汽車輕量化先進(jìn)工藝技術(shù)

激光拼焊（TWB）及不等厚度軋制板（VRB）1.激光拼焊技術(shù)激光拼焊是將不同厚度、不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的板坯拼焊在一起，再進(jìn)行沖壓成形的一種制造技術(shù)。德國大眾最早于1985年將激光拼焊用于汽車。北美于19

激光拼焊（TWB）及不等厚度軋制板（VRB）

1.激光拼焊技術(shù)

激光拼焊是將不同厚度、不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的板坯拼焊在一起，再進(jìn)行沖壓成形的一種制造技術(shù)。德國大眾最早于1985年將激光拼焊用于汽車。北美于1993年也大量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)。目前，幾乎所有的著名汽車制造商都采用了激光拼焊技術(shù)。采用拼焊板制造的結(jié)構(gòu)件有車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、風(fēng)擋玻璃框架／前風(fēng)擋框、輪罩板、地板、中間支柱（Ｂ柱）等（見圖1）。最新統(tǒng)計(jì)表明，最新型的鋼制車身結(jié)構(gòu)中，50%采用了拼焊板制造。

激光拼焊技術(shù)在20世紀(jì)90年代末引入中國，一汽、上汽、長城、奇瑞、吉利等汽車公司在前縱梁、門內(nèi)板和B柱加強(qiáng)板等都有應(yīng)用。寶鋼已有23條激光拼焊生產(chǎn)線，年產(chǎn)2 200多萬片板坯，占我國市場份額的70%以上，是世界第三、亞洲第一大激光拼焊板生產(chǎn)公司。鞍鋼也在與蒂森克虜伯合作，在長春等地建立激光焊接加工生產(chǎn)線。

2.不等厚度軋制板

變厚板是軋鋼機(jī)通過柔性軋制工藝生產(chǎn)的金屬薄板，即在鋼板軋制過程中，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整軋輥的間距，以獲得沿軋制方向上按預(yù)先定制的厚度連續(xù)變化的板料。圖2顯示了變厚板生產(chǎn)的工藝原理。與TWB鋼板相比，VRB鋼板僅可為同一種鋼種，寬度也不能太寬，更適合制造梁類零部件。

德國Mubea公司有兩條變厚板生產(chǎn)線，年產(chǎn)7萬t。板厚為0.7～3.5mm，原始板料的最高強(qiáng)度為800MPa級別。目前，歐洲70余個(gè)車型使用變厚板或者變厚管產(chǎn)品。奔馳C級車中通道加強(qiáng)板、前地板縱梁、后保險(xiǎn)杠、后地板橫梁等11個(gè)零件使用了VRB鋼板。我國寶鋼和東北大學(xué)均開展了VRB鋼板的研發(fā)和生產(chǎn)工作，目前具備了小批量供貨的能力。借助于強(qiáng)大的材料開發(fā)能力，寶鋼形成了VRB零件的設(shè)計(jì)、材料開發(fā)、成形過程模擬、模具設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量評估的能力，并已試制成功前縱梁、儀表板支架、頂蓋橫梁等零件，同時(shí)也軋制成功了1 500MPa級別的非鍍層和鋁硅鍍層的熱沖壓成形鋼板，成功試制了熱沖壓成形VRB中通道零件。

內(nèi)高壓成形（液壓成形）制造技術(shù)管件液壓成形是將管坯放入模具內(nèi)，利用高壓液體充入管坯空腔，同時(shí)輔以軸壓補(bǔ)料，使其直徑脹大至貼靠凹模的成形過程，如圖3所示。由于內(nèi)部壓力可高達(dá)400MPa，在歐洲又稱為內(nèi)高壓成形技術(shù)（IHPF），在美國則稱為管件液壓成形技術(shù)（TH）。

液壓成形適用于汽車領(lǐng)域的沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形截面或各種異形截面空心構(gòu)件。與傳統(tǒng)沖壓焊接工藝相比，液壓成形技術(shù)具有成形精度高、可節(jié)約材料、減少成形件數(shù)量和后續(xù)機(jī)械加工與焊接量、提高成形件的強(qiáng)度與剛度、減少模具數(shù)量、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。液壓成形在底盤部件中應(yīng)用較多，如前副車架主管、扭力梁、控制臂等，車身結(jié)構(gòu)件主要應(yīng)用于A、B柱等件。福特新蒙迪歐車型A柱上部采用DP1000鋼管內(nèi)高壓成形，實(shí)現(xiàn)減重2.1kg。B柱加強(qiáng)板采用兩個(gè)內(nèi)高壓成形件，優(yōu)化了側(cè)碰性能。

超高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形技術(shù)

熱成形技術(shù)通過熱處理和高溫成形相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)零件的高強(qiáng)度。熱成形技術(shù)適用于對舒適性、強(qiáng)度和安全性要求高的零件，典型的熱沖壓零件有前、后門左右防撞桿（梁），前后保險(xiǎn)杠橫梁，A柱、B柱、C柱加強(qiáng)板，地板中通道和車頂加強(qiáng)梁等，如圖4所示。除全鋁車身以外，均應(yīng)用了熱成形構(gòu)件。

國外目前至少有110條熱沖壓成形生產(chǎn)線，主要分布在美國（19條）、德國（30條）、日本（10條）以及法國、西班牙、瑞典等國。

國內(nèi)已建成和在建的熱成形生產(chǎn)線有30～40條，熱成形件的產(chǎn)量可達(dá)到5 000萬件。熱成形技術(shù)在我國自主品牌汽車中有大量應(yīng)用。

輥壓成形技術(shù)

輥壓成形工藝通過順序配置的多道次成形軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲，以制成特定斷面的型材。輥壓成形的優(yōu)勢在于能夠加工其他工藝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀。一般，輥壓成形為等截面零件，近年來開始開發(fā)三維變截面輥壓成形技術(shù)。其優(yōu)勢是合理設(shè)計(jì)型材的幾何斷面，提高承載能力，減輕零件質(zhì)量。輥壓成形因其成本低和效率高而得到重視，凱迪拉克ATS地板有８件采用超高強(qiáng)度鋼輥壓成形，奔馳新Ｂ級車地板有多個(gè)零件采用輥壓成形（見圖5），材料利用率在90%以上。圖5所示為三維輥壓技術(shù)可能生產(chǎn)的乘用車車身變截面零件。

2005年瑞典開發(fā)了3D柔性輥壓技術(shù)，2011年開發(fā)完成世界上第一條3D柔性輥壓生產(chǎn)線，通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)軋輥上下移動(dòng)、水平移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，生產(chǎn)寬度可變、深度可變的零件。德國DATAM公司也完成了3D柔性輥壓生產(chǎn)線的開發(fā)，用于商用車大梁及乘用車邊梁。

2014年，我國北方工業(yè)大學(xué)與一汽集團(tuán)公司聯(lián)合開發(fā)出我國自主研發(fā)的首套高強(qiáng)度鋼三維輥壓生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)。開發(fā)了3D柔性輥壓技術(shù)，用于變截面零件輥壓成形。

半固態(tài)成形技術(shù)

麻省理工學(xué)院的研究人員在1972年首次提出采用半固態(tài)加工技術(shù)可以得到高性能的鋁合金。20世紀(jì)90年代，半固態(tài)技術(shù)開始在汽車部件上應(yīng)用。目前，美國AEMP、德國EFU、意大利StamPal、法國Pechiney、美國Alunax工程工業(yè)公司和瑞士Alusuisse公司均已形成相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模，大量用于交通運(yùn)輸和武器裝備零部件的制備。鋁合金半固態(tài)成形件的單件尺寸與質(zhì)量也不斷加大，意大利StamPalSPa和菲亞特公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金零件重達(dá)7kg。

我國目前主要注重半固態(tài)漿料的制備研究，華東理工大學(xué)、上海大學(xué)、東北大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)在機(jī)械攪拌和電磁攪拌方面有一定進(jìn)展，所研制的多種牌號(hào)半固態(tài)成形的鋁合金零件，與鑄造鋁合金相比，綜合性能均提高了30%以上。

高壓鑄造成型技術(shù)

高壓鋁合金鑄造件的優(yōu)勢在于其可高效率生產(chǎn)集成設(shè)計(jì)復(fù)雜薄壁構(gòu)件的能力。除動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)殼體構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，奔馳新SL大量應(yīng)用鋁合金高壓鑄造技術(shù)，零部件數(shù)量大大減少，如圖7所示。

其中，A柱由兩個(gè)鑄造件構(gòu)成，替代了原來的13個(gè)構(gòu)件。前懸架固定座整合了7個(gè)構(gòu)件，B柱內(nèi)板整合了11個(gè)構(gòu)件，后縱梁整合了22個(gè)構(gòu)件，前防火墻整合了6個(gè)構(gòu)件?？傮w來說，鋁合金高壓真空鑄造懸架固定座已經(jīng)在國外得到批量應(yīng)用，達(dá)到了較好的輕量化效果，但國內(nèi)還沒有產(chǎn)品化。

低（差）壓鑄造成型技術(shù)

低（差）壓鋁合金鑄造件的優(yōu)勢主要在于獲得較高工藝品質(zhì)的同時(shí)，可以生產(chǎn)一體化設(shè)計(jì)的中空、薄壁、復(fù)雜構(gòu)件。除車輪和缸蓋外，主要用于汽車懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)的輕量化構(gòu)件生產(chǎn)，迄今已在國外高端汽車的上述系統(tǒng)的鋁合金構(gòu)件生產(chǎn)上得到批量應(yīng)用，達(dá)到了極好的輕量化和提高車輛駕乘性能的效果，如圖8所示。在國內(nèi)，除車輪、缸蓋外，底盤和懸架系統(tǒng)方面的應(yīng)用較少。

復(fù)合材料直接在線混合成型技術(shù)

為解決傳統(tǒng)注塑和模壓成型低效率、高成本和高能耗等工藝缺點(diǎn)，20世紀(jì)90年代初期，德國、美國和法國分別開展了長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料直接在線模塑成型（LFT?D）技術(shù)的研究，研發(fā)出了短流程、高效率、低能耗和低成本的成型工藝與裝備，如在線注射成型工藝（LFT?D?injecting）和在線模壓工藝（LFT?D?molding）。在線注射成型適用于制造小型件和復(fù)雜零部件，在線模壓成型一般用于尺寸較大、形狀簡單的產(chǎn)品。長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在線模壓產(chǎn)品現(xiàn)已被寶馬、奔馳、奧迪、馬自達(dá)等汽車企業(yè)廣泛地應(yīng)用于后背門內(nèi)板、儀表板骨架、前端模塊、底護(hù)板、備胎艙支架、發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩蓋、油底殼等汽車關(guān)鍵零部件。在線模壓成型可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重30%以上，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效手段之一，我國還處于探索階段。圖9在線模壓成型生產(chǎn)的典型汽車零部件。

汽車輕量化連接技術(shù)

汽車輕量化連接技術(shù)包括激光焊接、攪拌摩擦焊、鎖鉚技術(shù)、自鎖鉚、熱熔自攻螺釘以及膠粘連接等技術(shù)，通過上述先進(jìn)連接技術(shù)將輕量化構(gòu)件連接成零部件總成或車身，以達(dá)到較好的剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。上述連接技術(shù)在汽車零部件的應(yīng)用情況及在汽車輕量化進(jìn)程中的發(fā)展方向見附表。