新能源汽车结构轻量化关键工艺分析

邓剑锋

(广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004)

0 前言

随着时代发展，社会总体能源消耗量大幅增加，传统燃油汽车使用数量和规模的扩大，导致了能源消耗与环境污染日渐严峻。通过对能源实际消耗与能源储备占比的研究分析发现，目前全球能源短缺日趋严重。采用科学合理的能源开采计划及能源使用规划已经成为世界各国的共识。

我国坚持走绿色可持续发展的道路，积极倡导新能源汽车的推广和应用，逐步替代传统燃油汽车。为了避免新能源汽车对能源造成不必要浪费及对环境造成污染，新能源汽车的轻量化设计是必然趋势，这将对新能源汽车的发展、制造及投入使用具有重要意义。

通过调研分析，当前新能源汽车轻量化研究主要内容有：① 选择合适的设计开发方式和分析方法。燃油汽车在经历了1个多世纪的发展，其在车身设计、用料等方面都形成了较为成熟的体系，而新能源汽车仍处于摸索与研究阶段，需要相关技术人员投入更多的精力加以分析与研究。② 选用合适的替代材料及选择合适的新材料制造工艺，有效解决新能源汽车轻量化方面的问题。③ 发挥我国强大的生产制造能力的优势，合理完成新材料的制造加工，使其逐渐转变为轻量化的结构材料。

1 轻质材料的应用

1.1 高强钢

高强钢可分为普通高强钢和先进高强钢。普通高强钢包括烘烤硬化钢、无间隙原子钢和刚强度低合金钢等；先进高强钢包括双相钢、复相钢和相变诱导塑性钢等。有专家指出，高强钢可有效减轻汽车质量，有效提升汽车碰撞安全性能。因此，从成本和性能角度分析，高强钢可满足新能源汽车车身轻量化要求，也能确保新能源汽车符合汽车碰撞安全性要求。

1.2 铝合金

铝合金密度较小，仅为钢材料的三分之一。该材料极易被挤压成型，且具有良好的耐腐蚀性、较高的强度及良好的韧性。同样的汽车车身结构，相对于采用钢制材料的车身质量，采用铝制材料可降低质量约40%。在相同结构下，铝制轮毂的质量也只有钢制轮毂的30%左右。在现代汽车的制造工艺中，铝合金的应用规模日渐扩大，且越来越普遍。该材料将有望发展成为极具优势的汽车轻量化材料之一。

1.3 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料自身带有一定的物理特性。目前，以树脂与金属为基体的复合材料在车身上的应用已较为成熟，并具备较多制造工艺上的优势。与同类钢制零部件相比，使用碳纤维复合材料的零部件，其质量仅为50%；与铝制零部件相比，其质量仅为30%。研究发现，使用碳纤维复合材料，可使汽车车身和底盘整体质量减小40%～60%。

目前，由碳纤维复合材料制成的结构性车身主要应用于豪华跑车、方程式赛车等对车身轻量化要求较高的车型。

2 新焊接工艺

2.1 激光拼焊

激光拼焊技术借鉴了裁剪制衣的相关原理，是将不同厚度、不同材质、不同涂层的钢板进行激光焊接，使其成为完整的拼焊板，在整体冲压制造后，与其他零部件进行总装的一种焊接方法。该工艺可满足汽车零部对材料性能的不同要求，对提升材料的使用效率及对零部件质量控制具有重要意义。

激光拼焊板最早被应用于德国蒂森克虏伯公司的产品上，首次被应用到奥迪100车型的车身结构上。有研究表明，将激光拼焊板应用到汽车车身结构中，可使汽车质量减小20%～40%。在当前推进汽车结构轻量化发展中，激光拼焊发挥了较为关键的作用。但激光拼焊工艺也存在一定局限性，主要表现为拼接焊缝会对冲压零部件材料的力学性能和表面质量产生一定影响；激光拼焊板存在厚度突变，薄厚板间的光滑连接难以实现，不适用于汽车车身面板的制造。随着我国汽车制造工艺的不断发展，该工艺在新能源汽车高强钢板拼接方面的技术得到了不断完善和发展，也使新能源汽车获得更为突出的轻量化效果。

2.2 铝合金拼焊

目前，铝合金材料在汽车领域中的应用已较为广泛。同类型的零部件，相对于使用焊接钢板，使用铝合金拼焊板可使汽车整车质量降低约50%；相对于使用铝合金材料，使用铝合金拼焊板可使汽车整车质量降低5%～10%。有研究表明，铝合金拼焊板工艺对控制零部件自身质量具有较大优势。

现阶段，铝合金拼焊板工艺分为非真空电子束焊和激光焊，但由于铝合金在焊接过程中极易产生空隙、焊缝区域热裂和合金元素损失等缺陷，不利于其实际应用与推广。

2.3 搅拌摩擦焊

近年来，搅拌摩擦焊技术逐渐得到应用。搅拌摩擦焊是一种较为新型的铝合金焊板制备工艺。该工艺主要由搅拌针插入到待焊接的工件中，通过搅拌针的高速旋转，使其与焊接工件摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，当搅拌针沿着焊接界面向前移动时，被热塑性化的材料向后流动，将焊缝处的金属结合起来，形成致密的固态连接。

3 新成型工艺

3.1 内高压成型工艺

内高压成型工艺是以管材为主要材料，通过向管材施加超高压油液和轴向推力补料把管坯压入模腔，使其成型为所需工件的制造工艺。内高压成型工艺包含以下过程：① 填充过程。将管材放入到模腔后进行合膜，使管材两端在冲水的状况下沿着水平方向推进，逐步形成相对密封的状态，同时发挥预充体的作用，排出管材内部空气。② 成型过程。在向管材内液体施加压力的过程中，使管材逐步形成模具。③ 整型过程。通过施加压力的方法将模具角度与膜腔贴合起来，形成所需的工件。与传统的冲压工艺相比，内高压成型工艺不仅可以减小零部件质量，而且也能有效提升资源的实际利用率，将材料损耗率降至最低。在新能源汽车生产过程中，该工艺多被应用于汽车仪表板横梁和电池托架等的制作。

3.2 热压成型工艺

热压成型工艺是一种较为常见和普遍的加工方式，主要通过加热模具，将材料注入模具，在压力作用下将材料与模具进行固定，当材料成型后，取出模型成品。热压成型工艺包含以下环节：① 将材料放置到已完成加热的模板中；② 使用上模和下模对材料模板施加一定压力，通过排气管作用将气体排出；③ 对已冷却成型的模具进行剪切，成型为最终成品。与传统制造工艺相比，热压成型工艺不仅有助于提高零部件的强度，还可以合理控制零部件的厚度，有效管控零部件的使用数量，提升汽车质量水平。在新能源汽车生产过程中，该工艺多被用于汽车地板、车门防撞梁和前防撞梁等的制作。

3.3 辊压成型工艺

辊压成型工艺是指材料在跟随辊轮不断转动的同时，在辊轮的碾压下成型为各种复杂制件。在使用该工艺时，需注意以下要点：① 在剪切对焊装置中，应对材料进行合理处理；② 应发挥压机与成型机的作用，确定辊压成型定型；③ 应重视对定型后模具的冲孔、切边与压型等处理工作。在新能源汽车生产过程中，该工艺多被用于汽车门槛梁、防撞梁和车门窗框等的制作。

4 结语

随着社会不断进步与发展，汽车已经成为人们日常出行的交通工具之一，但汽车保有量的持续增加的同时，也对环境造成了污染。加强对新能源汽车结构轻量化的研究，加强对轻量化材料的理解和应用，优化新能源汽车结构轻量化关键工艺，在汽车的生产制造过程中将愈发突显其重要性。