新能源汽車結構輕量化關鍵工藝分析

鄧劍鋒

(廣西生態工程職業技術學院，廣西 柳州 545004)

0 前言

隨著時代發展，社會總體能源消耗量大幅增加，傳統燃油汽車使用數量和規模的擴大，導致了能源消耗與環境污染日漸嚴峻。通過對能源實際消耗與能源儲備占比的研究分析發現，目前全球能源短缺日趨嚴重。采用科學合理的能源開采計劃及能源使用規劃已經成為世界各國的共識。

我國堅持走綠色可持續發展的道路，積極倡導新能源汽車的推廣和應用，逐步替代傳統燃油汽車。為了避免新能源汽車對能源造成不必要浪費及對環境造成污染，新能源汽車的輕量化設計是必然趨勢，這將對新能源汽車的發展、制造及投入使用具有重要意義。

通過調研分析，當前新能源汽車輕量化研究主要內容有：① 選擇合適的設計開發方式和分析方法。燃油汽車在經歷了1個多世紀的發展，其在車身設計、用料等方面都形成了較為成熟的體系，而新能源汽車仍處于摸索與研究階段，需要相關技術人員投入更多的精力加以分析與研究。② 選用合適的替代材料及選擇合適的新材料制造工藝，有效解決新能源汽車輕量化方面的問題。③ 發揮我國強大的生產制造能力的優勢，合理完成新材料的制造加工，使其逐漸轉變為輕量化的結構材料。

1 輕質材料的應用

1.1 高強鋼

高強鋼可分為普通高強鋼和先進高強鋼。普通高強鋼包括烘烤硬化鋼、無間隙原子鋼和剛強度低合金鋼等；先進高強鋼包括雙相鋼、復相鋼和相變誘導塑性鋼等。有專家指出，高強鋼可有效減輕汽車質量，有效提升汽車碰撞安全性能。因此，從成本和性能角度分析，高強鋼可滿足新能源汽車車身輕量化要求，也能確保新能源汽車符合汽車碰撞安全性要求。

1.2 鋁合金

鋁合金密度較小，僅為鋼材料的三分之一。該材料極易被擠壓成型，且具有良好的耐腐蝕性、較高的強度及良好的韌性。同樣的汽車車身結構，相對于采用鋼制材料的車身質量，采用鋁制材料可降低質量約40%。在相同結構下，鋁制輪轂的質量也只有鋼制輪轂的30%左右。在現代汽車的制造工藝中，鋁合金的應用規模日漸擴大，且越來越普遍。該材料將有望發展成為極具優勢的汽車輕量化材料之一。

1.3 碳纖維復合材料

碳纖維復合材料自身帶有一定的物理特性。目前，以樹脂與金屬為基體的復合材料在車身上的應用已較為成熟，并具備較多制造工藝上的優勢。與同類鋼制零部件相比，使用碳纖維復合材料的零部件，其質量僅為50%；與鋁制零部件相比，其質量僅為30%。研究發現，使用碳纖維復合材料，可使汽車車身和底盤整體質量減小40%～60%。

目前，由碳纖維復合材料制成的結構性車身主要應用于豪華跑車、方程式賽車等對車身輕量化要求較高的車型。

2 新焊接工藝

2.1 激光拼焊

激光拼焊技術借鑒了裁剪制衣的相關原理，是將不同厚度、不同材質、不同涂層的鋼板進行激光焊接，使其成為完整的拼焊板，在整體沖壓制造后，與其他零部件進行總裝的一種焊接方法。該工藝可滿足汽車零部對材料性能的不同要求，對提升材料的使用效率及對零部件質量控制具有重要意義。

激光拼焊板最早被應用于德國蒂森克虜伯公司的產品上，首次被應用到奧迪100車型的車身結構上。有研究表明，將激光拼焊板應用到汽車車身結構中，可使汽車質量減小20%～40%。在當前推進汽車結構輕量化發展中，激光拼焊發揮了較為關鍵的作用。但激光拼焊工藝也存在一定局限性，主要表現為拼接焊縫會對沖壓零部件材料的力學性能和表面質量產生一定影響；激光拼焊板存在厚度突變，薄厚板間的光滑連接難以實現，不適用于汽車車身面板的制造。隨著我國汽車制造工藝的不斷發展，該工藝在新能源汽車高強鋼板拼接方面的技術得到了不斷完善和發展，也使新能源汽車獲得更為突出的輕量化效果。

2.2 鋁合金拼焊

目前，鋁合金材料在汽車領域中的應用已較為廣泛。同類型的零部件，相對于使用焊接鋼板，使用鋁合金拼焊板可使汽車整車質量降低約50%；相對于使用鋁合金材料，使用鋁合金拼焊板可使汽車整車質量降低5%～10%。有研究表明，鋁合金拼焊板工藝對控制零部件自身質量具有較大優勢。

現階段，鋁合金拼焊板工藝分為非真空電子束焊和激光焊，但由于鋁合金在焊接過程中極易產生空隙、焊縫區域熱裂和合金元素損失等缺陷，不利于其實際應用與推廣。

2.3 攪拌摩擦焊

近年來，攪拌摩擦焊技術逐漸得到應用。攪拌摩擦焊是一種較為新型的鋁合金焊板制備工藝。該工藝主要由攪拌針插入到待焊接的工件中，通過攪拌針的高速旋轉，使其與焊接工件摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，當攪拌針沿著焊接界面向前移動時，被熱塑性化的材料向后流動，將焊縫處的金屬結合起來，形成致密的固態連接。

3 新成型工藝

3.1 內高壓成型工藝

內高壓成型工藝是以管材為主要材料，通過向管材施加超高壓油液和軸向推力補料把管坯壓入模腔，使其成型為所需工件的制造工藝。內高壓成型工藝包含以下過程：① 填充過程。將管材放入到模腔后進行合膜，使管材兩端在沖水的狀況下沿著水平方向推進，逐步形成相對密封的狀態，同時發揮預充體的作用，排出管材內部空氣。② 成型過程。在向管材內液體施加壓力的過程中，使管材逐步形成模具。③ 整型過程。通過施加壓力的方法將模具角度與膜腔貼合起來，形成所需的工件。與傳統的沖壓工藝相比，內高壓成型工藝不僅可以減小零部件質量，而且也能有效提升資源的實際利用率，將材料損耗率降至最低。在新能源汽車生產過程中，該工藝多被應用于汽車儀表板橫梁和電池托架等的制作。

3.2 熱壓成型工藝

熱壓成型工藝是一種較為常見和普遍的加工方式，主要通過加熱模具，將材料注入模具，在壓力作用下將材料與模具進行固定，當材料成型后，取出模型成品。熱壓成型工藝包含以下環節：① 將材料放置到已完成加熱的模板中；② 使用上模和下模對材料模板施加一定壓力，通過排氣管作用將氣體排出；③ 對已冷卻成型的模具進行剪切，成型為最終成品。與傳統制造工藝相比，熱壓成型工藝不僅有助于提高零部件的強度，還可以合理控制零部件的厚度，有效管控零部件的使用數量，提升汽車質量水平。在新能源汽車生產過程中，該工藝多被用于汽車地板、車門防撞梁和前防撞梁等的制作。

3.3 輥壓成型工藝

輥壓成型工藝是指材料在跟隨輥輪不斷轉動的同時，在輥輪的碾壓下成型為各種復雜制件。在使用該工藝時，需注意以下要點：① 在剪切對焊裝置中，應對材料進行合理處理；② 應發揮壓機與成型機的作用，確定輥壓成型定型；③ 應重視對定型后模具的沖孔、切邊與壓型等處理工作。在新能源汽車生產過程中，該工藝多被用于汽車門檻梁、防撞梁和車門窗框等的制作。

4 結語

隨著社會不斷進步與發展，汽車已經成為人們日常出行的交通工具之一，但汽車保有量的持續增加的同時，也對環境造成了污染。加強對新能源汽車結構輕量化的研究，加強對輕量化材料的理解和應用，優化新能源汽車結構輕量化關鍵工藝，在汽車的生產制造過程中將愈發突顯其重要性。