新能源电动汽车异种材料连接技术的挑战、趋势和进展

李红¹，刘旭升¹，张宜生²，Jacek Senkara³，李光瀛⁴，马鸣图⁵

1. 北京工业大学材料科学与工程学院2. 华中科技大学材料科学与工程学院3. 华沙工业大学焊接工程系4. 钢铁研究总院5. 中国汽车工程研究院

摘 要：多材料混合结构在车身上的应用可以实现汽车安全性、轻量化水平的共同提升,也是如今新能源汽车工业发展的一个主要方向。先进高强钢（Advanced high strength steel,AHSS）、铝合金、工程塑料以及碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）等作为轻质高强材料的代表已广泛应用于白车身、覆盖件以及复杂结构件的制造中。由于异种材料理化性能的差异,给连接技术带来了更大的挑战。对于铝合金与碳纤维增强复合材料的连接,采用普通的熔化焊接往往会使铝合金产生热影响区软化、气孔和热裂纹等缺陷以及CFRP纤维和基体部分烧损,而机械连接则会不可避免地造成腐蚀问题。同时,多材料组成的电池包壳体对连接技术也有很高的要求。因此,为了向新能源汽车提供多材料优化组合的轻量化车身结构,开发性能可靠、低成本、高效率的创新连接方法势在必行。胶接广泛应用于铝合金/先进高强钢、铝合金/碳纤维复合材料、AHSS/CFRP的连接,可以实现密封、紧固、防腐蚀的效果。自冲铆连接（Self-piercing riveting,SPR）相比于熔化焊更适合铝合金、AHSS与CFRP的连接,国外对其连接工艺和接头强度已有较为成熟的研究。固相焊适合于金属/非金属材料的连接,国内外对回填式搅拌摩擦点焊（Refill friction stir spot welding,RFSSW）和超声波点焊在连接铝合金/CFRP、AHSS/CFRP上进行了工艺的探索和设备的改进。激光复合焊和冷金属过渡焊（Cold metal transfer,CMT）是当下大部分汽车企业主要应用的连接技术,主要用于铝合金/AHSS的连接。对于电池包壳体的连接,目前主要是使用紧固件连接,同时对特定的材料采取激光焊进行密封。本文针对多种车身材料包括铝/CFRP、高强钢/CFRP、铝/高强钢的连接问题,详细介绍了胶接、自冲铆连接、搅拌摩擦点焊、超声波点焊、激光复合焊和冷金属过渡焊技术的应用和研究进展,讨论了连接工艺参数对接头性能和焊点失效模式的影响,论述了基于有限元分析的接头疲劳寿命预测的难点和研究现状,并简要分析了电池包箱体连接技术的研究进展。新能源电动汽车多材料混合应用推动了连接技术的进步,但仍然面临着基体损伤、界面失效、焊接周期长、设备昂贵和难以自动化等问题,还需要进行更为深入的理论和应用研究。

关键词：电动汽车;先进高强钢;铝合金;碳纤维复合材料;电池包;异种材料连接;