汽车轻结构趋势引发的新材料新工艺

　　安全，舒适，经济性，动力性，电子技术，表现出现代汽车发展的几大特色。伴随着汽车的优化设计，结构轻量化历来是汽车设计师们考虑的一个重点，一系列新设备、新材料、新工艺、新方法，应运而生。轻结构倾向在汽车制造中的发展，无疑使各种各样的材料品种迅速增多，新的焊接与切割方法迅速扩大。这方面，专家们列举了大量的事例，包括新的经改善的热处理技术、粘接材料以及机械连接技术。对汽车车身轻结构件及其各种连接技术可看出制造技术发展新趋势。
　　具有应用前景的更轻质镁合金板结构件
　　汽车制造商已经把铝合金、高强度钢、复合材料和塑料作为其轻量化结构的主要材料。除此之外，一种更轻的材料---镁合金，在近几年里得到进一步研究和开发。在国际车体专家社团(IRE：Internationales Rohbau-Expertenkreis)的专业会议范围，Salzgitter镁材技术有限公司(SZMT)(Salzgitter Magnesium Technologie GmbH)通报了其镁合金板产品的生产现状以及在汽车批量制造中的应用情况。
　　汽车制造商对可用作高刚性薄壁结构件薄板的镁合金扁轧产品的兴趣，在于其不易破碎特性。在最近几年里由于投入了大量的研究和加大开发力度，这种优质轻板材的品质和可用性得到持续不断的改善。然而，今天的镁合金板其使用条件，仍然要求与其它车身材料一种有效和性能优化的结合。这就是说，这种相对不那么贵重并只限于可冷轧成形的镁合金板，必须结合成混合结构，同时要求就特别防锈的连接、涂覆和装配方法加以更新。
　　(1)现状与轻结构潜力
　　SZMT公司已经成功地从实验室过度到一种工业规模的制造。SZMT的镁辊轧设备能够进行从压铸的板坯到轧制成薄扁材等各种不同初加工材料的多用途加工。那就是要尽可能快地提供符合市场需求的扁轧产品。目前已经达到了在汽车制造中成批应用的第一个目标。保时捷Carrera GT车驾驶员舱操纵机构中间托架上的面板就是用镁合金板。这种要求极高的轧制件，是在激光切割之后还要进行一次表面处理(镀铬)而获得。此外，这样的面板在汽车上作为内部空间的一个主要结构件。
　　镁合金板所具有的优点，首先体现在抗弯强度高或者抗弯曲强度大的情况下具有极轻的重量，体现轻结构的潜力。在汽车制造中，它特别适用于大面积薄壁的车身或者内饰件。镁合金结构件可能比铝合金结构件轻达25%。此外还具有一种良好的吸能特性，因而它也特别适用于制造碰撞相关零部件。
　　(2)镁合金薄板以及成型与变形技术
　　SZMT公司按尺寸精确制造的镁合金薄板坯，其尺寸达到宽1500mm(最大1900mm)，长2000mm，最大板厚1.0mm。这种镁合金薄板的材料标记为AZ 31 B-0，其抗拉强度为240-260MPa，屈服强度为140-180MPa。它特别突出的优点，是具有比塑料更好的热稳定性和铝合金相称的低热膨胀系数，以及一种金属材料通常的回收能力。
　　镁合金板变形在200℃以上急骤增加。在结构件设计上，为迎合镁合金板的特点其几何形状应园滑过渡，(无尖锐棱边和拐角)。现在大面积车身零件可用深拉工艺过程获得。此外，通过适当的薄板材质和可靠的热变形技术相结合，可以生产出高质量的复杂形状镁合金轧制。为此，需要采用温度稳定性好的水溶性润滑剂。其后的冲压和打孔操作都可以采用传统的标准工具进行冷加工方式。
　　(3)汽车活动顶盖加强件
　　汽车活动顶盖由一块铝合金外板和一块1.5mm厚的AZ31薄板组成。热变形(在大约230℃温度下)镁合金加强件是通过粘接-滚压咬口法同铝合金外板连接一起。采用镁合金板结构件的重要意义，归结于连接、防锈、表面处理和操作技术。纯镁结构或者混合结构件，可以利用诸如保护气体焊接技术(WIG，MIG)或者激光、激光混合焊接和电子束焊接等熔焊法予以牢固连接。视连接任务而定，还可以采用优质的和可自动处理的焊接添加料。
　　(4)机械连接
　　对于镁与其它材料混合连接，可以提供人们熟知的机械连接和粘接技术。作为适用的混合连接技术，概括有诸如盲铆、半空心铆或者实心铆等冷冲铆粘接技术。这样一类连接方法，能够实现机械上可高负荷并同时作分开电镀的材料进行连接。重要的是可用性以及无损伤放置耐腐蚀连接元件。咬口连接以及镁/镁折边粘接在技术上也都是可行的，然而要求对接合区进行局部温度调节。同样，利用半空心铆钉适用干镁合金板的铆接，在相应的热支持下能达到铝连接的强度水平。
　　(5)表面处理
　　在表面处理之前必须进行洁净和酸洗步骤，无残留地除去在加工和变形中形成的氧化层或者其它污染物。接着可以进行粘接或者传统的有机涂覆层结构。按汽车标准要求的第一批实验室锈蚀试验，比如盐雾试验或者气候交变试验，己经获得令人满意的结果。
　　混合连接(例如由铝合金板和镁合金板的连接)，首先要求对镁合金件通过涂漆(例如通过浸漆或者粉末涂漆)作单独的防蚀保护。接着，镁合金件与铝合金件进行无接触腐蚀连接，然后作为混合材料进行传统的铝裘面处理流程。
　　(6)应用前景
　　如同所有新的轻结构材料一样，镁合金板的典型应用首先是在待装配的车身附件或者模块件范围。在这个方面最有可能的应用，是提供小尺寸或者中等尺寸以及汽车内部空间的安全性相关零件。这都易于满足必要的防蚀和表面要求。例如壳形座、横梁、后围或者行李舱圆锥形搁板等传统板件。一个例子，是Audi AG(奥迪公司)与TWB公司合作开发的整体式后围的后壁板。镁合金板件通过盲铆连接方式同一个标准的钢框架连接在一起。这种混台解决方案可减轻重量大约2.4kg。
　　轻结构车身板件的各种不同连接方法
　　现代轻结构正迫使人们不断扩大材料的混合应用，并开发新的连接方法。值得注意的例子是粘接剂的进展，宝马汽车公司新型宝马7系列车身本体上总共150m长的粘接缝，与之相应为，1.5kg的粘接剂用量。这里使用了Fa.Dow Automotive公司生产的一种单组分环氧树脂粘接剂，其具有良好的抗碰撞能力。该粘接剂可以高速涂抹并在180℃温度下时效硬化，这正好符合烘烤KTL底漆的过程窗口。
　　Fa.Boellhoff公司为高强度材料的连接开发了标记为Rivkle HRT的盲铆螺母，它插人板件的孔中通过拧紧变形，从而达到紧固的目的。其螺纹的高强度，足可让一个12.9级高强度螺栓在螺母中拧紧直到破裂都不会损坏螺母。
　　(1)铝与钢的冷弧焊
　　据EWM高科技焊接有限公司(EWM Hightec Welding GmbH)市场交流部门负责人Heinz Lorenz称，“我们的冷弧焊工艺能实现铝合金板与镀锌钢板的良好结。”
　　(2)优化车身连接的激光混台焊接
　　Carl Cloos焊接技术有限公司(Fa.Carl Cloos Schweisstechnik GmbH)应用研究负责人Christian Paul说，“在汽车上对诸如串联复式双丝焊接(Tandem-Zweidrahtschweissen)或者激光混合焊接方法(Laser-Hybridferfahren)这样的高度合理的新工艺过程非常需要。”在这方面，使用一种高效的激光混合焊接技术，把激光束焊接与电弧焊接两者很合理地加以逻辑连接。这种综合性焊接系统把所有需要的元件(例如搬运和焊接机器人、机器人控制系统、激光系统和脉冲焊接设备等)集成一体。
　　(3)快速远距离激光焊接
　　Rofirn-Sinar激光技术有限公司(Fa.Rofin-Sinar Laser GmbH)Vesa Haemaelaeinen认为，“利用C02-激光进行远距离焊接，可以实现在一个大的工作范围里以最短的时间完成大量焊接位置的焊接工作。”目前展示的一种远距离焊接系统具有一个功率6kW的CO2-激光器(6kW-CO2-Slab-Laser)，它能覆盖一种工作距离达到1500mm具有2700、1800mm的工作空间。该系统的突出特点是焊接速度快，焊缝到焊缝的过渡甚至达到2m/s以上。它带来的好处是具有很高的生产率：在不到40秒的时间里能完成至少100条激光焊缝。Rofin-Sinar公司把这种方法特别寄望于汽车制造中对车门和罩盖类件，以及对诸如侧盖板这样的较大总成的连接。同样，也适用于汽车零部件供应商范围，尤其是制造具有许多焊接结构件的车身制造广。
　　(4)三维激光切割
　　Reis机器人技术公司(Fa.Reis Robotics)销售部门负责人Stefan Seiler说，“我们公司在发展三维激光切割(3D-Laserschnitt)技术方面也有了进展，利用激光机器人在激光-材料加工方面开辟了新的潜力。”利用新开发的RV6/16L-CO2型产品，现在可以把2kW的CO2-激光功率直接用在机器人臂上面。这种把激光束源与机器人臂结合在一起，其主要优点是简化了在C02-激光器上必须通过反射器实现的射束导向。在新的系统中，激光束只通过4个反射器导向到达机器人的手中。其优点是改善了激光束质量和结构件的可接近性。
　　(5)螺纹套的快速焊接
　　德国HBS螺栓焊接系统有限责任公司(Fa.HBS Bolzenschweiss-Systeme GmbH&Co.KG)产品经理Ronald Klier做了阐述：“借助于MARC焊接方法，可以极其合理地给小轿车废气系统装备螺纹套。这里，MARC的含义是一种磁力控制旋转电弧(Magnetic rotating Arc)，因为在待焊接的套管与结构件之间的电弧是借助于一个磁场而被置于快速旋转状态。这导致一种非常均匀的能量分布，从而达到非常高的焊缝质量。结构件既不会被削弱性能也不会发生变形。须特别强调的，是这种方法具有低成本制造高合金钢气密性连接的可能性。由HBS开发的这种工艺方法能在简单而价格低廉的设备技术下把焊接时间缩短在1秒钟以下。相对于保护气体焊接工艺，这种新技术的一些重要优点是显著节省投资成本，节约运行费、试验费和后续加工费。除标准应用(例如焊接汽车废气范围的氧传感器套管)之外，本系统还用于废气系统的其它应用方面。
　　厚度变化的轻结构车身板坯的制造
　　轻结构车身的制造潜力还可以通过一种新的工艺方法得以拓宽。专家称之为柔性辊压板坯(TRB：Tailor-Rolled-Blanks)。所谓柔性辊压板坯，是指在一定范围内正确辊压符合实际需要而具有各种不同的厚度变化的板料。板坯制造商Mubea承担这些板坯的辊压，系统供货商(例如Laepple)将板坯按车身结构件成形，宝马汽车公司首次将其使用在自己的宝马6系列之中。与按要求定制的板坯(Tailored Blanks)和液压成形件(Hydroforming Parts)一样，在柔性辊压板坯(TRB)制造工艺中成形。
　　首先需要了解的是柔性辊压板坯(TRB)概念。如果说在按要求定制板坯(Tailored Blanks)中具有各种不同厚度的板是利用激光焊缝连接在一起的话，那么在这种柔性辊压板坯(TRB)中其各种不同板厚在辊压的时候就已经产生。这种灵活多变的柔性辊压，是一种崭新的辊压方法，为汽车车身的制造创造出轻结构的潜力。
　　不用焊接只用辊压的柔性辊压板坯，能缩短这种具有不同厚度板件的制造过程。在辊压之后通过一次热处理使材料的强度值得到了提高，然后进行镀锌。对板卷按板坯进行切割之后，可以进行例如深拉成形或者液压成形。Mubea是目前世界上唯一按自己的观点批量生产这种辊压板坯的制造商。
　　柔性辊压板坯(TRB)具有以下适用于行业的优点：
　　结构件在其板厚方面可以视每个位置的负荷而定而得以优化调节，从而可以减轻重量。轻结构潜力达到40%；
　　通过有目的地变化板厚分布，结构件的功能和成形能得到优化。
　　通过柔性辊压方法由原材料制成具有不同厚度的板坯。目前，可以把板材辊压到最大3.5mm，最小0.7mm厚。
　　目前的应用现状是：系统供货商Laepple在从板坯制造商Mubea接收到柔性辊压板坯之后，接着制造车身结构件(例如新型宝马6系列的车身结构件)。板坯重新变形、修边和钻孔等。目前，这种板件应用在地板总成中作为脚支架、前后座椅横支梁以及座椅纵支架等结构件。由于使用了这些结构件，改善了汽车的侧面碰撞性能，并将这个范围的结构件数量从19件减少到7件。
　　脚支架具有的板厚，外中外分别为1.2mm,0.7mm和1.2mm。板厚变化过渡范围大约100mm长。前后座椅横支梁其板厚变化是：从外2.Omm到中1.4mm，到内2.Omm。座椅纵支架的板厚变化从1.8mm到2.8mm，再变化到1.8mm。
　　据专家称，《柔性辊压板坯》(TRB)尚处于新生阶段，目前其应用受到板坯的尺寸、结构件的对称性和可能选择的材料所限制。但是，柔性辊压板坯(TRB)的开发，指出了材料生产商、系统供货商与汽车制造商的直接合作能带来什么样机遇和前景。可以设想，利用新的按尺寸精密定制的板坯，会使车身结构更广泛地处于轻结构和所定义的强度区域之内。
　　在批量生产中，这种工艺方法肯定不存在任何问题。但对于事故损坏的维修，这样的板件必须整块更换。