工艺的控制手段层出不穷。比如说采用仿真分析,对焊接点进行优化分析,在满足车身强度的同时,减少焊接点的数目;采用增重少的焊接工艺取代增重多的焊接工艺,比如说激光焊接工艺,以连续的激光焊缝代替离散的点焊缝,可以减少搭接宽度和一些加强部件,压缩车身结构件本身的体积。

但是,以上只是在对现有的焊接工艺进行改进,真颠覆性的改变还未到来。

近年来由于燃油危机以及环境污染等问题,车身轻量化受到越来越多的关注。特别是新能源汽车,与传统汽车不同,采用了电池作为动力来驱动汽车运行,因此受到了电池重量、续航里程的制约,在车辆设计和材料应用上,车身轻量化是车企首要考虑的问题。基于此原因,各大汽车公司纷纷推出应对策略,希望寻求新的车身材料,达到减轻车重的目的,其中碳纤维和铝合金是讨论最多的材料。

我们先来看以下案例:

  1. 2015年02月13号,福特汽车公司宣布,将与美国陶氏化学合作,研究制造创新性碳纤维复合材料,在未来的产品上用使用;
  2. 日本东丽工业与戴勒姆分别持股50.1%、49.9%成立合资公司,于2012年起生产碳纤维加固塑料制成的汽车零部件;
  3. 通用汽车公司和日本的碳纤维制造商帝人公司于2011年12月8日宣布,他们将共同开发先进碳纤维/热塑性复合材料技术;
  4. 铝轧制品巨头诺贝丽斯(NovelisInc.)在全球大幅扩张汽车用铝板的产能,该企业在北美、欧洲业务拓展的基础上,于2014年底建成了亚洲第一条汽车专用铝板生产线(常州);
  5. 美国市场研究机构Ducker的一份报告称,尽管目前仅有1%的汽车为全铝车身,到2025年全球将有18%的汽车为全铝车身。

那么,随着新材料的兴起,传统的焊接工艺是否会受到影响呢?

答案是肯定的,比如说铝合金就因其易氧化、热导率和比热容高、线膨胀系数大、合金元素易挥发等缺点,对传统的焊接工艺就产生了极大的挑战。

近年来,在一些高端车型中出现了一种新的胶接技术,与传统的辅助焊接手段不同,旨在以铆接和胶接技术相结合或仅采用胶接技术,来大量减少或全面取代焊接工艺。比如说捷豹T-TYPE,全铝车身结构完全采用铆接和焊接。F-TYPE的白车身重量仅为261Kg,而一般车身重量则有300Kg左右,减重了近40Kg。

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由于铝合金材料是金属材料,在强度、塑性、重量上受到限制,采用完全胶接的方式还是比较难以实现的,现使用这种手段的车型仅有捷豹T-TYPE、路特斯Elise等车型。但是作为“可塑性”以及强度更高的碳纤维材料,这方面的难度就减小了很多。比如说配备碳纤维车身的宝马i系列电动车,车身的粘合是通过长达160米的胶水来完成的。2005~2014这十年间,宝马集团从宝马M家族车型开始逐步加大碳纤维复合材料的应用,积累了丰富的研发和生产经验。而宝马i产品的车身则是完全由碳纤维打造,用编织、成型、粘接工艺取代了传统金属车身的冲压、焊接工艺。

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如果说铝合金技术是现在,那么碳纤维技术很有可能就是未来。现在碳纤维技术存在成本高、可修复性难等问题,但这并不是不能解决。在各大车企的共同努力下,成本问题得到了一定的改善。比如说国产车型奕代T300,就配备了碳纤维单体壳车身,售价仅为12万元。

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又或者是陶氏汽车系统在碳纤维粘接解决方案上的创新成果——BETAFORCETM复合材料结构胶注射粘接技术。该技术是通过调整开放时间和周期时间等参数,在不影响机械性能的条件下按照客户的特殊生产要求进行定制结构胶,帮助客户提高其装配效率。应用注射粘接技术,碳纤维部件得以更广泛地应用于多种材料的装配,有效支持汽车制造商的轻量化策略。该技术现已成功应用于宝马集团最新推出的宝马7系中(2016款)。

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以上,车身轻量化是大趋势,在这种趋势下引发的对各种新材料、新工艺的研究层出不穷,传统的白车身焊接工艺必将受到车身轻量化潮流的影响,或许真有某一天,连普通民用车的白车身都不会采用焊接工艺了。

作者:七号_宋

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