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所有这些使得汽车制造包括设计非常复杂

点击: 125 次  来源:http://www.freshstuff.cc 时间:2020-03-01

7月12日-13日,“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行,论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题,旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性,并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。

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中国科学院上海光学精密机械研究所(上海市全固态激光器与应用技术重点实验室)副主任 杨上陆博士

中国科学院上海光学精密机械研究所(上海市全固态激光器与应用技术重点实验室)副主任 杨上陆博士分析了新能源汽车车身制造的挑战与机遇,以下是演讲实录:

今天跟大家分享一下新能源汽车在车身制造方面有哪些挑战和机遇,我自己在通用工作近8年的过程中,我深深感受到做车其实是不容易的事,尤其对新能源汽车。大家知道新能源汽车最大的问题除了资金另外就是产量。我一直在持续的关注新能源汽车尤其是新能源汽车中具有代表性性的几家,尤其是特斯拉以及蔚来等的研发进展、生产进度。如果大家持续地关注这些新能源汽车制造厂商,几乎所有的汽车厂商都会比他们原计划推迟上市,或者量产达不到最初的要求,后面我将具体展开来讲。

汽车行业发展非常的快速,尤其是到了今天,变化的速度越来越多。过去我们谈了很多材料、结构、制造,过去是单向的,其实这应该是一个闭环的开发过程。如果只做一个单向研究来讲,这很难实现未来汽车制造。现在的汽车制造跟过去的不一样,大家可以看到,新材料变化的越来越多,不同的钢材,不同的铝材,不同的复合材料,所有这些使得汽车制造包括设计非常复杂,新材料不断地涌进来以后,焊接和连接就变得越来越关键。随着不同新材料的涌现,焊接和连接的家族变得越来越复杂。无论采用什么样的设计,无论采用什么样的材料,无论使用什么样的结构优化,最终这个车要造出来,怎么造出来就是靠焊接和连接来实现。这些方法包括SPR方法,FDS,弧焊、激光焊等等。各个汽车厂商在推出自己的车型的时候都说自己很酷,但是这些连接方法是最优化的吗?我个人认为不是的,包括昨天介绍的复合材料,复合材料进来以后你怎么连接?目前市面上有非常多的好钢,非常多的好铝,复合材料也很好,但最难的问题是如何把这些新材料连接、焊接起来,把车做出来。我个人认为目前整个世界汽车行业在轻量化上路途很遥远,成本非常高,还没有很清晰制造路线。过去传统的思路没有错。但是现在新材料使用得越来越多,整个制造过程变得非常的复杂。

新材料给节能减排带来很多的好处,却给制造带来许多的麻烦,典型的例子是福特的Ford-150,特斯拉的Model S以及通用的凯迪拉克CT6。这三个车我是一直跟踪的,首先谈福特Ford-150,新的福特F-150用到很多铝合金之后,使得制造工艺变得跟之前完全不同。福特Ford-150一直推迟上市,这个原因主要在于它的制造非常的复杂。凯迪拉克也发生同样故事,更别提特斯拉了。特斯拉最近量产上来了。

我是一直关注特斯拉,2018年6月12日有一个消息,特斯拉裁员9%,2017年11月1日的时候特斯拉股票大跌。特斯拉的Model 3还有50万订单没有做出来,是因为车身做不出来的原因,当铝合金进来的时候,用SPR或者FDS或者其实有自身的局限性。当前主流焊接和连接方式主要包括:电阻点焊、自冲铆接、流钻连接、胶接、弧焊、激光含和激光钎焊。车上有不同的材料组合,意味着要几十种甚至上百种的工艺程序将其连接起来。过去的制造方法总体来讲有其局限性,主要表现为:能耗高、占地面积大、制造成本高、方法越来越复杂,新材料难以焊接和连接。新能源汽车因为电池很重,用了非常多的新材料比如铝合金,新材料的连接和传统的方法完全不一样。

大家可以看到,为了连接铝到钢,从过去的自冲铆接开发了EJOWELD和REW方法。EJOWELD类似搅拌摩擦方法,EJOWELD方法需要控制不同的力以及不同力的作用时间。REW方法需要一个预处理过程,先冲出一个孔洞,再把钉子焊到钢上去。同样FDS也是一样的,FDS不仅仅成本高,敏捷度非常低,制造时间非常长。为了连接铝合金到超高强钢,奔驰使用了冲击连接方法。冲击连接方法类似一个钉子以子弹的速度打进去。这种快速连接方法不仅仅可能造成车身变形,过高的噪音等等。这都是因为新材料引进来后,需要新的制造方法。我个人认为当前汽车行业正处于一个巨大的历史转变时期,必须以新的思路面对挑战和机遇。

下面谈一谈当前汽车行业所面临的一些挑战,尤其是中国汽车行业。当前中国汽车行业整个生态系统联系松垮,其次是对前瞻性技术重视不够,核心专利布局缺乏,此外整个行业对行业变革的决心不够坚决,技术人员缺乏。

虽然汽车行业面临着巨大的挑战同时也拥有着从未有过的机遇。机遇之一就是:新的法规使得整个新能源汽车不得不用新材料,这个是历史趋势,谁都无法抗拒。到2030年,新能源汽车整个销售额将占到40%,大约1500万量。第二就是在新材料应用上,世界汽车行业水平差不多,大家都在一个起跑线上。第三个机遇是:汽车厂商为了能把新材料用到车上,对新技术接受更加开放,这个令人欣慰。

新能源汽车包括很多的新材料和新设计,因此其制造方法需要有新的思路。新能源汽车结构跟过去传统节能汽车有很大的不同。因为材料、设计不同,在制造方法上一定要有一个新思路。采用什么样的方法连接新材料?创新是改变现有格局的唯一选择。我今天简单介绍一些创新的案例以及创新所带来的一些优势。下面讲讲我们在激光焊接方面所做的一些创新工作。

为什么要用激光?过去汽车的主流制造方法主要是电阻点焊。电阻点焊是一个很好的制造方法,但也有其自身的局限性,它是双面焊接的过程,需要使用不同的电阻头,不同的焊枪,不同的机器人来连接不同的材料组合和结构设计。此外电阻点焊能耗高,二氧化碳排排放较大。相对于电阻点焊,激光焊接很多潜在的优势。激光焊接是一个单面焊接过程,焊接速度非常快,热输入非常小,所需的法兰边很小。如果激光焊接能够大部分取代电阻点焊,光法兰边的减少所带来的减重就将是是20-30公斤,但激光焊接有其自身的难点。激光焊接涉及到多学科的交叉,包括光学、材料科学、热传、流体力学等等。此外汽车上的材料大多带有涂层,比如镀锌层、铝-硅涂层以及氧化膜等等,这些涂层对防腐蚀都很好,但均会给焊接带来很多的问题。这些涂层的存在使得整个焊接过程不稳定。此外要整个汽车制造环境非常的复杂,比如间隙不均匀等。下面我介绍一些我们过去在激光焊接方面所做的一些工作。

首先让我们来看一下零间隙激光焊接镀锌板。镀锌钢板被广泛地应用在汽车上,直接激光焊接镀锌钢板非常困难。直接用激光焊接镀锌钢板,会在焊缝处生成各种缺陷比如飞溅和孔洞等等。全世界在这方面做了很多的工作,授权专利至少超过150个。当前用于焊接镀锌钢板的主流方法是凸台前处理+激光焊接的方法。凸台前处理方法包括机械凸台和激光凸台的方法。激光焊接镀锌钢板的主要问题是锌的沸点低,激光还没把板与板界面处的钢熔化高压锌蒸气已经形成,所以需要一个逃逸的通道。我们自己在零间隙激光焊接镀锌钢板方面做了很多工作,很幸运把这个工作做出来。新的方法不需要前处理,可以直接用激光焊接镀锌钢板。用新的方法可以实现不同形状的焊接,圆形、C型、直线等。这项工作获得了美国研发杂志<<R&D Magazine>>的“百大科技研发奖”。

跟传统的电阻点焊相比,新的方法焊接效率可以提高3~5倍,整个二氧化碳排放量可以降低40%-50%,生产占地面积可以减少40-50%。激光制造是一种绿色、敏捷的制造方法。从2017年开始,通用的高端SUV采用了这种新的制造方法。相对电阻点焊方法,新的方法使得整个生产占地面积减少了50%,二氧化碳量减少了42%,此外减少了固定投资2400万美金。

第二个我想介绍一下液态金属裂纹,这个是全世界汽车行业的痛点,阻碍第三代高强钢应用的巨大挑战之一。第三代汽车高强钢非常好,超过1000兆帕级别的镀锌钢板用不上去的原因之一就是使用传统的电阻点焊容易在焊缝处生成液态金属裂纹。液态金属裂纹会降低焊点的疲劳强度以及碰撞的吸能。液态金属裂纹生成是有条件的。首先材料上要有低熔点的物质,第二要受压力,第三通常需要存在奥氏体组织。如果采用传统的电阻点焊压力不可避免,为防止腐蚀低熔点的涂层通常需要,此外第三代高强钢通常带有奥氏体组织,从传统的电阻点焊来讲,要解决液态金属裂纹是一件非常困难的事情。如果生成液态金属裂纹中的一个条件我们可以改变,我们就有希望解决这个问题。激光焊接不需外在的压力,它是一个低压力的焊接过程,大家可以看到这是我们应用我们新开发的激光焊接方法焊的第三代高强钢焊点,这个焊点没有液态金属裂纹,非常的完美。

我们再谈谈铝合金的焊接,铝合金应用越来越广。铝合金的焊接对于焊接领域也是一个世界性难题。铝合金的焊接主要存在三大难点:气孔、裂纹和热影响区弱化。这些焊接缺陷的存在使得焊点疲劳强度极大地降低,这也是过去主要使用机械的方法来连接铝合金其中包括SPR和FDS等。这些机械的方法需要使用不同型号的钉子和连接枪。这里举捷豹XF这款车为例。该款车一共用了307把不同铆枪,53种铆钉,33种凹模,2503个铆钉。连接工艺非常复杂。我们开发了新的激光点焊的方法,新的激光点焊方法克服了铝合金易氧化和生成气孔的巨大挑战。新的方法可以生成无气孔或者少量气孔的焊缝,所以其力学性能非常好。新的焊接方法焊接速度较传统的机械连接方法有如下优势:速度快,生产占地使用面积小,制造敏捷,回收简单,而且制造成本可以极大地降低。

下面稍微总结一下。我个人认为当前汽车行业正处在一个巨大的历史转变期,充满着不同的挑战,要想实现真正的创新,必须实现汽车整个生态系统的全产业链的协同创新,一定要走产学研的路。只有汽车厂商、汽车供应商,科研院所协同创新,三者的有机结合才能在这个领域上能够有真正的突破。非常感谢大家,我们做科研最希望自己的科研成果可以推动生产力的发展。我在这里特别感谢盖世汽车,感谢他们给我提供的机会,这两天学到了很多东西,谢谢大家。

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