據(jù)世界氣象組織發(fā)布的《2022年全球氣候狀況》臨時(shí)報(bào)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(dāng)前氣候問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，各種極端氣候問(wèn)題凸顯，構(gòu)建人類、自然命運(yùn)共同體迫在眉睫。

汽車是交通工具中最主要的碳排放來(lái)源。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心估算，目前汽車的碳排放占全社會(huì)碳排放的7.5％左右，占我國(guó)交通領(lǐng)域碳排放的80％以上。由于汽車碳排放主要來(lái)源于化石燃料，而新能源汽車主要走純電技術(shù)、插電混動(dòng)、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(guò)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(jí)是推進(jìn)節(jié)能減排的關(guān)鍵，更是實(shí)現(xiàn)國(guó)家“碳達(dá)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(guó)新能源汽車銷量達(dá)到688.7萬(wàn)輛，新能源市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著新能源汽車保有量的增加，以及汽車輕量化帶來(lái)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(shì)頭強(qiáng)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(diǎn)，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(yīng)用，如何實(shí)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：①材料輕量化，主要采用高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等；②結(jié)構(gòu)輕量化，主要進(jìn)行尺寸形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等；③工藝輕量化，主要采用先進(jìn)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(shì)

目前輕量化材料中，鋁合金相比高強(qiáng)度鋼而言，其強(qiáng)度高，能最大程度降低車身重量，減重效果好，且耐腐蝕性強(qiáng)，回收難度低，回收利用率高，具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，能實(shí)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(qiáng)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(jià)格更低；相比鈦合金，由于鋁合金對(duì)加工工藝參數(shù)敏感性要求相對(duì)較低，鋁合金的應(yīng)用更具成本優(yōu)勢(shì)；相比塑料、碳纖維等復(fù)合材料，由于目前對(duì)復(fù)合材料的實(shí)際研發(fā)應(yīng)用水平低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，鋁合金更具備大規(guī)模應(yīng)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(jì)性的同時(shí)，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，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(bào)廢率低，成形尺寸精度高，成形質(zhì)量好，應(yīng)用最廣。而半固體成形技術(shù)是一種新型成形技術(shù)，當(dāng)鋁合金處于固態(tài)和液態(tài)之間的半溶狀態(tài)時(shí)，能獲得較好的填充，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的成形時(shí)，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(yīng)用，無(wú)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(fù)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(jìn)行成形，因此在如輪轂、制動(dòng)盤(pán)等復(fù)雜的新能源汽車構(gòu)件中應(yīng)用較廣。變形鋁合金強(qiáng)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(yīng)用于如車門、保險(xiǎn)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(yīng)構(gòu)件的碰撞安全性。鋁基復(fù)合材料相比非增強(qiáng)金屬，其具有更輕的重量，卓越的耐磨性，適用于惡劣工況，應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景

新能源汽車主要由電力驅(qū)動(dòng)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(pán)、電池箱等都得到了廣泛應(yīng)用。

1.3.1 新能源汽車車身的輕量化應(yīng)用

新能源汽車中，車身占汽車自重的比例較大，通過(guò)車身鋁合金材料的應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)汽車減重的同時(shí)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(wú)法消除的波紋等優(yōu)點(diǎn)，從而在車身外覆蓋件方面得到廣泛應(yīng)用，如蔚來(lái)、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(fù)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(jí)的5系鋁合金車門內(nèi)板，長(zhǎng)城VV7的機(jī)蓋外板。但5系材料在成形過(guò)程中容易出現(xiàn)形紋，因此在成形過(guò)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(yīng)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(pán)的輕量化應(yīng)用

汽車底盤(pán)主要由傳動(dòng)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(duì)傳統(tǒng)汽車，其傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生變化，從原來(lái)的依靠發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)到以單電機(jī)傳動(dòng)、主電機(jī)+輪轂電機(jī)傳動(dòng)、雙電機(jī)雙軸傳動(dòng)等3種方案進(jìn)行傳動(dòng)。除此之外，新能源汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)也發(fā)生變化，由于新能源汽車取消發(fā)動(dòng)機(jī)，相應(yīng)的由原來(lái)的液壓助力轉(zhuǎn)向變更為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，液壓真空助力泵變更為電動(dòng)真空助力泵。因此新能源汽車相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車底盤(pán)，其底盤(pán)的作用基本相同，區(qū)別在于支撐及安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的位置變動(dòng)成為支撐及安裝以電池模塊單元為主的電機(jī)動(dòng)力總成。當(dāng)前汽車底盤(pán)材料主要以TRIP鋼為主，因此，在新能源汽車底盤(pán)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以選擇鋁合金來(lái)代替TRIP鋼質(zhì)材料從而達(dá)到汽車輕量化的設(shè)計(jì)。目前，鋁合金鑄件YL118、ZL119、ZL120等在汽車底盤(pán)中也得到了很好的應(yīng)用。如美國(guó)福特汽車公司將鋁合金應(yīng)用于汽車制動(dòng)盤(pán)，凱迪拉克、路虎等將鋁合金應(yīng)用于汽車懸掛系統(tǒng)，蔚來(lái)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(pán)的輕量化應(yīng)用

相對(duì)傳統(tǒng)燃油車，動(dòng)力電池是新能源汽車獨(dú)有的動(dòng)力系統(tǒng)部件。而在新能源汽車中，動(dòng)力電池約占整車質(zhì)量的30%，其中電池盒的重量就占動(dòng)力電池重量的約20%，因此實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的電池盒輕量化發(fā)展是大勢(shì)所趨。鋁合金材料密度小、散熱性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、壓鑄性好的優(yōu)勢(shì)，使其成為電池盒材料應(yīng)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(pán)、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(jì)中，除了在沖壓過(guò)程中考慮輕量化適度減薄還需要考慮新能源汽車行駛過(guò)程中路面的復(fù)雜性及可能存在的多樣化碰撞形式，對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，適當(dāng)增加加強(qiáng)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(shí)代、蔚來(lái)等都已生產(chǎn)出相應(yīng)的鋁質(zhì)電池箱，在實(shí)現(xiàn)電池箱高強(qiáng)度的同時(shí)，達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

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(hù)焊和電阻點(diǎn)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(fù)合材料成為新能源汽車輕量化發(fā)展的趨勢(shì)，而這對(duì)制造過(guò)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(wèn)題

鋁合金在焊接過(guò)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，會(huì)降低連接強(qiáng)度。并且在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔、裂紋，焊接部位會(huì)出現(xiàn)變形等問(wèn)題。此外，鋁合金與異種金屬之間焊接時(shí)，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(diǎn)在1537℃，鋁合金的熔點(diǎn)在660℃，2種金屬的熔點(diǎn)相差很大，在相同熱源強(qiáng)度下，鋁合金和鋼很難同時(shí)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(guò)程中容易在連接處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而容易在連接處形成裂紋。

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(diǎn)焊技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)、攪拌摩擦焊接技術(shù)和冷金屬過(guò)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(wú)鉚自沖鉚接技術(shù)、結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)技術(shù)

2.2.1 新能源汽車鋁合金電極帶式電阻點(diǎn)焊技術(shù)

電極帶式電阻點(diǎn)焊技術(shù)通過(guò)對(duì)電極進(jìn)行改造，在工件和電極之間加入電極帶，焊接時(shí)，將被焊工件放入兩電極間并壓緊，同時(shí)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(diǎn)。在一個(gè)焊點(diǎn)完成后，電極帶自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)完成更新，解決了鋁合金焊接時(shí)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源汽車鋁合金車門的點(diǎn)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(yīng)力小等優(yōu)勢(shì)受到汽車行業(yè)廣泛關(guān)注，在新能源汽車制造中應(yīng)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(shí)現(xiàn)鋁合金的高質(zhì)量連接，焊接長(zhǎng)度可達(dá)20~30m。但鋁合金在激光焊接過(guò)程中，焊接工藝選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)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(duì)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(fù)合焊接技術(shù)

激光-電弧復(fù)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(shì)，通過(guò)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(shí)較少產(chǎn)生熱裂紋，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。但在應(yīng)用激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)的過(guò)程中，依舊存在一些問(wèn)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(fù)合焊焊接的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)熱循環(huán)，該熱循環(huán)在不同程度上會(huì)影響接頭的力學(xué)性能，甚至?xí)�產(chǎn)生形變或者色變等問(wèn)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(shí)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(guò)摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)相應(yīng)的位置進(jìn)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(shí)現(xiàn)前部向后端塑性的合理性流動(dòng)，有效實(shí)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(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)化處理，并減少變形，降低接頭處的殘余應(yīng)力，并且沒(méi)有煙塵、飛濺等問(wèn)題，連接的成本也低。但其在應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)焊件進(jìn)行有效固定，對(duì)焊件裝夾要求高。其次，針對(duì)焊縫尾部的鑰孔現(xiàn)象，需要進(jìn)行精細(xì)化處理，連接時(shí)候的速度也較慢，無(wú)法在新能源汽車鋁合金車身的焊接上得到廣泛應(yīng)用。

2.2.5 新能源汽車鋁合金冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)

冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)通過(guò)在焊接時(shí)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(jìn)行新的焊接。該焊接過(guò)程沒(méi)有焊渣和飛濺，能實(shí)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(yīng)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(diǎn)焊等熱連接技術(shù)高能耗、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，其工作原理是利用鉚槍產(chǎn)生的壓力將鉚釘穿過(guò)第一層的材料，鉚釘在鉚模的作用下，往底層的材料中滑動(dòng)和延伸并穿入到底層的板材，但不會(huì)穿透下層的板材，從而在板材之間形成一個(gè)能相互鑲嵌的鉚釘連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多層金屬零件進(jìn)行機(jī)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(jìn)行連接時(shí)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3mm、5mm。

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(guò)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(shí)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(yīng)的防腐蝕能力下降。

2.2.8 新能源汽車鋁合金無(wú)鉚自沖鉚接技術(shù)

無(wú)鉚釘自沖鉚接技術(shù)利用板件本身的冷變形能力，通過(guò)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(jìn)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(shí)通常采用圓形的模具，形成圓形的連接點(diǎn)。且該技術(shù)不會(huì)對(duì)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(qiáng)度較低，目前只局限應(yīng)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(shí)采用面接觸的方式，通過(guò)物理化學(xué)變化將被連接件間進(jìn)行連接，相比點(diǎn)焊和鉚接，不容易在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，連接處的強(qiáng)度和剛度都較高，廣泛應(yīng)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(fù)合進(jìn)行連接。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)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(shí)對(duì)鋁合金連接方式的選擇需要進(jìn)行綜合考慮，保證連接方式的先進(jìn)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(yīng)用，新能源汽車鋁合金輕量化發(fā)展必將助力我國(guó)汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。

文章來(lái)源：鈑金加工與焊接噴涂

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