汽車鋼鋁車身的快速試制及其質(zhì)量控制

李福貴

（上汽通用五菱股份有限公司，廣西柳州 545000）

0 引言

汽車的輕量化是指在保持汽車的強(qiáng)度和安全性能不降低的前提下盡可能地降低汽車車身質(zhì)量。目前實現(xiàn)輕量化主要可以通過以下的3種途徑：1）輕量化材料。如使用結(jié)構(gòu)更輕的高強(qiáng)度鋼、鋁合金等對傳統(tǒng)普通鋼零部件進(jìn)行代替。2）輕量化結(jié)構(gòu)。如通過拓?fù)鋬?yōu)化等方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化車身零部件數(shù)量、減少零部件尺寸等。3）輕量化工藝。如熱成型、激光拼焊板等工藝。目前最主流的輕量化材料為高強(qiáng)度鋼和鋁合金材料。

汽車的樣車試制主要是為了在制造、實驗等過程中及時發(fā)現(xiàn)各種產(chǎn)品設(shè)計問題、工藝問題、產(chǎn)品質(zhì)量問題、人機(jī)問題及提前驗證各類工廠工裝等[1]。越來越多鋼鋁車身的出現(xiàn)，為行業(yè)的研究人員提供了新的課題。

1 鋼鋁車身

21世紀(jì)以來，我國的汽車工業(yè)出現(xiàn)了長足的進(jìn)步。近年來，隨著節(jié)能減排、建設(shè)“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”社會、能源戰(zhàn)略安全等要求，鋁合金、復(fù)合材料、鎂合金、高強(qiáng)鋼等輕質(zhì)材料在汽車車身中的運用日益廣泛。從20世紀(jì)開始，奧迪、寶馬、捷豹等在全鋁車身的開發(fā)中積累了豐富的經(jīng)驗，但是實現(xiàn)普遍性的使用仍然有較大的困難。

由于全鋁車身的沖壓成型質(zhì)量控制難度較高、連接工藝復(fù)雜及成本過高等因素，全鋁車身制造費用居高不下。且當(dāng)發(fā)生事故的時候，鋁合金車身較難修復(fù)，使得后期維保成本過高。這些都造成了全鋁車身的推廣較為困難，只能在高端汽車中嘗試。高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)度鋼的出現(xiàn)，對汽車的安全性能、輕量化也有較大幫助，因此，很多高端車型如奧迪A8、特斯拉Model 3、蔚來ES6等開始采用結(jié)合“鋼”“鋁”兩種材料優(yōu)點于一身的鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)。

車身是汽車的四大組成部分之一，其安全性對于駕駛員與乘客至關(guān)重要，也就是在發(fā)生低速碰撞與高速碰撞的情況下，車身作為一個整體，能夠吸收外部的沖擊能量，并保證駕駛員與乘客的生存空間。因此，車身的開發(fā)設(shè)計需要同時兼顧“降低乘員受到的沖擊”及“保護(hù)座艙空間”，才能使事故中避免或降低傷亡，這需要車身能夠“剛?cè)岵?jì)”“軟硬兼顧”。鋼與鋁作為地球上豐富的金屬元素，能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能。上鋼下鋁，即鋁合金在下部車體中較多使用，達(dá)到吸收能量的作用，并兼顧輕量化。尤其是對于新能源電動汽車，下車體因電池質(zhì)量較大而采用更輕質(zhì)的鋁合金，上車身則采用高強(qiáng)的熱成型鋼，實現(xiàn)整車上下質(zhì)量的完美配比。為了降低燃油汽車、中低端電動汽車的制造成本，在下部車體中減震塔、縱梁、防撞梁、關(guān)鍵接頭、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)件等位置采用鋁制零部件，其他區(qū)域采用普通鋼與高強(qiáng)鋼的搭配，也能在低成本的前提下在安全性、輕量化二者之間取得均衡。

兩種相同的材料實現(xiàn)拼接，一般是采用焊接技術(shù)。但鋼鋁這兩種材料的差異很大，難以繼續(xù)采用焊接工藝進(jìn)行連接，并且難以保證焊接強(qiáng)度。因此自沖鉚接（SPR）等新型連接工藝在車身中逐步得到運用。

圖1 典型鋼鋁車身的下車體部分

圖2 自沖鉚接設(shè)備

自沖鉚接主要是壓邊圈首先向下運動對鉚接材料進(jìn)行預(yù)壓緊，防止鉚接材料在鉚釘?shù)淖饔孟孪虬寄?nèi)流動，而后沖頭向下運動推動鉚釘刺穿上層材料，實現(xiàn)多層材料異種材料之間的連接。自沖鉚的連接原理與電阻焊完全不同，其研究路線如圖3所示。

圖3 自沖鉚連接的研究技術(shù)路線

2 鋼鋁車身的快速試制

鋼鋁車身的試制流程如圖4所示。

圖4 鋼鋁車身試制流程

2.1 工藝分析策劃

工藝分析策劃是工裝開發(fā)之前的準(zhǔn)備工作，從理論和經(jīng)驗上對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝可行性分析，分析輸出工法圖（指導(dǎo)模具定位的文件）、連接流程圖（即確定夾具數(shù)量）、夾具式樣書（指導(dǎo)夾具定位的文件）。鋼鋁混合車身試制與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)車身不同[2]，主要區(qū)別在于鋼-鋁連接工藝和鋁-鋁連接工藝。在工藝分析策劃時，要結(jié)合考慮具體的連接工藝特性，確保最終工藝的可行性。

圖5 夾具式樣書

2.2 試制工裝開發(fā)

工裝開發(fā)一般流程：設(shè)計→評審→修改→制造→標(biāo)定測量。有工法圖、夾具式樣書和連接流程圖的輸入，設(shè)計人員進(jìn)行工裝設(shè)計。設(shè)計完成后，組織設(shè)計人員、工藝人員、制造部門、質(zhì)量部門一起會審，會審輸出整改清單。設(shè)計修改確認(rèn)后，開始工裝制造。夾具的驗收需要合格的三坐標(biāo)測量報告。模具的驗收需要合格的零件測量報告。

試制項目工裝開發(fā)不同于量產(chǎn)項目，因為零件需求數(shù)量極少，所以對工裝的強(qiáng)度要求低（滿足試制使用即可）。試制項目一般只開發(fā)主要的工裝，如：1）模具。只開發(fā)成型、整形模，不開發(fā)切邊模具，切邊、沖孔依靠激光切割完成。2）夾具。保證零件的基本定位前提下，盡可能地合并工序，同一套夾具通過多次裝、取件實現(xiàn)零件連接；夾具零件標(biāo)準(zhǔn)化程度高。3）檢具。盡可能不制作正式檢具，檢測途徑為測量支架+三坐標(biāo)測量儀器測量，或在模具上刻線，“以模代檢”。這樣的模式優(yōu)點是工裝開發(fā)少、周期短、成本低、質(zhì)量有保證。鋼鋁混合白車身還有鋁零件工裝（如擠壓件需擠壓模，鑄造件需鑄造模等）。這類工裝的開發(fā)周期比鋼件的模具短，符合快速制造的要求。

圖6 車身前大梁總成的試制夾具

2.3 工藝參數(shù)調(diào)試

為了保證連接的可靠性，連接工藝的參數(shù)調(diào)試、驗證必不可少。按實際造車的連接工藝需求和對應(yīng)的材料準(zhǔn)備試片，進(jìn)行試驗。對參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的試驗和調(diào)整，直至試片驗證結(jié)果符合質(zhì)量要求，才能確定該參數(shù)為合格參數(shù)，用于零件總成連接上。

以某車型鋼鋁混合前機(jī)艙總成為例，用到的連接工藝有點焊、凸焊、氣保焊、SPR連接工藝，不同的工藝需要一一調(diào)試參數(shù)。圖7展示了鋼鋁連接SPR參數(shù)調(diào)試過程。

圖7 自沖鉚參數(shù)調(diào)試過程

2.4 總成連接制造

鋼結(jié)構(gòu)白車身使用最多的連接工藝是點焊、凸焊和氣保焊，鋼鋁混合白車身額外還有鋁點焊、SPR、摩擦焊、熱熔自攻絲FDS、激光焊、粘接等。在零件、工裝、設(shè)備、參數(shù)、人員準(zhǔn)備就緒之后，總成連接制造開始進(jìn)行。根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書（簡單編制的工藝文件），開始匹配零件。試制項目的零件主要是靠鈑金師傅修正零件型面尺寸的，檢驗員只對每一個零件的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了檢測，所以連接時必須由工藝工程師確認(rèn)各零件面搭接的間隙情況。在零件搭接面干涉，超出可接受范圍的，還需要及時進(jìn)行鈑金修復(fù)。只有這樣才能保證總成的精度要求。

圖8是某鋼鋁混合的車身，減震塔采用了壓鑄鋁合金的材料，前艙其它部分則是鋼制零件，按照前述的流程進(jìn)行試制制造，以便開展后續(xù)進(jìn)一步驗證工作。

圖8 某鋼鋁混合前機(jī)艙總成的試制

2.5 總成尺寸檢測及精度提升

白車身總成或分總成尺寸測量常用的設(shè)備是三坐標(biāo)測量儀。總成零件放置在測量支架上，測量支架只定位基準(zhǔn)孔和支撐基準(zhǔn)面，目的是為了獲取更大的三坐標(biāo)檢測空間。對于較大的或較軟的總成零件會適當(dāng)增加輔助支撐（如前地板總成）。質(zhì)檢員按檢測計劃檢測并輸出測量報告。工藝工程師根據(jù)質(zhì)量檢測報告，進(jìn)行工藝分析，偏置調(diào)整夾具，提升總成精度。

圖9 某車型前機(jī)艙的測量支架

3 試制質(zhì)量控制

白車身總成或分總成質(zhì)量控制包括外觀、連接強(qiáng)度、尺寸。對于不同質(zhì)量要求，制訂不同的檢測措施，路線是：模擬實際造車連接工藝，用試片代替零件驗證確定參數(shù)，總成質(zhì)量檢測、評估分析、返修。

3.1 外觀的檢測及修復(fù)

外觀面分A、B、C等級要求，A級面指使用能直視的，要求最高，其他等級的次之。外觀面檢測：1）用手撫摸（憑經(jīng)驗判定）；2）通過油石輔助目視，對比質(zhì)量的圖示卡判定是否合格。對于不合格的面，進(jìn)行手工修復(fù)。

3.2 連接強(qiáng)度的檢測及修復(fù)

試制、量產(chǎn)的整車破壞試驗檢測方法是一樣的。試制項目做整車的破壞試驗較少，局部抽檢的做法比較多。全破試驗檢測比較耗時，非路試的試驗對連接強(qiáng)度要求不高。為滿足快速試制的效率和保證強(qiáng)度，不同工藝采取不同的措施。

1）點焊。破壞試驗檢測的鑿檢方法，即選取一部分有代表性的焊點，在搭接面中間鑿開小許，能目測判斷是否虛焊即可。然后再修復(fù)平整，必要時在旁邊加焊加固。非破壞試驗檢測的無損探傷方法，使用超聲波檢測儀器對所有焊點進(jìn)行檢測。對于不合格的點，在相鄰位置進(jìn)行再加固（或點焊或氣保焊）。

2）SPR的破壞試驗檢測。檢測項目有顯微頭高、互鎖值、剩余材料厚度等。SPR的非破壞試驗檢測包括目測鉚扣不完整、鉚扣裂紋、穿通等。SPR返修的一般方法為：在不合格點的位置或鄰側(cè)增加連接SPR、點焊、抽芯拉鉚、膠接等。

3.3 尺寸的返修

圖10 點焊的超聲波檢測報告

在試制項目里，零件尺寸返修是常見附加步驟。返修人員根據(jù)質(zhì)量測量報告，對不合格的面和孔進(jìn)行修復(fù)。主要的基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)面有夾具定位，尺寸超差的可能性小，需返修較多的是其他一些安裝孔、搭接面尺寸。修復(fù)的手段有很多，輕微的修復(fù)有錘、磨、拉、焊接；嚴(yán)重的修復(fù)有切割、鑲補(bǔ)、焊接、鉚接等。修復(fù)完畢，質(zhì)檢員再檢測，確認(rèn)尺寸合格之后才能流轉(zhuǎn)。沒有修復(fù)合格的地方需要再次修復(fù)，不能修復(fù)合格、影響裝車且不可接受的部位，只能報廢處理。

在軟工裝試制項目里面，單臺車的測量工作量很大。以前機(jī)艙總成為例，使用檢具非全尺寸測量大約需時2 h，使用三坐標(biāo)儀器非全尺寸測量大約需時6 h，加上返修檢測時間，測量瓶頸更突出。在總成測量階段，需要多臺設(shè)備參與測量才能滿足節(jié)拍要求。

圖11 自沖鉚的返修

4 結(jié)語

隨著汽車行業(yè)進(jìn)入一個銷售的調(diào)整期，汽車市場的競爭越發(fā)激烈，開發(fā)周期越來越短[3]。政策端鼓勵碳達(dá)峰、碳中和，市場端對于燃油汽車新能源汽車的續(xù)航里程及經(jīng)濟(jì)性更加關(guān)注。鋼鋁車身的試制將是未來幾年中行業(yè)從業(yè)人員主要面臨的工作之一，本文拋磚引玉做了些探究并將在后續(xù)工作中繼續(xù)完善。