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嘉峪檢測網(wǎng) 2020-11-14 13:13
新能源電動(dòng)汽車具有清潔無污染、能量利用效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),完美契合了“低碳政策”,在全球范圍內(nèi)得到了快速、廣泛的使用。
預(yù)計(jì)到2035年全球?qū)⒂?.4億輛電動(dòng)汽車(不包括混合動(dòng)力車)投入使用,約占18億汽車總數(shù)的8%"。
《中國制造2025》規(guī)劃明確提出,到2020年,我國自主品牌新能源汽車年銷量將突破100萬輛;到2025年,新能源汽車年銷量將達(dá)到300萬輛,占國內(nèi)汽車市場的80%以上。
動(dòng)力系統(tǒng)(主要是電池)通常占新能源汽車整車總質(zhì)量的30%~40%。在動(dòng)力電源輕量化技術(shù)短期難以實(shí)現(xiàn)的情況下,迫切需要采用結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù),以解決新能源汽車車身質(zhì)量大、續(xù)駛里程短的問題。
用輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制部件可以直接減輕車身和底盤50%的質(zhì)量,從而提高電動(dòng)汽車的能源利用率。
目前在汽車制造中應(yīng)用最多的輕質(zhì)材料是高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金以及碳纖維增強(qiáng)聚合物( Carbon fiber reinforced polymers,CFRP)、工程塑料等復(fù)合材料,而熱沖壓、樹脂傳遞模塑、3D打印等制造技術(shù)的進(jìn)步可以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)部件的大批量生產(chǎn)。
實(shí)際上,這些材料的創(chuàng)新組合已經(jīng)應(yīng)用于新一代汽車中。圖1顯示,第四代奧迪A8L應(yīng)用鋁合金的比例只占58%,其余材質(zhì)采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼、鎂合金與碳纖維替代,質(zhì)量減輕了約15%,扭轉(zhuǎn)剛度提升了40%。
國內(nèi)北汽新能源純電動(dòng)汽車 ARCFOX-1采用的是碳纖維+鋁合金混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),奇瑞新能源純電動(dòng)車“小螞蟻”整車結(jié)構(gòu)基于“全鋁空間架構(gòu)+全復(fù)合材料外覆蓋件”設(shè)計(jì),吉利新能源汽車也采用了“鋼鋁混合+塑料件車身”的設(shè)計(jì),江淮汽車和東風(fēng)汽車也都推出了混合車身輕量化平臺(tái)。
這些先進(jìn)材料在汽車車身混合材料部件上的使用需要可靠性高、成本低且效益高的連接技術(shù)。然而,每種材料都有獨(dú)特的理化特性,許多材料的性能在高溫連接時(shí)會(huì)降低。
為了保障輕量化,同時(shí)不降低電動(dòng)汽車的安全性能,對于結(jié)構(gòu)件中的不同材料如鋁合金/鋼和鋁合金/CFRP等,選擇合適的連接方法非常重要。
此外,作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件,用于電動(dòng)汽車的電池組由大量的單個(gè)電池單元組成,電池包箱體的設(shè)計(jì)對整個(gè)電池組尤為重要,因此對異種材料連接技術(shù)的要求越來越高。
目前國內(nèi)外在汽車異種輕質(zhì)材料的連接技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究,本文將主要對應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車的高強(qiáng)鋼/CFRP、鋁合金/CFRP、鋁合金/高強(qiáng)鋼以及電池包箱體的先進(jìn)連接方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和討論,并對復(fù)合連接技術(shù)在國內(nèi)外汽車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了論述和展望。
鋁合金/CFRP、高強(qiáng)鋼/CFRP異種材料的連接技術(shù)
01、膠接
膠接具有減振、隔音效果好、膠接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、表面光滑美觀,以及不會(huì)損傷纖維組織等優(yōu)點(diǎn)。膠接技術(shù)很好地克服了傳統(tǒng)焊接工藝的技術(shù)瓶頸,被廣泛應(yīng)用于車身輕量化連接設(shè)計(jì)中。
特別是針對單向復(fù)合材料在應(yīng)用過程中不允許出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題,膠接接頭中的膠黏劑可以促使應(yīng)力分布均勻,進(jìn)而為單向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在高載荷下的使用提供了有利途徑。
由于CFRP和鋁、鋼之間的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異,溫度的變化會(huì)影響環(huán)氧樹脂膠黏劑的力學(xué)性能,在膠黏劑中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。
較高的固化溫度使得接頭殘余應(yīng)力顯著增大,在鋁和膠層中存在殘余拉應(yīng)力,CFRP中存在殘余壓應(yīng)力,最終由于膠層的殘余應(yīng)力小于鋁和CFRP中的殘余應(yīng)力,接頭破壞失效。
Abed發(fā)現(xiàn)隨著溫度達(dá)到膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,粘合劑的強(qiáng)度和剛度顯著降低,呈現(xiàn)出非線性耦合趨勢。基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果,通過使用更薄、更長和高模量的CFRP板,可以避免在極端溫度下鋼板和CFRP界面剝離。
通過分析了鋁合金/CFRP的膠接機(jī)理,可以推導(dǎo)出基于擴(kuò)散理論、機(jī)械嵌合理論和吸附理論,通過物理或化學(xué)方法對工件表面進(jìn)行清洗,以增強(qiáng)接觸面的潤濕性與表面能進(jìn)而增大潤濕角,從而有助于提高膠接接頭的強(qiáng)度。
此外,通過“機(jī)械緊固+膠接”或“點(diǎn)焊+膠接”的混合連接方式,可以有效地提高輕型構(gòu)件和車身結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)剛度和耐撞性。
研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用FM73膠黏劑時(shí),如果機(jī)械連接的強(qiáng)度比膠接強(qiáng)度大,則復(fù)合連接可以改善7075-162鋁合金/CFRP的接頭強(qiáng)度。相反,當(dāng)使用EA9394S膠黏劑時(shí),如果機(jī)械連接的強(qiáng)度低于膠接強(qiáng)度,則機(jī)械連接對混合連接強(qiáng)度的影響很小。
膠黏劑組分也會(huì)對接頭的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度有一定的影響，通過比較了單組分膠黏劑與雙組分碰撞改性( Collision modified,CM)膠黏劑連接鋁合金/CFRP的區(qū)別,結(jié)果顯示感應(yīng)加熱時(shí)使用具有柔性固化能力的雙組分膠黏劑可以縮短固化時(shí)間。
并且可以實(shí)現(xiàn)具有更高膠接強(qiáng)度的自由工藝設(shè)計(jì)。陰極浸涂爐中180℃固化后發(fā)現(xiàn)鋁合金/CFRP膠接接頭出現(xiàn)三種不同的缺陷形式,如圖2所示
連接前的表面預(yù)處理會(huì)在一定程度上影響膠接質(zhì)量。研究證實(shí)在膠接前使用紅外和紫外激光進(jìn)行表面預(yù)處理,可以提高AMg3/CFRP單搭接接頭的剪切強(qiáng)度,且紅外激光處理后CFRP的表面活性增大,使得界面處纖維基質(zhì)的弱化程度降低,而紫外激光預(yù)處理導(dǎo)致纖維基質(zhì)發(fā)生了熱誘導(dǎo)損傷。
同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨脈寬增加,CFRP的表面樹脂殘留量減少,表面粗糙度和自由能增大,接頭強(qiáng)度提高了1.95倍。而且超聲振動(dòng)可以提高膠黏劑的潤濕性,使鋁合金/CFRP膠接接頭的抗拉強(qiáng)度提高40%。
科研工作者對膠接接頭的整體強(qiáng)度、應(yīng)力分布和接頭斷裂機(jī)制等也進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。通過實(shí)驗(yàn)和有限元模擬的方法,分析了搭接長度對接頭強(qiáng)度的影響。
結(jié)果表明,隨著搭接長度増加,應(yīng)力分布情況基本不變,中間部位的應(yīng)力減小,接頭強(qiáng)度増大。段元欣等通過建模分析了基材厚度的改變對鋁合金/CFRP膠接復(fù)合構(gòu)件L形接頭剝離應(yīng)力分布的影響,研究發(fā)現(xiàn),隨著CFRP板材厚度的增加,剝離應(yīng)力峰值下降,應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了定的改善。
實(shí)際應(yīng)用中為了更好地發(fā)揮膠接技術(shù)的特點(diǎn),應(yīng)選擇具有較低固化溫度和與母材熱膨脹系數(shù)相近的膠黏劑。
02、自沖鉚連接
自沖鉚(Self- piercing riveting,SPR)工藝是一種在鉚釘與板料之間形成牢固互鎖的冷成型工藝,它通過液壓缸或伺服電機(jī)提供動(dòng)力將鉚釘直接壓入待鉚接板材,待鉚接板材在鉚釘?shù)膲毫ψ饔孟潞豌T釘發(fā)生塑性變形,成型后充盈于鉚模中,從而形成穩(wěn)定連接。
自沖鉚連接工藝操作簡單,不需要前期預(yù)沖孔,板材表面無需預(yù)處理,工作效率高,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,非常適合于異種材料如鋁合金、塑料、高強(qiáng)鋼以及各種復(fù)合材料之間的連接。
目前,自沖鉚技術(shù)已成為歐美高端車型制造中的關(guān)鍵連接技術(shù)之一,井且成熟應(yīng)用于寶馬、奧迪、沃爾沃和美洲虎等汽車的鋁鋼混合車身連接中,其中美洲虎鋁制車身連接中自沖鉚鉚釘?shù)氖褂靡堰_(dá)3000多個(gè)自沖鉚技術(shù)的連接工藝參數(shù)、接頭力學(xué)性能、失效模式和疲勞壽命預(yù)測以及有限元分析已經(jīng)引起了國內(nèi)外許多學(xué)者極大的研究興趣。
研究發(fā)現(xiàn)2024T/CFHP的自沖鉚接頭在熱處理后的平均抗拉強(qiáng)度為4480N,膠接/SPR復(fù)合接頭的強(qiáng)度比膠接強(qiáng)度提高了14%~32%。
目前使用一種特殊的模具,包括鉚釘、沖頭和凹模主體,并且在沖頭和凹模主體間連接傳感器,通過采集數(shù)據(jù)優(yōu)化分析連接過程的下壓速度等參數(shù)來提高連接工藝的效率,而沖頭和凹模的設(shè)計(jì)可以更好地匹配所需的連接材料,從而提高鋁合金/CFRP自沖鉚接頭的抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。
通過改進(jìn)了SPR連接過程中的凹模,將傳統(tǒng)的固定式凹模設(shè)置成可移動(dòng)單元,并結(jié)合連接前預(yù)鉆孔的處理方法,發(fā)現(xiàn)可以避免諸如CHRP中的分層、纖維或基質(zhì)斷裂損傷等問題。
通過研究6060-T6/CFRP自沖鉚接頭的長期腐蝕行為,在17個(gè)腐蝕循環(huán)之后,接頭處出現(xiàn)凹坑聚結(jié)最終形成一道蝕溝槽。
針對2024-16/CFRP自沖鉚接頭的疲勞行為, 進(jìn)行有限元模擬和實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明,接頭在靜載荷和疲勞載荷下均具有良好的力學(xué)性能。失效模式如圖3所示,復(fù)合板的脫粘是由于頂部基板開裂和截面裂紋在板材上的傳播。
研究表明鉚釘頭與CFRP頂板的齊平程度對AM6111鋁合金/CFRP自沖鉚接頭的拉伸破壞載荷和疲勞壽命具有很大的影響。
楊上陸等]對比分析了采用玻璃纖維和碳纖維作為熱塑性復(fù)合材料增強(qiáng)基所得到的鋁合/CHRP自沖鉚接頭的質(zhì)量,結(jié)果表明玻璃纖維增強(qiáng)基提碕了接頭強(qiáng)度,但接頭容易在疲勞載荷下失效,磯纖維增強(qiáng)基中由于存在颱性相,接頭強(qiáng)度有所下降,延展性降低。
張杰研究發(fā)現(xiàn)CFRP/AAS052鋁合金自沖鉚連接時(shí),使用碳纖維材料作為上板獲得的接頭質(zhì)量更好。
接頭的失效形式均是上板材料纖維絲的斷裂以及層間開裂,且上板厚度越大,失效載荷以及能量吸收值越大。但是, 研究表明自沖鉚技術(shù)在連接CRP/鋁合金時(shí),會(huì)對復(fù)合材料的纖維和基質(zhì)造成熱損傷和機(jī)械破壞。
圖3 宏觀斷裂和疲勞失效模式：復(fù)合板的脫粘
總之,影響自沖鉚接頭質(zhì)量的重要因素包括材料的特性(厚度、強(qiáng)度和延展性)、鉚釘幾何形狀和強(qiáng)度、模腔深度和幾 何形狀,以及工藝參數(shù)(表面預(yù)處理、壓力、有無膠黏劑等) 等。根據(jù)目前自沖鉚技術(shù)的發(fā)展情況來看,未來的研究工作將主要集中在:
新材料和復(fù)合材料的混合連接,包括熱沖壓成形鋼、7系列鋁合金和CFRP；
接頭力學(xué)性能和連接機(jī)理；
SPR過程的數(shù)值模擬和接頭失效行為；
開發(fā)用 于缺陷可視化的無損檢測技術(shù),例如計(jì)算機(jī)斷層掃描測量。
03、攪拌摩擦點(diǎn)焊
攪拌摩擦點(diǎn)焊( Friction stir spot welding,FSSW)是在線性攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型固相連接技術(shù), 可以很好地用于連接金屬/聚合物或金屬/復(fù)合材料。
設(shè)備主要包括壓緊環(huán)、套筒、攪拌針三種非損耗性工具,如圖4所示。當(dāng)壓緊環(huán)固定好工件后,套筒和攪拌針可以彼此獨(dú)立移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。
大量研究表明,攪拌摩擦點(diǎn)焊可以成功地連接鋁合金/CFRP或鎂合金/CFRP,這些研究集中在工藝參數(shù)的優(yōu)化(如攪拌針旋轉(zhuǎn)速度、下扎速度、下扎壓力、連接時(shí)間以及表面預(yù)處理)、溫度場變化、接頭的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能,以及失效模式和疲勞壽命方面。
通過測量了AA2024/CFRP攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的拉剪強(qiáng)度,結(jié)果顯示,具有覆鋁層的母材試樣所獲得的接頭剪切強(qiáng)度(43MPa)比沒有覆鋁層的接頭剪切強(qiáng)度(27MPa)高。
通過測量連接過程的溫度變化分布發(fā)現(xiàn),增大攪拌針旋轉(zhuǎn)速度使得峰值溫度提升了400℃。連接區(qū)由于徑向裂紋的存在被認(rèn)為是接頭中最弱的部分,塑性變形區(qū)的強(qiáng)度最高,接頭中還存在較薄的過渡區(qū)。
研究發(fā)現(xiàn)攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度對接頭剪切強(qiáng)度的影響最大,通過增加熱輸入(延長焊接時(shí)間或采用中等轉(zhuǎn)速)可使焊核增大、接頭強(qiáng)度增強(qiáng),而且復(fù)合材料的鋪展與金屬表面孔隙度有關(guān),下扎壓力越大,界面間的潤濕性和鋪展性越好,獲得的接頭的力學(xué)性能越優(yōu)、強(qiáng)度越。
為了提高接頭的力學(xué)性能、縮短固化時(shí)間在CFRP/2024-T3之間加入PPS中間層進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊連接,結(jié)果顯示,采用PPS中間層的接頭的剪切力比沒有中間層的接頭高20%~55%,而且中間層的加入使得焊點(diǎn)尺寸變大,載荷分布更加均勻。
從圖5可以看出,塑性變形區(qū)存在于接頭的中心區(qū)域,其中熔融的薄膜夾層被擠出,接頭呈現(xiàn)粘結(jié)-內(nèi)聚混合破壞模式,內(nèi)聚破壞是主要模式。
研究發(fā)現(xiàn)通過對鋁合金進(jìn)行表面預(yù)處理,可獲得疲勞強(qiáng)度更高的鋁合金/CFRP攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭,同時(shí)在保證其他參數(shù)不變的情況下,在一定范圍內(nèi)隨著連接時(shí)間延長,接頭的靜態(tài)剪切強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都會(huì)提高。
采用錐形螺紋攪拌針連接鋁合金/復(fù)合材料,并分析接頭的微觀組織、界面特性和力學(xué)性能,證明了改變攪拌針形貌對攪拌摩擦焊接頭的形狀和性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響,可以實(shí)現(xiàn)形狀和性能的共同控制。
彭軍等?研究了ABS/6082鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊的可行性,并確認(rèn)該接頭經(jīng)歷了裂紋萌生、穩(wěn)定長和快速擴(kuò)展三個(gè)斷裂階段。
對于CFRP與鋁合金和高強(qiáng)鋼的攪拌摩擦點(diǎn)焊，應(yīng)進(jìn)一步借助掃描電鏡進(jìn)行微觀組織分析，以更好地研究聚合物的填充特性和接頭性能。同時(shí)將藝參數(shù)變化帶來的影響同數(shù)值模擬建模過程相結(jié)合，深入分析界面失效機(jī)理。
04、超聲波點(diǎn)焊
超聲波點(diǎn)焊是利用超聲波的高頻振蕩能和標(biāo)準(zhǔn)氣壓使超聲波點(diǎn)焊是利用超聲波的高頻振蕩能和標(biāo)準(zhǔn)氣壓使焊件搭接面上產(chǎn)生振蕩，引起材料接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形軟化
從而實(shí)現(xiàn)連接的固態(tài)連接技術(shù)。
其原理是在靜壓力作用下，將彈性振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ缑骈g的摩擦功、形變能及有限的溫升，使得工件焊接區(qū)域的原子被瞬間激活，兩相界面處的分子相互滲透，最終實(shí)現(xiàn)焊件的固態(tài)相連。超聲波點(diǎn)焊具有焊接時(shí)間短、局部加熱溫度高、低能耗、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。
研究表明超聲波點(diǎn)焊可以實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)焊件搭接面上產(chǎn)生振蕩，引起材料接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形軟化從而實(shí)現(xiàn)連接的固態(tài)連接技術(shù)。
其原理是在靜壓力作用下，將彈性振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ缑骈g的摩擦功、形變能及有限的溫升，使得工件焊接區(qū)域的原子被瞬間激活，兩相界面處的分子相互滲透，最終實(shí)現(xiàn)焊件的固態(tài)相連。超聲波點(diǎn)焊具有焊接時(shí)間短、局部加熱溫度高、低能耗、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。
合材料和熱固性復(fù)合材料的連接，并設(shè)計(jì)了一種智能的超聲波焊接方法，利用微處理器監(jiān)測連接過程的功率和超聲振幅變化，根據(jù)連接界面反饋回來的物理變化數(shù)據(jù)來確定最佳的焊接工藝參數(shù)， 顯著縮短了連接工藝的開發(fā)時(shí)間。
研究表明超聲波焊接已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了鋁合金、銅合金等同種材料的連接， 而異種材料的連接如CFRP、玻璃、陶瓷等非金屬與金屬的連接是接下來的發(fā)展方向。
采用光學(xué)顯微鏡和SEM對鋁合金/CFRP的超聲波點(diǎn)焊接頭組織進(jìn)行了微觀表征，發(fā)現(xiàn)使用沉淀強(qiáng)化鋁合金AA2024， 接頭強(qiáng)度可達(dá)58MPa。
采用PA 6 熱塑性復(fù)合材料作為中間層，實(shí)現(xiàn)了熱固性復(fù)合物/鋁合金的超聲波點(diǎn)焊；2018年他們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),焊接壓力對接頭強(qiáng)度的影響最大,對焊接能量的依 賴性較小。
焊接壓力為280N、超聲波能量為2300J時(shí),接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)到(34.8±3.9) MPA。圖6為超聲波點(diǎn)焊工藝在鋁合金與CFRP連接中的應(yīng)用。
超聲波點(diǎn)焊連接金屬/CFRP異種材料優(yōu)勢巨大,不會(huì)造 成CFRP纖維組織損傷,避免了熔焊產(chǎn)生的缺陷問題,但還需要進(jìn)一步研究熱塑性中間層對混合材料連接的促進(jìn)作用, 解決金屬/CFRP直接接觸帶來的界面電化學(xué)腐蝕問題,更有效地提高接頭強(qiáng)度。
05、結(jié) 束
輕量化要求正促使車身材料的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向著多元化發(fā)展,但由于異種材料間的理化性能差異,其在連接時(shí)難以形成高質(zhì)量的接頭,這就需要尋找合適的連接方法來應(yīng)對這種挑戰(zhàn)。
來源：GAF螺絲君
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