激光焊接和汽车轻量化

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一、汽车轻量化技术发展的背景及意义：

现阶段，汽车工业的发展面临着三大严峻问题：即油耗、环保和安全，轻量化、环保回收及节约能源已成为全球汽车工业的发展趋势。针对此类问题，各国纷纷开始重视能源和环保议题制定了相应的法规，并提出了有效的改进措施。轻量化技术通过降低自身质量从而达到降低油耗、减少排放的目的。

有关研究数据表明，若汽车整车质量降低 10%，燃油效率可提高 6%-8%，；若滚动阻力减少 10%，燃油效率可提高 3%；若车桥、变速器等机构的传动效率提高10% ，燃油效率可提高 7%。此外，车辆每减重100kg，CO2排放量可减少约5g/km。

由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低，汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放、实现我国汽车工业可持续发展十分重要。汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上，因此车身的轻量化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要。同时，轻量化还将在一定程度上带来车辆操控稳定性和一定意义上碰撞安全性的提升。车辆行驶时颠簸会因底盘重量减轻而减轻，整个车身会更加稳定，轻量化材料对冲撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。正是出于对减少能源消耗、减少污染物排放等目的，汽车轻量化技术一直以来成为科研、汽车生产制造等重点探索方向。无论是对于传统动力汽车，还是新能源汽车，轻量化所带来的经济效益和社会效益都相当可观。目前，在汽车轻量化领域，正呈现技术、工艺和材料等多方发力局面。

二、汽车轻量化的含义：

汽车轻量化是在满足汽车使用要求、安全性和成本控制要求的条件下，将结构轻量化设计技术与多种轻量化材料、轻量化制造技术集成应用实现的产品减重。以上是世界汽车产业对汽车轻量化的普遍共识与认识。但在实现汽车轻量化的同时，一个非常重要的前提是：不能以牺牲车辆安全性和 NVH（噪音、振动、平顺性）为代价，汽车轻量化必须在预定整车减重目标、整车成本控制目标、安全性目标和 NVH 控制水平的全面约束下进行。

汽车轻量化并不是简单地以缩小汽车的体积或者减轻汽车的质量来衡量。汽车的安全性、稳定性、舒适性和耐撞性等与汽车的质量有直接关系，所以，还需要考虑其经济合理性，毕竟车属于商品，要让消费者接受它的价格。

（1）对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接的减重；

（2）现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计是完善功能而保持质量不变；

（3）既要提高改进性能，同时也使汽车减重。正因如此，汽车轻量化设计实际上是功能改进，质量降低，结构优化和合理价格的结合。

三、汽车轻量化技术的发展历史与现状：

汽车结构的创新化设计和特殊材料的使用是汽车轻量化技术的重要组成部分。如果汽车车身结构设计合理，不仅可以减少材料的使用量，还能达到轻量化的目的。要想实现汽车轻量化，车身材料是非常重要的。相关研究表明，汽车轻量化技术主要可以分为以下四个方面：

①轻量化材料：实现汽车轻量化必须集成利用多种新材料和相关应用技术。目前，汽车轻量化材料使用的主要是高强度钢，其次是铝镁合金、复合材料及塑料。其中，高强材料主要用于降低钢板厚度，保证汽车结构和安全性能；低密度材料主要用于非结构件替换和减轻汽车质量。

1）高强钢是轻量化的关键材料，它的大量使用既实现了整车轻量化，又保证了汽车的安全性和可靠性，因此，高强钢使用面广且量大。1994年，为提高钢铁材料相比其它材料在车身上应用的竞争地位，国际钢铁协会组织世界 18个国家35家钢铁公司并委托Porche公司，持巨资开展了超轻质钢车ULSAB(Ultralight Steel Auto Body)项目。开发出的超轻质钢车身质量为203kg，比同级别轿车车身质量平均减轻25%，与此同时车身扭转刚度提高了80％，弯曲刚度提高52％，车身第一阶固有频率上升到60Hz，并且��全满足碰撞安全性法规要求。

1997 年开始，又开展了超轻钢汽车附件ULSAC(Ultralight Steel Auto Closures)项目。通过将车门结构改用无框架形式，同时车门外板和车门管件均采用高强度钢制造，在满足所有结构性能要求的前提下减轻车门质量36％，而制造成本仅为133美元。

2）铝合金是轻质材料，具有良好的抗腐蚀性，应用前景良好。近年来，铝材在汽车上应用量增加很快，主要是板材、挤压材、铸铝及锻铝，在车身结构、空间框架、外覆盖件和车轮等处均有大量应用。

HONDA 公司1989年面市的NSX是一体式的铝车身结（单体构造车身），车身在融入轻量化设计理念之后，重量仅1270 公斤。采用此种结构的还有美洲豹新款“XJ”型轿车和福特公司的AIV轿车，AIV汽车总共使用铝台金270kg，比传统钢制汽车减轻200kg。

综合ASF与单体构造车身结构的优点，本田公司开发了Insight复合结构全铝车身，最大限度的发挥铝合金的优势。与铝合金单壳体车身(NSX车)相比，Insight铝复合车身所用的零件少 15％，焊点少24％。此外，与三门钢车身Civic车相比，白车身的质量减小47％而扭转刚度提高38％，弯曲刚度提高 13％，同时具有很好的碰撞安全性。通用汽车公司开发的五座轿车Precept使用铝合金制造车身。车身使用了49kg 铝挤压型材、64kg铝合金板及 32kg铝压铸件，与传统钢结构车身相比，Precept的车身质量减轻45%。

3）镁合金是比铝更轻的材料，其体积质量仅为1.8 kg/m3，轻量化效果更明显。起初是用于壳体类、气缸盖罩盖和方向盘骨架等件，现在已经扩展到座椅骨架、车门、车顶、仪表盘骨架和支架类零件。20世纪90年代，奔驰公司首先在SLRoadster中采用了镁合金座椅，使车重明显减轻。

4）塑料及纤维复合材料在汽车工业的应用也日趋增加，汽车上应用塑料件已达数百个。在重型卡车上塑料和复合材料的应用已超过 150 kg，由普通的塑料到高强度复合材料均有应用。其中尤以SMC和GMT的应用最为广泛。

5）金属基复合材料是 20 世纪 60 年代发展的新材料，80年代之后进展很快。汽车工业应用的 MMC 主要是纤维增强及颗料增强铝基复合材料。应用于发动机与刹车系统零部件。发动机零件有缸套、活塞、连杆、活塞销、摇臂和气门挺柱。在刹车系统应用于刹车盘和刹车毂。

复合材料在整车车身上有一些应用，如通用公司的Johnson等研制成功一款复合材料白车身，在满足包括静刚度、耐久性、碰撞安全性等结构性能要求前提下，比传统钢车身质量减轻了60％。1994年，克莱斯勒推出了复合材料概念车CCV(Composite Concept Vehicle)，在节省加工时间约70％的同时，CCV质量减轻20~50％。新型的奔驰S 级车上总共使用了180kg塑料及复合材料，其中有36kg的车身外零部件。

优化设计：随着汽车工业设计水平的不断提高，很多汽车开始采用超轻悬架结构、高刚性结构来减轻其质量，常采用优化并排焊点、加强筋、减重孔等方式来达到轻量化目的；

1)结构构建：汽车的优化设计主要针对车身与关键零部件总成2 个方面。优化设计中可以：1>优化车身的空间结构，满足各种工作载荷；2>减小或减少车身多余的尺寸、零件数量和零部件厚度；3>优化零部件形貌，减少不必要的结构或用于增强的加强件数目。

2)材料选择:优化设计的核心是通过对汽车产品的合理设计，在满足整车使用性和经济性各项要求的情况下，选择并使用适当的轻量化材料，需要利用设计者的经验和CAE 技术。前者的实质是轻量化数据库建设，设计者的经验可以通过积累获得转化，成为轻量化数据库专家系统的一环。同时，从设计的静动力学分析，到关重件生产工艺模拟，再到整车性能研究，CAE 技术的利用可以给出材料选择的合理预判。

3)工艺预置:汽车结构复杂，它的工艺实现对整车能否达到轻量化目标有着至关重要的影响。汽车业的发展，使高强钢、铝镁合金和复合材料不断推出，也对应用工艺提出了新要求。如：界别越高的高强钢，在成形性上要求越高，热成形技术是个好办法；有的部件如轿车的副车架，形状复杂且生产困难，液压成形能提供一个解决途径。而通过 CAE 技术可以分析出这些工艺的可行性和路径。

4)试验仿真:一切车辆的好坏，免不了试验的验证。在轻量化的发展中，国外的汽车检测法规甚至已经用CAE 分析替代部分试验测试，其结果得到各界确认而成为标准要求。对汽车轻量化影响最大的几项总体和零部件的试验包括：白车身弯扭试验、白车身 NVH 试验、白车碰撞试验及保险杠碰撞试验等，都可以通过 CAE 技术得到良好的仿真结果。

制造工艺：��形方法和联接技术不断创新，如柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺技术、薄壁制造技术等，大大减轻了整车的重量。

1)热成形技术的应用:既要轻量化又要提高汽车性能的一个手段就是采用高强度的轻量化材料。其优点有：通过快速冷却淬火，热成形后制件强度得到大幅提高；成形性优良；降低压机吨位；尺寸精度较高；零件表面硬度、抗凹性和刚度好。目前，乘用车达到 Uncap 碰撞4 星和 5 星级水平的车型，在主要的安全件中（A，B，C3 柱和保险杠防撞梁、门防撞杆及保险杠防冲柱等）普遍采用了抗拉强度为 1 500 MPa，屈服强度为 1 200 MPa的马氏体钢，如此高的强度之所以能够实现，在于热成形钢材与工艺技术的发展，。材料的加工成形性与屈服强度和延伸率有密切关系，而材料的断裂应变和屈服强度与材料的温度有密切关系。在 900 ℃时，热成形钢屈服强度下降至 150 MPa，断裂应变达到50%以上，具有良好成形性和可加工性，在热成形之后，随之进行冷却淬火达到高的强度，并固定了热成形状态下的零件形状。

2)液压成形技术的应用:液压（内高压）成形是指采用液态物质作为施力介质，使坯料在施力介质作用下，贴合凸模或凹模面成形。它是一种柔性成形技术，可以为一些形状复杂、强度高和成形性差的材料提供理想成形工艺。液压成形分为板材液压成形和管材液压成形，在汽车工业中，应用较多的是管材内高压成形。与冲压焊接件相比，管材液压成形的优点是：1>节约材料；2>减少后续工作量；3>由于焊接减少，可提高构件的强度与刚度；4>与冲焊件相比，材料利用率为 95%～98%；5>降低生产成本和模具费用达 30%。

3)激光拼焊板技术的应用:由于激光焊接技术的特殊性，焊接速度快，热影响区小，因此，激光拼焊板材的成形性良好。激光拼焊板技术将不同厚度、不同强度或不同表面处理状态的板材通过激光拼焊集成一个大的板坯进行冲制，这样可使模具的数量和后续生产工序减少，从而降低了生产成本，并提高了零部件的质量，优化了零件结构，充分发挥了不同强度和不同厚度板材的特性。在汽车中采用激光拼焊板材后，可使零件质量减轻 24%，零件数量减少 19%，焊点数下降 49%，生产时间缩短 21%，其典型构件为：车门内板、侧围板、地板和一些车身高强度结构件。

4)金属半固态成形技术的应用:金属半固态成形技术的特点是高效、高性能、低成本与节能环保，该技术经过多年不断发展，日趋成熟。20 世纪 90 年代，西方国家就已进入产业化应用阶段，并对铝合金在汽车结构零件中的推广起到重要作用。目前，德国 EFU，法国 Pechiney，美国Alunax公司，瑞士Alusuisse公司和意大利Stampal 公司等，均已形成相当规模的产业，大量用于汽车零部件的制备。铝合金半固态成形件单件尺寸与质量也不断加大，意大利 Stampal和 Fiat 公司生产的半固态铝合金零件重达 7 kg。

5）连续变截面辊轧板：续变截面辊轧板(TRB)轧制属柔性轧制技术，其原理是在轧制过程中通过计算机实时控制和调整轧辊间距，获得沿轧制方向上按预定的厚度连续变化的板材，以取代应用日益广泛的激光拼焊板。这样的变截面薄板经加工后制成的汽车零部件具有更好的承载能力，且能明显减轻车重。TRB轧制辊缝连续调整的关键是TRB板厚综合系统数学模型的建立。

6）内离压成形技术：内高压成形是一种复杂的加工工艺，涉及到物理非线性和几何非线性等大变形过程，对其进行细致的理论解析分析比较困难，因此需要采用有限元模拟方法，分析缺陷产生的原因。目前研究的热点集中在利用大型工程有限元分析软件如DEFORM和 LS-Dyna》D等进行数值分析计算，模拟调整各个控制成形参数的匹配关系，研究成形极限图，确定液体压力和轴向进给量的匹配对内高压成形质量的影响以准确反映成形过程，预报成形缺陷，获得最佳控制工艺参数，从而对实际生产有重要指导意义。

LCA在轻量化技术上的作用：汽车轻量化技术的发展，一个重要目的就是解决汽车产量和保有量不断增多对社会和经济带来的能耗、安全和环保 3 大问题。LCA 是一种对产品的生产工艺及活动的环境负荷进行评价的客观过程，它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和量化，来评估能量和物质利用对环境的影响，以寻求改善产品或其工艺的途径，是工艺评价的重要方法。轻量化固然要减轻汽车的质量，但也要以不与汽车的 LCA 相违为前提，毕竟LCA 追求的是产品全生命周期面向环境的设计，可以最大限度地提高可耗竭资源的使用效率，减少材料与能量使用量；最大限度地使用可再生能源；排除或最大限度地降低对能耗与环境不利的工艺的使用。

自上世纪70年代以来，随着材料技术和制造技术的进步，汽车自身重量在逐年减少，以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520kg；90年代下降至1230kg。20 世纪 90 年代，奇瑞等汽车公司就开始进行相关试验。20世纪末和21世纪初，世界各国先后出现过百公里油耗3L的汽车。1998年德国大众推出路波3LTDI，汽车自身质量只有800kg。奥迪公司开发全铝型轿车Audi A2，汽车自身质量约900kg。目前，很多汽车的变速箱壳体采用的都是镁合金材料，例如上海大众桑塔纳轿车。随着镁合金材料性能的提升，如果曲轴的箱体材料由铝合金变为镁合金，那么，��质量将会减轻 30%；如果能进一步改善镁合金材料的抗蠕变性能，那么，自动变速箱的箱体也可以使用镁合金材料制造。美国政府2009年5月公布一项汽车节能减排计划，目标是2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里耗油不超过6.62L，CO2排放量也比现有车辆减少1/3。

随着时间的推移，我国在汽车结构设计方面也取得了较大的进步，已经从依靠经验设计逐渐发展为应用有限元等现代设计方法实行静强度计算和分析的阶段。在薄板冲压工艺方面，上海通用、五菱与湖南大学合作，开展了深入的研究，而北京航空航天大学则利用开发的 CAXA 系统研究客车轻量化技术。中国汽车工程学会，一汽集团，东风汽车，吉利汽车，奇瑞汽车，长安汽车，上汽集团，北汽集团，长城汽车，中国汽车工程研究院，吉林大学，哈尔滨工业大学，华东理工大学，湖南大学，宝钢，西南铝业等15家，以及42家伙伴单位成员也已经组成联盟。致力于在汽车企业与科研机构、高等学校之间、上下游产业之间建立有效运行的产学研合作新机制，实现联盟成员的共同发展。

近年来，我国在汽车轻量化方面取得了不少成果。“九五”和“十五”及“十三五”期间，一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”、“585”高新技术项目和国家科技攻关重大项目。此外我国政府也公布了汽车节能减排计划，2016年1月1日起执行，每年将设置油耗达标值，直至到2020乘用车平均油耗降至5.0升/100公里，这些都促进了汽车轻量化技术的进步。

四、汽车轻量化技术的发展方向：
汽车工业作为国家经济发展的支柱产业，目前正处于高速发展的时期，轻量化技术的运用并不成熟。面对新的能源危机和环境污染问题，对汽车轻量化的要求显得越来越迫切。实现轻量化是衡量汽车工业技术成就的重要标志之一，目前汽车轻量化技术还处于不成熟的阶段,未来将有很大发展前景。
汽车轻量化的研发，一是要打破轻量化技术发展所涉及的众多学科之间的壁垒，形成综合性、系统性知识体系；二是国家应该发挥作用，作出战略性和前瞻性的超前部署。汽车轻量化技术要以创新需求为纽带，以获取汽车轻量化核心技术为长期战略目标，大力发展新材料、新技术、新工艺、新产品。

在结构优化设计方面：汽车结构的尺寸优化、形状优化和连续体拓扑优化已逐步发展成熟并得到广泛应用，但汽车结构的多学科、多目标优化设计方法，离散杆系结构的拓扑优化方法，还有待进一步研究和完善。在轻量化材料的应用方面：变形镁合金、新型塑料和纤维增强复合材料具有较大的应用潜力；另外，由于单一材料难以最大程度地满足汽车结构的轻量化要求，研究多种材料混合结构的设计理论、方法和相应工艺，不同部位采��不同的材料，充分发挥各种材料的优势，可以实现选材与零部件功能的最优组合，这种多材料一体化设计理论和方法将成为汽车轻量化技术的研究热点。在工艺研究方面：液压成型、激光焊接将得到更为广泛的应用，热成形工艺和变厚度板的应用将得到进一步发展。此外，零部件的轻量化将得到重视。目前汽车轻量化技术的研究多以车身结构为主，而零部件的总质量约占整车整备质量的 3/4，具有很大的轻量化潜力；因此，零部件如车桥、悬架、变速箱、发动机等的轻量化研究将会得到进一步重视。而且，各种轻量化技术是相辅相成的，充分发挥不同轻量化手段的优势，研究汽车材料选择、结构设计和工艺设计的系统化和集成化方法，即轻量化技术的系统化和集成化，也是未来汽车结构轻量化技术的发展方向。

在当今的汽车产业中，焊接是一个关键的环节，采用恰当的焊接方式可以进一步提高车身抗碰撞能力，降低车身重量、造车本钱和油耗以及简化总装工序等优势。目前，汽车采用的焊接一般是点焊，最高级的是“激光焊接”，虽然成本较高，但是物超所值。

激光焊接是用激光这把“六脉神剑”融化金属，代替传统的焊接工艺。在他出现前，焊缝质量不高，汽车制造时只能使用一整块钢板冲压一个零件，所以以前的汽车又笨重又耗油。
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而激光焊接出现后，不但焊接质量高，还可以将不同厚度、不同材质甚至不同表面状态的钢板对拼后焊接在一起。焊完后再冲压成所需的零件，这样设计时可以做到真正的按需选材。所以现代汽车又轻灵又省油。

在传统的白车身制造中，首先需要冲压若干零件，然后再焊接成分总成，在很多零件上需要焊接加强板类的零件。与此相比，拼焊钢板冲压有很多显著的优点，特别是减少工件数量，从而减少加工环节、降低生产成本。

相比而言，激光拼焊板优势众多：降低工件重量，从而降低整车重量；减少累计公差，利用拼焊板冲压，可以使零件一次冲压成型，不需要将几个零件焊成一个零件，大大提高了零件尺寸精度；激光焊接代替传统电焊，时间可以得到大量节省，焊接质量得到质的提高；提高车身碰撞安全性能等等。
随着技术的进步，拼焊钢板已在汽车工业得到广泛应用，拼焊钢板已应用在车身纵梁、骨架、地板、门内板、侧围和保险杠等多个部位。目前，中高档轿车车身已普遍应用激光拼焊板；合资汽车厂轿车车型上的激光拼焊板采用其母公司（或合资伙伴）原始车型的设计。