混合材料連接技術進展與挑戰

1 前言

全球對減少碳排放的重視正在推動汽車制造商提高其車隊的燃油經濟性。車輛性能（加速、道路噪聲、振動、轉向響應等）和舒適性特征也需要在每一個年型車中改進，以滿足顧客的期望。汽車輕量化是世界各地汽車制造商的戰略追求，以滿足監管和市場目標。汽車研究中心（CAR）的白皮書報告指出，車輛重量的減少主要是通過設計優化、縮小尺寸或降低級別的組合來實現的，以及使用具有更高強度重量和/或更高的剛度與重量比的低密度材料。新一代汽車預計將包含越來越多的多樣性的創新材料。車身結構的主要輕量化材料包括先進的高強度鋼（AHSS）、鋁、鎂和塑料和聚合物復合材料。這些材料的創新組合可用于多種零部件產品形式，如片材、板材、模制品/鑄件和擠壓型材。

2 混合材料連接技術簡介

混合材料主體結構利用同一部件或組件內的不同材料組合來優化重量和性能。材料組合可包括具有鋁的高強度鋼、含鎂的鋁、具有聚合物復合材料的金屬等。圖1示出了在同一部件中使用不同材料以在保持性能的同時降低重量。

圖1 混合材料設計案例（Source：Fraunhofer Institute）

混合材料連接技術的大量選擇已經可用，并且已經被證明對于各種應用是有效的。雖然這些技術可能還沒有準備好用于車身應用，其中必須滿足許多生產要求，進一步投入到這些技術的研究和開發可能導致未來的大批量、工業化應用。下面介紹了混合材料連接技術的發展前景。

焊接連接技術

●電阻點焊(Resistance Spot Welding)

●攪拌摩擦點焊 (Friction Stir Spot Welding?FSSW)

●激光釬焊與激光焊(Laser Brazing and Laser Welding)

●旋轉焊接與振動焊接(Spin Welding and Vibra?tion Welding)

●紅外（IR）焊接(Infrared(IR)Welding)

●磁脈沖焊接(Magnetic Pulse Welding,MPW)

其中IR和MPW技術簡介如下：

紅外（IR）焊接

紅外焊接是另一種常用于具有復雜連接輪廓的塑料部件的連接工藝。部件的表面層通過紅外輻射產生的熱量熔化，然后可以將部件按壓在一起（參見圖2），紅外線熱量無接觸地傳遞。

圖2 紅外（IR）焊接工藝(Source： Forward Technology)

磁脈沖焊接

磁脈沖焊接（MPW）是利用磁脈沖以極高速度（每小時900英里以上）將一種材料連接到另一種材料中的過程。這種行為通過迫使原子相互接近，使接合材料開始共享電子的速度在分子水平形成一個鍵。這個過程不需要熱量，通常用于圓柱形連接，如圖3所示。

圖3 磁脈沖焊接工藝(Source：The Belgian Welding Institute)

緊固件連接技術包括：

●自沖鉚釘（Self?Piercing Rivets,SPR）；

●鉚接（Clinching）；

●單面高速釘（One?sided High Speed Nails）

●粘接（Adhesive Bonding）

每種連接技術可能不適用于所有組件。表1顯示了最常用的連接技術對不同材料組合在現代汽車車身結構設計中的應用。粘接和緊固件是唯一的對于大多數的材料連接都有效的技術，包括金屬到復合材料連接的組合。

表1 不同材料組合常用的連接技術

3 選擇連接技術時參數選擇

為了充分實現輕量化的潛力，汽車制造商和供應商需要整合，將異種材料和連接技術整合到可編程裝配線解決方案中，包括電阻點焊、激光焊接、攪拌摩擦焊、焊接粘接、自沖鉚接和A各種快速固化粘接工藝以滿足車輛生產速度。該報告總結了OEM在選擇其車身車間的連接技術之前考慮的因素，其中的一些因素如圖2所示。

圖2 車身結構設計中選擇連接技術應考慮的參數(Source：CAR Research)

一個主要考慮的是成熟和適用的材料組合需要連接的技術。技術成熟度是一個主觀的術語，它取決于車輛開始流程。從廣義上講，成熟的技術可以用于大規模生產的汽車（年產量超過10萬臺），有多種產品應用，并可從多個供應商與全球基地。即使該技術對于大批量生產來說是成熟的，并且提供了更好的連接方案，但由于設計限制，它可能難以使用。

4 評估連接技術的測試程序

該報告指出，在材料科學和工程中測試和驗證材料的基本屬性非常重要。不同材料之間的連接通常伴隨著已連接部件的機械、化學和物理性能的不匹配。機械要求包括接頭的強度、韌性和剛度。化學要求包括抗環境化學侵蝕引起的腐蝕和降解。接頭的物理要求可能僅限于需要將外殼與周圍環境密封，從而防止氣體或液體進入或流出。在決定測試類型和加載條件之前，了解組件的實際加載條件非常重要。評估一個特定的連接能力也很重要。因此，許多測試是為了評估焊工的能力而不是焊接，而許多粘合劑接頭準備測試粘合劑的性能而不是焊接（特別是它們的保質期或環境敏感性）。

連接可能以多種方式失效。裂紋是焊接接頭中常見的缺陷，典型的失效模式是由于加熱的金屬被快速冷卻時累積的累積應力而發生裂紋。為了防止這種缺陷，金屬應該退火。有時問題不是連接本身，而是周邊地區。由熱引起的金屬變形會在材料中引起不希望的應力。氧化也是焊接接頭的主要問題。氧化物可以防止形成良好的焊接。當談到焊接接頭時，爐渣是另一個麻煩制造者。這包括諸如焊接時發生在零件上的灰塵、碎屑和氧化物等物質。由于粘合劑與基材粘合力，內聚力或兩者粘合失敗，粘合接合處可能會失效。圖3顯示了粘合接頭的失效模式。

有兩種測試常常用于檢查接頭的質量：

（1）破壞性試驗：這些試驗中的一些試驗如拉伸試驗和彎曲試驗具有破壞性，因為試樣被加載直至失效，從而獲得所需的信息。

（2）非破壞性測試（NDT）：其他測試方法，如X射線和水壓測試，無損檢測（NDT）。這種類型的測試也被稱為NDE或無損檢測和NDI或無損檢測。這些方法的目標是檢查焊縫而不會造成任何損壞。

圖3 連接的失效模式(Source：Henkel)

圖4 顯示了一些常見的粘合劑測試方法。類似的測試方法被用于測試焊接和機械固定接頭。

圖4 常用粘接破壞性試驗方法(Source：www.adhesivetest.com)

5 混合材料連接技術的主要挑戰

材料選擇標準旨在通過避免生產和產品使用中的失效來滿足工程要求。連接過程的實施必須滿足系統的工程要求，無論是在連接過程中，還是在組裝組件的后續使用壽命期間。不同材料之間的連接通常伴隨著已連接部件的機械、物理和化學特性的不匹配。該報告介紹了在采訪各主題專家期間確定的混合材料連接方面的主要挑戰OEM和供應商。該報告分析了腐蝕、熱膨脹、生產周期、標準化、無損評估和計算機分析方法、知識產權（IP）、保守心態、維修、資本占用和人才等方面，本文在以下方面介紹如下。

腐蝕是一種自然過程，可將精煉金屬轉化為更具化學穩定性的形式，如氧化物、氫氧化物或硫化物。它是通過與環境的化學和/或電化學反應逐漸破壞材料（通常是金屬）。電偶腐蝕（也稱為雙金屬腐蝕）是一種電化學過程，其中當存在電解質時兩種金屬電接觸時，一種金屬優先腐蝕另一種金屬。當電偶形成時，對其中的一種金屬變成陽極并腐蝕得比它本體更快，而另一種變成陰極并腐蝕比單獨的更慢。對于電偶、陽極和陰極由它們在電流序列中的相對位置決定。

熱膨脹是物質在形狀、面積和體積上隨溫度變化而變化的趨勢。熱膨脹系數（CLTE）測量在恒定壓力下溫度每度變化時尺寸的分數變化。圖5顯示了不同材料對熱負荷的反應情況。白車身需要經過由烤箱組成的烤漆過程，以固化車內的涂料，密封劑和粘合劑。烤漆烤箱的溫度范圍為180?250攝氏度。由于CLTE的差異，多材料機身中的材料會有所不同。如果連接不允許自由擴張，這會扭曲車身結構。例如，在運動受到限制的典型大型塑料和金屬組件中，可能形成高壓應力或拉應力。因為通常塑料部件膨脹得更多，它會產生應變誘發的壓應力，在金屬部件中產生相同的拉應力。

圖5 熱負荷下不同材料的膨脹不同（Source：CAR Research）

由于CLTE的差異，車輛工程師正在嘗試各種技術以防止混合材料組件出現變形。其中一些問題可以通過良好的設計來緩解，這種設計允許自由膨脹而不會對連接造成壓力。圖6顯示了設計更改如何幫助適應熱膨脹差異的示例。柔性粘合劑在保持接合強度的同時也能承受一些應力，但這些柔性粘合劑可能不具有接合性能所需的性能。供應商面臨的一個主要挑戰是開發能夠在現有的60秒裝配工藝周期和油漆車間溫度范圍內應用的高度柔韌、耐用和高模量強度的粘合劑。

圖6 下部組件的塑料蓋一端的開槽孔和滑動附件使其能夠適應與金屬基座的熱膨脹差異(Source：LANXESS Corporation,Joining Design Guide)

車身使用預定義的工藝流程進行生產，每個作業的時間都是固定的。通常對于大批量生產而言，大約每分鐘都會制造一個車身結構。為了保持這個輸出，連接的周期時間（處理時間）應該在一分鐘之內。一個工位的循環時間較長會減慢整個生產線的生產速度，或者可能需要添加另一個工位。另一方面，使一個工位超高效也無濟于事，因為它會對其他工位造成滯后。點焊通常選擇用于連接鈑金件，沖壓件和組件，因為它快速，可靠且經濟。目前，焊接機器人可以每秒應用一個電阻點焊（RSW）。圖7描述了典型的點焊周期。由于不同的熔化特性和電導率，非常不同的金屬如鋁和鋼的點焊是困難的。

圖7 點焊工藝流程(Source：Kullabs)

產品設計師盡可能簡化設計并標準化組件和制造技術，汽車行業最新的趨勢是減少平臺數量并促進車輛之間的更多零件共享，以共享工程成本并降低復雜性。在各種連接技術中，電阻點焊非常標準化。主要的主機廠遵循RSW的國家或國際標準。此外，點焊幾乎適用于任何類型的鋼結合，并進行微小的調整，這是一個主要優勢。另一方面，粘合劑和緊固件是最不標準的。為產品應用定制緊固件，增加了工程成本和復雜性。粘合劑也是根據應用設計的，并且沒有可用的國家或國際標準。粘合劑供應商不希望商品化他們的產品，因為粘合劑化學可以改變以更好地適應應用。然而，OEM不贊成專門的產品，因為它增加了車身的復雜性。可以從多個供應商作為商品購買的產品是重中之重，因為它可以降低成本，分配供應商生產故障的風險，并簡化生產流程。OEM還需要材料和制造技術在所有市場都可用。

破壞性物理測試是測試接頭性能的最佳方法，但對于大規模生產的車輛而言，無損探傷更經濟。在過去的100年里，汽車行業一直使用鋼材和鋁材來加工鋼材，在過去的100年中，使用焊接或鉚釘。已經開發出非破壞性評估（NDE）技術，如超聲波、渦流、X射線，放射線照相術等來測試焊縫。計算機輔助工程（CAE）分析工具能夠預測焊接組件的性能。然而，結果并不總是足夠準確以匹配真實世界的表現。車輛設計師通常會增加額外的焊縫，以確保安全，為了消除不必要的焊縫并降低安全系數，需要對現實世界的性能進行準確的預測，同時還需要良好的過程控制。

大多數OEM正在加大混合材料連接工藝技術研究。一般來說，歐洲的汽車制造商在連接技術研究和實施方面領先。過去未使用過混合材料車身應用且沒有大型研發中心的OEM努力保持其競爭力。

主機廠加強風險管理。新技術會帶來多種風險，例如零件故障、供應鏈延誤、報廢回收問題、前期成本高等等。這種傳統思維模式是任何新技術應用的最大障礙之一。CAR先前的研究“汽車行業的材料鑒定”將高層批準確定為新材料進入的主要障礙之一。提高燃油經濟性的監管壓力促使汽車制造商以更快的速度實施新技術。OEM正在將這些材料和制造技術引入優質小批量車輛或未在全球銷售的平臺。例如，寶馬使用碳纖維作為i3的主要材料，并使用粘合劑作為主要連接技術。

6 未來潛力與發展

CAR通過對公司的多次采訪和工程師會議，發現了需要進一步研究的項目清單。這里列出的五個問題將作為汽車輕量化材料聯盟（CALM）可能進行的未來工作擴展和審查。這里提到的每個項目都代表CALM公司及其客戶的某種程度的價值。該清單包括：

（1）確定下一個裝配工廠有可能更新其車間

（2）將緊固件與推薦的粘合劑相對應

（3）發布推薦的測試程序以與特定材料混合使用

（4）概述現有CALM混合材料輕型門項目的后續步驟，為所研究的特定解決方案分配連接技術、位置、分析、粘合劑、緊固件和原型

（5）確定并記錄替代幾何形狀以隔離、吸收或解決熱膨脹

主機廠在新車型開發和生產準備的完整周期中，供應商在早期就參與其中，在產品升級時刻供應商同樣可以獲得參與的機會，為主機廠提出新的材料及工藝技術概念，因為OEM需要在鎖定新的工廠布局以支持新的或更改的工藝和材料之前融入這些概念。為此CAR研究小組建議：

機會1：開發北美所有組裝工廠的數據庫，注意其目前的產品、發布日期以及下一次重大轉換的預期時間表。

將緊固件與推薦的粘合劑相對應：在整個與OEM和供應商的會議和采訪過程中，發現了關于緊固件的一個共同主題。雖然很明顯OEM將繼續需求緊固件，但緊固件將與粘合劑一起使用，以實現多材料解決方案。

機遇2：發布行業專家推薦的交叉引用緊固件和粘合劑清單，以確定在處理多種材料解決方案時推薦的組合。

發布推薦的測試程序：缺乏公認的標準和/或方法被多次指出是多材料解決方案的主要障礙之一。當OEM指定鋼鐵解決方案時，它依靠經過久經考驗并經過驗證的分析測試，并通過行業標準驗證方法予以支持。這將通過焊接過程中的電流數值標準監控流程和物理驗證中的標準拉脫和剝離測試來支持。這些標準將被任何OEM和/或供應商預期，并且對于該行業來說是通用的。行業缺乏使用粘合劑或粘合劑和緊固件組合的標準程序。OEM或供應商通常會測量所用粘合劑的數量，然后在組裝完成后再次確認工藝是否正確。

機遇3：發布行業范圍的標準程序以測試各種材料的粘合性，并適用于所進行有價值研究的各大學

CALM門項目的后續步驟：對原始CALM混合材料輕型門項目中引用的十幾種潛在材料組合進行了大量研究，由此產生的關于門組件的白皮書提供了12種材料組合選擇，每種材料組合產生不同的總門重。每種替代方案都代表了不同的應用目標市場，與原來的低碳鋼設計相比，它的最佳體積和每磅特定成本得以降低。

機遇4：記錄以前CALM研究中提出的12種混合材料門裝配解決方案中最適合的各種連接方法。

推薦的幾何圖形：在幾乎所有參觀過的地點，都有人提到OEM或供應商在應用混合材料解決方案時存在熱膨脹問題。這是由于膨脹和收縮率不同，因為每種材料都以其獨特的方式對溫度變化做出反應。例如，當車輛通過電鍍和烤漆烘烤過程的熱量時，鋼和鋁的組件必須適應鋁以更快的速度膨脹。這也帶來了另一個問題，因為隨著組件冷卻，鋁比鋼冷卻得更快。

CAR報告它還揭示了各種方法，以各種速率補救熱量增長。很明顯，每個OEM和供應商都會努力改變產品的幾何形狀，以解決熱膨脹問題。一個簡單的概念將是在設計中增加一個珠子，充當聯合的隔離器。有些例子討論了在加工之前沒有發現這種情況，這在投放之前導致了昂貴的返工。因此CALM聯盟未來工作的第五項建議解決了這個問題。

機會5：研究、分類和記錄混合材料組件中熱膨脹差異的補救措施。

這些將發布在一套針對整個行業的設計指南中，顯示連接的推薦幾何形狀和材料，包括最適合特定應用的推薦粘合劑。這可以像汽車行業典型的制造設計指南一樣進行，該指南是通用的，并且不斷更新。

7 結束語

監管壓力和客戶要求將新型輕質材料推向車身結構。汽車車身結構領先的輕量化材料備選材料包括先進高強度鋼（AHSS）、鋁、鎂、塑料和聚合物復合材料。車輛設計師期待在正確的位置應用合適的材料，以實現輕量化的車身結構，這些車身結構也經過優化以獲得更好的性能。諸如熱成型、樹脂傳遞成型、3D打印等制造技術的進步使得可以大量生產輕量化部件。

汽車行業面臨連接不同材料的重大挑戰。大量的混合材料連接技術已經可以使用，并已被證明對各種應用有效。該行業近期在可逆焊接方面取得了突破性進展，這將實現輕松修復，以及鋁和鋼直接電阻點焊的焊嘴設計的進步。然而，許多有前途的技術可能尚未準備好大規模生產，需要進一步的研究和開發工作。目前的主要挑戰包括電偶腐蝕、材料熱膨脹差異、更長的生產周期時間、無法用于連接評估的無損檢測方法、以及OEM的風險規避。汽車制造商要求在全球范圍內提供技術。此外，新技術的維修過程需要在經銷商和獨立維修機構進行。

隨著整個行業繼續推進輕質混合材料解決方案，CAR的研究人員希望看到更多突破性技術，尤其是那些涉及以下方面的技術：分析無損檢測程序、材料標準化、全球市場上的粘合劑和緊固件、以及具有較低固化溫度的柔性粘合劑。

連接顯然是混合材料車輛應用的關鍵推動力。CAR本白皮書調查了混合材料連接的一些常用方法，并找出了大規模生產車輛實施中的差距和挑戰。該報告重點介紹了連接不同材料的挑戰和機遇，并概述了混合材料結構連接和工藝能力以及相關問題的關鍵OEM要求。該報告作為參考文獻，幫助闡明和推薦術語，連接設計策略、連接方法、度量標準、連接隔離、測試、修復等等，以促進有意義的討論并找出進一步研究協作的機會，并尋求幫助加速知識轉移并獲得更多的輕量化解決方案。