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拉斯维加斯3499汽车重量降低1%,钢和铝的材料复合在汽车工业的轻量化设计中有着巨大的应用潜力

点击: 162 次  来源:http://www.shabbyhome28.com 时间:2020-03-01

钢和铝的材料复合在汽车工业的轻量化设计中有着巨大的应用潜力。它们已经在汽车制造领域中得到了广泛的应用,但它们不是作为一种“复合”材料而使用的。

核心摘要: 汽车轻量化是汽车产业的发展方向之一,也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。汽车轻量化英文名称:Lightweight of

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在“汽车轻量化设计用钢-铝混合复合激光拼焊管内高压变形加工技术”的合作项目框架内,合作伙伴们的目标是:制造出重量非常轻的、量身定制的空心管材——其承载较大的部位使用高强度的钢材,而承载较低的部位则采用铝材。他们尝试着利用内高压变形加工工艺技术完成钢-铝材料激光拼焊管的变形加工。

汽车轻量化是汽车产业的发展方向之一,也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。汽车轻量化英文名称:Lightweight of Automobile。汽车的轻量化,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。当前,由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

新能源汽车及动力电池激光加工受益于动力电池扩产,激光焊接设备行业需求增速。电动汽车未来发展的关键技术是动力电池的安全性、成本及储能容量。动力电池的制作工艺复杂,安全性要求高;其制作过程中的关键工艺技术之一是激光焊接技术;动力电池激光焊接工艺包括电池软连接焊接、顶盖焊接、密封焊接、模组及PACK焊接。

德国汉诺威的工艺技术集成研究所和汉诺威的激光技术中心计划尝试实现这一目标。研发人员承诺,这一新技术将会在汽车的轻量化设计、制造中根据汽车零部件的具体情况最多把汽车零部件的重量减轻20%。许多企业对这一合作项目也很感兴趣。江森自控公司、奇昊汽车有限公司、Laser on Demang公司、LMB公司和SET Scientific公司等参与到这一项目中。

1、汽车轻量化与节能环保

激光焊接优势在于焊材损耗小、被焊接工件变形小、设备性能稳定易操作,焊接质量及自动化程度高。汽车轻量化持续带动对激光焊接的需求。减轻汽车重量,不仅可以降低油耗、减少二氧化碳排放,而且可以改善加速性能、缩短制动距离、最终提升驾驶体验。因此,汽车轻量化已经成为国内外汽车制造追求的一个新的目标。实现汽车轻量化,最有效的方式是使用轻质材料;相比于传统材料,目前可用的汽车轻质化材料有铝合金、碳纤维、镁合金等,而这些材料加工较普通钢材难度更大,通常采用激光焊接的方式进行处理,可以在加工效率和性能之间找到平衡;此外,板材的激光拼焊,能减少板材的搭接部分,进而减轻一部分的重量。激光焊接作为一种先进的加工技术,未来将成为汽车制造业的标配工具,需求也将受到汽车轻量化的发展而不断增长。

江森自控公司已制定了具体的计划:工程师们设计了一套座椅靠背的完整方案。“一方面,我们想利用激光拼焊管材大幅度地减轻座椅靠背的重量。不仅仅只是依靠轻量化设计的钢材和铝合金的材料组合使用来减轻座椅的重量,而且也尝试着减少座椅部件的零件数量。我们尝试的是座椅斜倚器零部件高强度零件的直接集成。这样,我们就可以省略一些迄今为止所必需使用的附件,从根本上加速我们全球的生产制造。”江森自控公司主管技术的副总裁Andreas Eppinger博士说道。

汽车行驶时,汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率、爬坡阻力功率、空气阻力功率和加速阻力功率。空气阻力主要与车身的形状、迎风面积等有关,并与速度的三次方成正比,但它与整车的总质量无关。而滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与整车的总质量成正比。所以减轻自身质量,就减轻了整车总质量,从而就正比例地减少了上述3种阻力,也降低了能量消耗。

随着新能源汽车的大量普及和快速上量,汽车轻量化已成为各整车厂商着重发力的方向。目前来看,汽车轻量化大体可以从优化结构设计、轻量化材料以及先进工艺三个方面来实现,而这三大方面的改进都离不开激光技术的支撑。事实上,在汽车制造行业里,激光技术的应用极为常见,尤其是激光焊接和切割应用最为普遍,某种程度上,已经成为了一种符合工业标准的工具。以实现汽车轻量化的三种途径来说,首先,在优化车身结构设计中,使用不等厚板是目前应用最成熟最广泛的方法,而不等厚板需采用激光拼焊实现;其次,在材料使用方面,目前最常用的轻量化材料有热成型和铝合金,热成型材料由于硬度太高,需要激光切孔和修边,铝合金焊接的最佳方式则是激光;最后,在车身零部件之间的连接工艺上,采用激光焊接可以减小法兰宽度,减轻重量,同时车身其他部件,如座椅焊接也越来越多地使用激光焊接来实现轻量化。种种迹象表明,激光应用技术已成为汽车制造领域不可或缺的部分。

另一方面,准确地满足承载要求的座椅靠背零件设计也开辟了一种新的设计方法:超薄座椅框架后方的空间更加宽敞,为后排座椅乘客的膝部留下了更大的空间,上下车也更加方便了,乘坐时的舒适性也明显地提高了。

世界铝业协会的报告指出,轿车质量每减少10% ,燃油消耗可降低6% ~8%。对自质量16~20 t的载货汽车,每减重1 000 kg,则可降低油耗6%~7%。油耗的降低,意味着汽车的排污量的降低。因此,减轻汽车自重,对于电动汽车而言,是节能的最有效措施之一;而对于燃油汽车,是节能环保的最有效措施之一。

钎焊替代激光焊接

2、汽车轻量化与钢材及运输成本

汽车生产过程中的一个重要连接工艺技术就是激光焊接。“铝和钢熔化后会产生脆性的金属间化合物相;它们的存在大大降低了材料的变形加工工艺性能。因此,我们在IHU-THT合作项目中用钎焊替代了激光焊接,因为与激光焊接技术相比较钎焊传导到被焊接材料中的热量明显要少,金属材料没有熔化,只是钎焊材料熔化了。”LZH公司的项目管理员Sarah Nothdurft女士说道。由于在IHU内高压变形加工时,压力变形加工系统的压力高达100MPa,因此也要求钢-铝钎焊后的管材也能够在这一高压下一起发生变形。这就省去使用激光焊接设备。而激光钎焊技术同样也是一种适合于大批量、工业化生产的焊接技术。“这种连接技术采用的是对接接缝的焊接接头,因为搭接形式的接头在IHU内高压加工工艺技术中是不合适的接头形式。另外,也要考虑被钎焊材料和钎焊材料不同的变形加工性能。”Sarah Nothdurft女士接着说道。

1)汽车轻量化减少了汽车用材,降低了制造成本。近年来,铁矿石价格上涨,钢铁也随之涨价。原材料价格的不断上涨,给汽车制造业带来了很大的压力。在汽车制造过程中,钢板的使用达50% ,各类铸铁件的使用占20% ~30% ,钢铁总消耗占所使用原材料的70% 。以重卡为例,单车价格因钢铁涨价而涨20%左右 。

LZH汉诺威的激光技术研究所的另一个任务就是设计一套激光钎焊所需的钎焊头。“这一钎焊头应保证激光射线的来回运动,可靠地保证传统钎焊丝的输送。”Sarah Nothdurft女士说。通过扫描仪帮助的激光射线与进给速度的合成运动以及与钎焊温度有关的功率调节,应能够保证钎焊过程实现最优化。

2)汽车轻量化还减少了收费公路的货车通行费。原来货运车辆的收费方式是根据车辆核定装载质量和车型分类来收取车辆通行费的, 2004年交通部出台《收费公路试行计重收费指导意见》,到2008年国内绝大部分省份都将实行计重收费。该政策以实地测量的车货总质量为依据,计重收取车辆通行费。这种收费方式除了能够抑制超载外,也促使汽车生产企业更加关注减轻车辆自重。在同样总重情况下,自重小的车能够装载更多的货物。如同样总重为40 t的车,自重11 t的车要比自重12 t的车多装1 t的货物。据测算,货车每降低1 t能给用户带来10 万元/ a的净收益 。

像钢材和铝材这样两种不同材料的组合还给研发人员提出了许多挑战:大多数的铝合金材料都比钢材要软很多,因此它们也非常容易变形。因此,这种混合结构的IHU内高压变形加工要比单一材料的半成品变形加工要复杂得多。在变形加工开始前要对复合钢材的钢材部分略微加热一下,以便使钢材段的变形性能与铝材段保持一致。“通过相对简单的设备、短时间的内高压变形预试后,我们得到了第一批有关数据。预试时使用的试件是激光拼焊钢材。”Jonathan Ross先生说道。

3、汽车轻量化的途径和手段

有目的地减轻重量

  1. 1轻量化设计轻量化设计可有以下3种:

在预试结果的基础上,IHU内高压变形加工研发项目参加人员开发了一套内高压变形加工工艺适用的FEM有限元模拟方案。“根据模拟得出的结果,可以利用IHU内高压变形加工工艺技术对真实的激光钎焊复合管进行变形加工试验。”Jonathan Ross先生总结道。通过这样的材料组合应用,能够比传统的激光拼焊件更加有目的地按照材料强度特性和重量要求在激光钎焊管材的局部利用内高压变形加工工艺完成变形加工,从而实现减轻零件重量、减轻部件、组件重量的目的。由于内高压变形加工工艺技术把多个传统的变形加工工步组合到一道工序内了,因此由其很高的加工速度和很少的工序、工步而能够节约大量的生产成本。据Jonathan Ross先生估计,根据当前的试验结果,似乎还不需要新的设备技术。估计对现有的内高压变形加工设备稍加改造就可以完成。

1)选取轻量的汽车形式和总成部件结构形式。如轿车采取发动机前置前轮驱动或发动机后置后轮驱动的布置形式,取代发动机前置后轮驱动的布置形式,减少中间传动轴以减重;卡车离合器用膜片弹簧取代螺旋弹簧,可减重一半以上;采用超轻悬架结构;采用承载式车身结构形式取代半承载式或非承载式车身结构形式。承载式车身结构是整个车身都参与承载,这样可以发挥车身材料性能的最大潜力。

激光钎焊的复合管材适合于在车架生产制造中使用,例如车辆C立柱与车顶的连接件、座椅框架和仪表盘支架等,但也可以在轴类零件的支承件中使用。在汽车座椅中和车门的碰撞保护与车门板材的连接件也是可以使用这种复合管材的地方。

2)车身结构、车架优化设计。据统计,轿车车身、底盘 、发动机3大件约占一辆轿车总重量的65% ,其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。我国客车车身骨架大多由型钢焊接而成,客车车身和货车车架也占相当大的比例,客车车身骨架通常采用局部加强的方法来加强强度,导致车身质量过大,有的12m大客车车身重量比轻量化车身重量多1 t。对大量客车车身结构的有限元分析和试验表明,我国客车车身自重大多存在偏重现象,而且有很多结构件出现强度、刚度富余的现象。除小部分客车结构杆件受力比较大外 ,其余大部分杆件受力很小 。因此,对客车车身结构进行轻量化设计,这是被认为当前切实可行的主要途径。而东风霸龙重卡将牵引车的306mm双层大梁优化为273mm的双梁车架,减重约500 kg,因此,减少汽车的车身,车架重量就减少汽车总重量,是汽车轻量化的重要途径。在方法上,可以采用有限元法、优化方法和拓扑方法。在保证客车骨架和底架的刚度、强度、舒适性、安全性及工艺构造等因素的条件下,对车身结构进行尺寸优化、形状优化及拓扑优化,减轻车身骨架、车身钢板的重量。

3)通过整车或零部件小型化,实现汽车轻量化。如德国1998年产的节能型小型家庭轿车,车长3530mm, 4座,自重800 kg,油耗2. 94L,排放低于90 kg/km 。

  1. 2新材料的应用

目前可用来减轻汽车自重的材料有2大类:

一是轻质材料,如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等,另一类是高强度材料,如高强度钢。

1)铝合金

铝的密度只有钢铁的1 /3, 具有良好的机械性能,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。但铝合金加工难度比钢材高,焊接性能差。

当前汽车用铝合金以铸件为主,约占汽车用铝量的80% ,用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。最近,重型车发动机中的进气歧管、油底壳、飞轮壳和齿轮室罩盖等零件也已开始大量采用铝合金铸件。变形铝合金在车身零件及结构件的应用方面也发展较快,如铝合金车厢盖、发动机罩、提升式后车门、前端翼子板、保险杠、车厢底板结构件、热交换器、车轮以及全铝车身等。预计铝将会成为仅次于钢的第2大汽车材料。

2)镁合金

镁的密度只有1. 8 g/ cm3 , 镁合金性能与铝合金相似,是当前最理想、重量最轻的金属结构材料。但其铸造性差,后处理工艺复杂,成本高。我国的镁资源非常丰富,储量占世界首位,因此前景非常广阔。目前已大批量应用镁的主要是车身和底盘零件,如仪表盘骨架与横梁、座椅骨架、转向盘、进气歧管,以及各种支架、罩盖等。

3)塑料及非金属基复合材料

采用塑料和非金属基复合材料一般可减轻部件的重量35%左右。低密度与超低密度片状成型塑料是由非金属为主的有机物组成的,具有密度小,成型性好,耐腐蚀,防振,隔音隔热等性能,同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。

目前,塑料大都使用在汽车的内外饰件上,如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件、功能件和车身覆盖件方向发展。

复合材料即纤维增强塑料,是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。复合材料密度小,设计灵活美观,易设计成整体结构,耐腐蚀,隔热隔电,耐冲击,抗振等。在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材,整体成本更低。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛,尤其在欧美车系中。

4)不锈钢

采用高强度不锈钢板试制的轿车前侧防撞弓形梁和保险杠、后挡板、发动机支架、LPG瓶等零部件,轻量幅度一般可达30%左右[ 6 ] 。但不锈钢成本较高,降低成本的主要途径有2个,一是选用价格相对较低的材料;二是通过优化设计与工艺优化,如减少零件数、取消防蚀处理、表面处理等,消化一部分因材料升高的费用。

5)精细陶瓷

精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。它具有优良的力学性能和化学性能 。它用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件,不仅使之减轻重量,而且使功率提高,油耗大大下降。

6)高强度钢

高强度钢与铝合金、塑料相比,具有价格低、弹性模量高、刚性好、耐冲击性好、抗疲劳强度高等特点,缺点是耐腐蚀性差。

目前汽车使用的高强度钢主要为板材与管材,它取代普钢、铸铁用于车身零件和其它结构件,如北美开发的PNGV2Class级轿车,其车身全部采用高强度钢,质量只有218 kg,与全铝车身相当。此外,采用液压成形技术生产的高强度钢构件也越来越多,如发动机托架、散热器支架、仪表板横梁、座椅骨架,以及轻型车后桥壳和车架等。

最新的应用情况表明,有些铝合金、镁合金零件,如保险杠、车轮、骨架、前门、后门、横梁等,又转而采用高强度钢。为满足更为严格的安全法规要求 ,各大汽车公司均加快了高强度钢在汽车车身、底盘、悬架和转向系零件上的应用,高强度钢在汽车中的应用逐年增加,预计高强度钢在轿车用钢中所占的比例会达到60%。

4、汽车的轻量化是一个复杂的系统工程

德国Paderbom大学的Hahn等提出了“多材料组合的轻量化结构”和“合适的材料用在合适的部位”2个观点。他们认为多材料结构设计代表了今后汽车车身结构设计的发展方向。通过对多材料结构进行优化,既能改进汽车性能,又能显着减轻质量。而“合适的材料用在合适的部位”是实现多材料轻量化结构设计的必然选择。当前汽车使用材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。

汽车零部件的多材料设计、部件的零件化的发展推动了材料技术与汽车设计、制造工艺越来越紧密的结合。激光拼焊、液压成形、金属半固态加工以及不同材料的连接技术等新技术就是在这种发展趋势下应运而生的。

汽车的轻量化是一个复杂的系统工程。在开发应用新材料的同时,不断发展相应的汽车零部件设计、制造技术和其它相关技术,这样才能以最低的成本获取最佳的轻量化效果。