【技術熱點】鋁制車門嫌貴？采用激光拼焊板試試看

熱成形產業聯盟

2023年11月21日 11:31

【技術熱點】鋁制車門嫌貴？采用激光拼焊板試試看的圖1

在車輛工程領域，材料選擇不是靜態的工作。今天決定的一種方案可能很快就被下一個取代。從不同方面來說，這個有非常好的一面也有消極的一面。材料制造商一直在創新工藝并將可靠的解決方案提供給市場，供整車制造商從中選擇。整車企業需要這些，因為他們要設計一輛有競爭力的車輛兼顧的所有屬性，從其動力總成到空氣動力學、車輛能效和造型，將數以萬計的零部件集成到一輛汽車中以確保其最佳性能，這可是一項了不起的工作。但這項工作還要與市場、銷售和售后服務相結合后，才能實現為股東盈利。降低成本一直在進行，尤其是對供應商和制造車間改動最小的條件下。為了減少整車的零部件數量和制造成本，位于美國密歇根州門羅市的TWB公司開發的拼焊板可以滿足汽車工業最嚴苛的要求。

這家公司在2014年開發了拼焊板用于若干個車身覆蓋件，例如機艙蓋、翼子板、門以及整個側圍。隨著不斷關注汽車輕量化和可持續性，TWB相信開發鋁合金拼焊板能夠實現減少車身重量、降低模具工裝成本從而大大降低單車成本。為了發掘鋁合金拼焊板在整車設計中的潛力，本文將介紹由TWB為日產Roger。

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日產Rogue SUV車型

拼焊板

拼焊板是廣泛用于汽車制造沖壓工藝中的鈑金產品，由幾個獨立且不同厚度、強度和涂層的料片通過焊接而成的一個整體。最后而成的整體薄板將是一面會比另一面更厚，從而獲得精確成形和合格機械性能的零件用于設計的部位。這個工藝可以為獲得最佳經濟效益而訂制零件。

對于鋁合金拼焊板，TWB正對6000系列鋁合金的大批量加工采用攪拌摩擦焊工藝（一種正在流行的焊接工藝）。攪拌摩擦焊工藝可以實現最薄1mm板，最快6m/min的焊接速度。這個工藝可以應用于曲線焊接以及將各種常見的車用鋁合金板和混合合金板進行連接。

這家公司也使用激光焊接5000系列鋁合金板。根據合金成分、厚度和應用的不同而采用激光焊或者攪拌摩擦焊接來拼焊產品。這種拼焊板既可以加工平板料片，也可以是料卷。

“拼焊板料可以在一張板料上獲得不同厚度，給予設計更大的自由度實現所需要的剛性和強度。”TWB新產品開發部門的產品工程師Saambavi Karunakaran介紹，“從設計端開始考慮這項技術減少了前期的投資成本以及生產周期。相比單一料片可減少廢料率而無任何性能折損。通過優化尺寸、等級和板料外形提高材料的利用率以滿足其高性能。拼焊板的其它優勢還包括規模化的零件整合和減少裝配帶來的成本降低。

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日產Rogue的車門包含鋁板件（75%），鋁擠壓件（17%）和鋼（8%）和塑料件（0.04%）

在2022年秋天密西根利沃尼亞市召開的國際汽車車身大會上，產品工程師Saambavi Karunakara以日產Rogue SUV作為對比基準，展示了讓人眼前一亮的前車門概念。目前Rogue的門內板（是指內層沖壓面板）是由3片不同料厚的6022鋁合金組成，占門內板的75%（圖二）。該設計包含了鋁擠壓件和鋼制鉸鏈，以及很少數量的塑料件。目前的車門設計是將相鄰部件的邊緣重疊并鉚接在一起。

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基準門內板（左圖）由三個鋁合金板沖壓后鉚接成整體，轉變成拼焊一體式門板（右圖）

在獲得拼焊設計概念滿足結構和模態分析標準的結果后，TWB團隊對設計的制造工藝轉化進行了CAE分析。目的是盡可能使用CAE的分析能力給負責沖壓的合作伙伴提供獲得成形性能好且沒有褶皺的沖壓件的方案。為確保獲得成形性能好且沒有褶皺的沖壓件需要從焊縫的設計出發，在12mm寬的區域內采用攪拌摩擦焊進行加工。

成本和減重

從展示的方案看，拼焊的方案在減重、模具工裝成本以及單件成本方面均優于基準設計。拼焊方案的能節省22%的鋁材用量，一年供節省610噸鋁材。根據美國環保署公布的每公斤鋁產生1.9公斤CO2的數據計算，整個方案全年可以降低1160噸CO2排放。

通過把多個零件整合在一起的設計，量產的單車可減重0.26公斤（前門），比基準更符合輕量化工程。此外，根據不同材料等級以及設計更改，單車前門內板成本可節省4-6美元。拼焊方案也省去了若干套模具和裝配工裝，節省大約72,000美元的投入。

綜合所有讓人頭痛的各種因素例如通脹和供應鏈等制約等，拼焊方案最大的收獲是單車成本的降低，特別是僅前車門就貢獻了5美元/車的成本降低。將此方案再應用在后車門，計算產生的減重和工裝模具的節省，這個案例將非常讓人注目了。

未來車門

車用鋁材期刊（Alumobility）研究了鋁制車門與鋼制車門的對比，并提出了幾種在可接受成本條件下的輕量化材料方案。TWB的這項研究提供了鋁制車門成本和減重的另一種方案。然而市場并沒有停滯，整車制造商面臨的從通貨膨脹到電動汽車電池材料成本的過度上漲等外部成本壓力————使其在鋼鋁不同材料選擇之間出現猶豫。鋁材行業必須控制它所能控制的，就像激光一樣專注于客戶的需求并提供有價值的創新。TWB團隊為降低材料利用的成本方面做了很好的工作，這使更多的鋁制車門和車身成為可能。