混合材料连接技术进展与挑战

1 前言

全球对减少碳排放的重视正在推动汽车制造商提高其车队的燃油经济性。车辆性能（加速、道路噪声、振动、转向响应等）和舒适性特征也需要在每一个年型车中改进，以满足顾客的期望。汽车轻量化是世界各地汽车制造商的战略追求，以满足监管和市场目标。汽车研究中心（CAR）的白皮书报告指出，车辆重量的减少主要是通过设计优化、缩小尺寸或降低级别的组合来实现的，以及使用具有更高强度重量和/或更高的刚度与重量比的低密度材料。新一代汽车预计将包含越来越多的多样性的创新材料。车身结构的主要轻量化材料包括先进的高强度钢（AHSS）、铝、镁和塑料和聚合物复合材料。这些材料的创新组合可用于多种零部件产品形式，如片材、板材、模制品/铸件和挤压型材。

2 混合材料连接技术简介

混合材料主体结构利用同一部件或组件内的不同材料组合来优化重量和性能。材料组合可包括具有铝的高强度钢、含镁的铝、具有聚合物复合材料的金属等。图1示出了在同一部件中使用不同材料以在保持性能的同时降低重量。

图1 混合材料设计案例（Source：Fraunhofer Institute）

混合材料连接技术的大量选择已经可用，并且已经被证明对于各种应用是有效的。虽然这些技术可能还没有准备好用于车身应用，其中必须满足许多生产要求，进一步投入到这些技术的研究和开发可能导致未来的大批量、工业化应用。下面介绍了混合材料连接技术的发展前景。

焊接连接技术

●电阻点焊(Resistance Spot Welding)

●搅拌摩擦点焊 (Friction Stir Spot Welding−FSSW)

●激光钎焊与激光焊(Laser Brazing and Laser Welding)

●旋转焊接与振动焊接(Spin Welding and Vibra⁃tion Welding)

●红外（IR）焊接(Infrared(IR)Welding)

●磁脉冲焊接(Magnetic Pulse Welding,MPW)

其中IR和MPW技术简介如下：

红外（IR）焊接

红外焊接是另一种常用于具有复杂连接轮廓的塑料部件的连接工艺。部件的表面层通过红外辐射产生的热量熔化，然后可以将部件按压在一起（参见图2），红外线热量无接触地传递。

图2 红外（IR）焊接工艺(Source： Forward Technology)

磁脉冲焊接

磁脉冲焊接（MPW）是利用磁脉冲以极高速度（每小时900英里以上）将一种材料连接到另一种材料中的过程。这种行为通过迫使原子相互接近，使接合材料开始共享电子的速度在分子水平形成一个键。这个过程不需要热量，通常用于圆柱形连接，如图3所示。

图3 磁脉冲焊接工艺(Source：The Belgian Welding Institute)

紧固件连接技术包括：

●自冲铆钉（Self−Piercing Rivets,SPR）；

●铆接（Clinching）；

●单面高速钉（One−sided High Speed Nails）

●粘接（Adhesive Bonding）

每种连接技术可能不适用于所有组件。表1显示了最常用的连接技术对不同材料组合在现代汽车车身结构设计中的应用。粘接和紧固件是唯一的对于大多数的材料连接都有效的技术，包括金属到复合材料连接的组合。

表1 不同材料组合常用的连接技术

3 选择连接技术时参数选择

为了充分实现轻量化的潜力，汽车制造商和供应商需要整合，将异种材料和连接技术整合到可编程装配线解决方案中，包括电阻点焊、激光焊接、搅拌摩擦焊、焊接粘接、自冲铆接和A各种快速固化粘接工艺以满足车辆生产速度。该报告总结了OEM在选择其车身车间的连接技术之前考虑的因素，其中的一些因素如图2所示。

图2 车身结构设计中选择连接技术应考虑的参数(Source：CAR Research)

一个主要考虑的是成熟和适用的材料组合需要连接的技术。技术成熟度是一个主观的术语，它取决于车辆开始流程。从广义上讲，成熟的技术可以用于大规模生产的汽车（年产量超过10万台），有多种产品应用，并可从多个供应商与全球基地。即使该技术对于大批量生产来说是成熟的，并且提供了更好的连接方案，但由于设计限制，它可能难以使用。

4 评估连接技术的测试程序

该报告指出，在材料科学和工程中测试和验证材料的基本属性非常重要。不同材料之间的连接通常伴随着已连接部件的机械、化学和物理性能的不匹配。机械要求包括接头的强度、韧性和刚度。化学要求包括抗环境化学侵蚀引起的腐蚀和降解。接头的物理要求可能仅限于需要将外壳与周围环境密封，从而防止气体或液体进入或流出。在决定测试类型和加载条件之前，了解组件的实际加载条件非常重要。评估一个特定的连接能力也很重要。因此，许多测试是为了评估焊工的能力而不是焊接，而许多粘合剂接头准备测试粘合剂的性能而不是焊接（特别是它们的保质期或环境敏感性）。

连接可能以多种方式失效。裂纹是焊接接头中常见的缺陷，典型的失效模式是由于加热的金属被快速冷却时累积的累积应力而发生裂纹。为了防止这种缺陷，金属应该退火。有时问题不是连接本身，而是周边地区。由热引起的金属变形会在材料中引起不希望的应力。氧化也是焊接接头的主要问题。氧化物可以防止形成良好的焊接。当谈到焊接接头时，炉渣是另一个麻烦制造者。这包括诸如焊接时发生在零件上的灰尘、碎屑和氧化物等物质。由于粘合剂与基材粘合力，内聚力或两者粘合失败，粘合接合处可能会失效。图3显示了粘合接头的失效模式。

有两种测试常常用于检查接头的质量：

（1）破坏性试验：这些试验中的一些试验如拉伸试验和弯曲试验具有破坏性，因为试样被加载直至失效，从而获得所需的信息。

（2）非破坏性测试（NDT）：其他测试方法，如X射线和水压测试，无损检测（NDT）。这种类型的测试也被称为NDE或无损检测和NDI或无损检测。这些方法的目标是检查焊缝而不会造成任何损坏。

图3 连接的失效模式(Source：Henkel)

图4 显示了一些常见的粘合剂测试方法。类似的测试方法被用于测试焊接和机械固定接头。

图4 常用粘接破坏性试验方法(Source：www.adhesivetest.com)

5 混合材料连接技术的主要挑战

材料选择标准旨在通过避免生产和产品使用中的失效来满足工程要求。连接过程的实施必须满足系统的工程要求，无论是在连接过程中，还是在组装组件的后续使用寿命期间。不同材料之间的连接通常伴随着已连接部件的机械、物理和化学特性的不匹配。该报告介绍了在采访各主题专家期间确定的混合材料连接方面的主要挑战OEM和供应商。该报告分析了腐蚀、热膨胀、生产周期、标准化、无损评估和计算机分析方法、知识产权（IP）、保守心态、维修、资本占用和人才等方面，本文在以下方面介绍如下。

腐蚀是一种自然过程，可将精炼金属转化为更具化学稳定性的形式，如氧化物、氢氧化物或硫化物。它是通过与环境的化学和/或电化学反应逐渐破坏材料（通常是金属）。电偶腐蚀（也称为双金属腐蚀）是一种电化学过程，其中当存在电解质时两种金属电接触时，一种金属优先腐蚀另一种金属。当电偶形成时，对其中的一种金属变成阳极并腐蚀得比它本体更快，而另一种变成阴极并腐蚀比单独的更慢。对于电偶、阳极和阴极由它们在电流序列中的相对位置决定。

热膨胀是物质在形状、面积和体积上随温度变化而变化的趋势。热膨胀系数（CLTE）测量在恒定压力下温度每度变化时尺寸的分数变化。图5显示了不同材料对热负荷的反应情况。白车身需要经过由烤箱组成的烤漆过程，以固化车内的涂料，密封剂和粘合剂。烤漆烤箱的温度范围为180−250摄氏度。由于CLTE的差异，多材料机身中的材料会有所不同。如果连接不允许自由扩张，这会扭曲车身结构。例如，在运动受到限制的典型大型塑料和金属组件中，可能形成高压应力或拉应力。因为通常塑料部件膨胀得更多，它会产生应变诱发的压应力，在金属部件中产生相同的拉应力。

图5 热负荷下不同材料的膨胀不同（Source：CAR Research）

由于CLTE的差异，车辆工程师正在尝试各种技术以防止混合材料组件出现变形。其中一些问题可以通过良好的设计来缓解，这种设计允许自由膨胀而不会对连接造成压力。图6显示了设计更改如何帮助适应热膨胀差异的示例。柔性粘合剂在保持接合强度的同时也能承受一些应力，但这些柔性粘合剂可能不具有接合性能所需的性能。供应商面临的一个主要挑战是开发能够在现有的60秒装配工艺周期和油漆车间温度范围内应用的高度柔韧、耐用和高模量强度的粘合剂。

图6 下部组件的塑料盖一端的开槽孔和滑动附件使其能够适应与金属基座的热膨胀差异(Source：LANXESS Corporation,Joining Design Guide)

车身使用预定义的工艺流程进行生产，每个作业的时间都是固定的。通常对于大批量生产而言，大约每分钟都会制造一个车身结构。为了保持这个输出，连接的周期时间（处理时间）应该在一分钟之内。一个工位的循环时间较长会减慢整个生产线的生产速度，或者可能需要添加另一个工位。另一方面，使一个工位超高效也无济于事，因为它会对其他工位造成滞后。点焊通常选择用于连接钣金件，冲压件和组件，因为它快速，可靠且经济。目前，焊接机器人可以每秒应用一个电阻点焊（RSW）。图7描述了典型的点焊周期。由于不同的熔化特性和电导率，非常不同的金属如铝和钢的点焊是困难的。

图7 点焊工艺流程(Source：Kullabs)

产品设计师尽可能简化设计并标准化组件和制造技术，汽车行业最新的趋势是减少平台数量并促进车辆之间的更多零件共享，以共享工程成本并降低复杂性。在各种连接技术中，电阻点焊非常标准化。主要的主机厂遵循RSW的国家或国际标准。此外，点焊几乎适用于任何类型的钢结合，并进行微小的调整，这是一个主要优势。另一方面，粘合剂和紧固件是最不标准的。为产品应用定制紧固件，增加了工程成本和复杂性。粘合剂也是根据应用设计的，并且没有可用的国家或国际标准。粘合剂供应商不希望商品化他们的产品，因为粘合剂化学可以改变以更好地适应应用。然而，OEM不赞成专门的产品，因为它增加了车身的复杂性。可以从多个供应商作为商品购买的产品是重中之重，因为它可以降低成本，分配供应商生产故障的风险，并简化生产流程。OEM还需要材料和制造技术在所有市场都可用。

破坏性物理测试是测试接头性能的最佳方法，但对于大规模生产的车辆而言，无损探伤更经济。在过去的100年里，汽车行业一直使用钢材和铝材来加工钢材，在过去的100年中，使用焊接或铆钉。已经开发出非破坏性评估（NDE）技术，如超声波、涡流、X射线，放射线照相术等来测试焊缝。计算机辅助工程（CAE）分析工具能够预测焊接组件的性能。然而，结果并不总是足够准确以匹配真实世界的表现。车辆设计师通常会增加额外的焊缝，以确保安全，为了消除不必要的焊缝并降低安全系数，需要对现实世界的性能进行准确的预测，同时还需要良好的过程控制。

大多数OEM正在加大混合材料连接工艺技术研究。一般来说，欧洲的汽车制造商在连接技术研究和实施方面领先。过去未使用过混合材料车身应用且没有大型研发中心的OEM努力保持其竞争力。

主机厂加强风险管理。新技术会带来多种风险，例如零件故障、供应链延误、报废回收问题、前期成本高等等。这种传统思维模式是任何新技术应用的最大障碍之一。CAR先前的研究“汽车行业的材料鉴定”将高层批准确定为新材料进入的主要障碍之一。提高燃油经济性的监管压力促使汽车制造商以更快的速度实施新技术。OEM正在将这些材料和制造技术引入优质小批量车辆或未在全球销售的平台。例如，宝马使用碳纤维作为i3的主要材料，并使用粘合剂作为主要连接技术。

6 未来潜力与发展

CAR通过对公司的多次采访和工程师会议，发现了需要进一步研究的项目清单。这里列出的五个问题将作为汽车轻量化材料联盟（CALM）可能进行的未来工作扩展和审查。这里提到的每个项目都代表CALM公司及其客户的某种程度的价值。该清单包括：

（1）确定下一个装配工厂有可能更新其车间

（2）将紧固件与推荐的粘合剂相对应

（3）发布推荐的测试程序以与特定材料混合使用

（4）概述现有CALM混合材料轻型门项目的后续步骤，为所研究的特定解决方案分配连接技术、位置、分析、粘合剂、紧固件和原型

（5）确定并记录替代几何形状以隔离、吸收或解决热膨胀

主机厂在新车型开发和生产准备的完整周期中，供应商在早期就参与其中，在产品升级时刻供应商同样可以获得参与的机会，为主机厂提出新的材料及工艺技术概念，因为OEM需要在锁定新的工厂布局以支持新的或更改的工艺和材料之前融入这些概念。为此CAR研究小组建议：

机会1：开发北美所有组装工厂的数据库，注意其目前的产品、发布日期以及下一次重大转换的预期时间表。

将紧固件与推荐的粘合剂相对应：在整个与OEM和供应商的会议和采访过程中，发现了关于紧固件的一个共同主题。虽然很明显OEM将继续需求紧固件，但紧固件将与粘合剂一起使用，以实现多材料解决方案。

机遇2：发布行业专家推荐的交叉引用紧固件和粘合剂清单，以确定在处理多种材料解决方案时推荐的组合。

发布推荐的测试程序：缺乏公认的标准和/或方法被多次指出是多材料解决方案的主要障碍之一。当OEM指定钢铁解决方案时，它依靠经过久经考验并经过验证的分析测试，并通过行业标准验证方法予以支持。这将通过焊接过程中的电流数值标准监控流程和物理验证中的标准拉脱和剥离测试来支持。这些标准将被任何OEM和/或供应商预期，并且对于该行业来说是通用的。行业缺乏使用粘合剂或粘合剂和紧固件组合的标准程序。OEM或供应商通常会测量所用粘合剂的数量，然后在组装完成后再次确认工艺是否正确。

机遇3：发布行业范围的标准程序以测试各种材料的粘合性，并适用于所进行有价值研究的各大学

CALM门项目的后续步骤：对原始CALM混合材料轻型门项目中引用的十几种潜在材料组合进行了大量研究，由此产生的关于门组件的白皮书提供了12种材料组合选择，每种材料组合产生不同的总门重。每种替代方案都代表了不同的应用目标市场，与原来的低碳钢设计相比，它的最佳体积和每磅特定成本得以降低。

机遇4：记录以前CALM研究中提出的12种混合材料门装配解决方案中最适合的各种连接方法。

推荐的几何图形：在几乎所有参观过的地点，都有人提到OEM或供应商在应用混合材料解决方案时存在热膨胀问题。这是由于膨胀和收缩率不同，因为每种材料都以其独特的方式对温度变化做出反应。例如，当车辆通过电镀和烤漆烘烤过程的热量时，钢和铝的组件必须适应铝以更快的速度膨胀。这也带来了另一个问题，因为随着组件冷却，铝比钢冷却得更快。

CAR报告它还揭示了各种方法，以各种速率补救热量增长。很明显，每个OEM和供应商都会努力改变产品的几何形状，以解决热膨胀问题。一个简单的概念将是在设计中增加一个珠子，充当联合的隔离器。有些例子讨论了在加工之前没有发现这种情况，这在投放之前导致了昂贵的返工。因此CALM联盟未来工作的第五项建议解决了这个问题。

机会5：研究、分类和记录混合材料组件中热膨胀差异的补救措施。

这些将发布在一套针对整个行业的设计指南中，显示连接的推荐几何形状和材料，包括最适合特定应用的推荐粘合剂。这可以像汽车行业典型的制造设计指南一样进行，该指南是通用的，并且不断更新。

7 结束语

监管压力和客户要求将新型轻质材料推向车身结构。汽车车身结构领先的轻量化材料备选材料包括先进高强度钢（AHSS）、铝、镁、塑料和聚合物复合材料。车辆设计师期待在正确的位置应用合适的材料，以实现轻量化的车身结构，这些车身结构也经过优化以获得更好的性能。诸如热成型、树脂传递成型、3D打印等制造技术的进步使得可以大量生产轻量化部件。

汽车行业面临连接不同材料的重大挑战。大量的混合材料连接技术已经可以使用，并已被证明对各种应用有效。该行业近期在可逆焊接方面取得了突破性进展，这将实现轻松修复，以及铝和钢直接电阻点焊的焊嘴设计的进步。然而，许多有前途的技术可能尚未准备好大规模生产，需要进一步的研究和开发工作。目前的主要挑战包括电偶腐蚀、材料热膨胀差异、更长的生产周期时间、无法用于连接评估的无损检测方法、以及OEM的风险规避。汽车制造商要求在全球范围内提供技术。此外，新技术的维修过程需要在经销商和独立维修机构进行。

随着整个行业继续推进轻质混合材料解决方案，CAR的研究人员希望看到更多突破性技术，尤其是那些涉及以下方面的技术：分析无损检测程序、材料标准化、全球市场上的粘合剂和紧固件、以及具有较低固化温度的柔性粘合剂。

连接显然是混合材料车辆应用的关键推动力。CAR本白皮书调查了混合材料连接的一些常用方法，并找出了大规模生产车辆实施中的差距和挑战。该报告重点介绍了连接不同材料的挑战和机遇，并概述了混合材料结构连接和工艺能力以及相关问题的关键OEM要求。该报告作为参考文献，帮助阐明和推荐术语，连接设计策略、连接方法、度量标准、连接隔离、测试、修复等等，以促进有意义的讨论并找出进一步研究协作的机会，并寻求帮助加速知识转移并获得更多的轻量化解决方案。