淺談新能源電動汽車異種材料！！

0 引言

新能源電動汽車具有清潔無污染、能量利用效率高、結 構簡單、使用維護方便等優點，完美契合了“低碳政策”，在全 球范圍內得到了快速、廣泛的使用。預計到 2035 年全球將 有 1．4 億輛電動汽車( 不包括混合動力車) 投入使用，約占 18 億汽車總數的 8% 。《中國制造 2025》規劃明確提出，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到 300 萬輛，占國內汽車 市場的 80%以上。

1 鋁合金/CFＲP、高強鋼/CFＲP 異種材料的連接技術

膠接具有減振、隔音效果好、膠接結構質量輕、表面光滑 美觀，以及不會損傷纖維組織等優點。膠接技術很好地克服 了傳統焊接工藝的技術瓶頸，被廣泛應用于車身輕量化連接 設計中。特別是針對單向復合材料在應用過程中不允許出 現應力集中的問題，膠接接頭中的膠黏劑可以促使應力分布 均勻，進而為單向復合材料結構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存在顯著差異， 溫度的變化會影響環氧樹脂膠黏劑的力學性能，在膠黏劑中 會產生熱應力。Zhang 等注意到較高的固化溫度使得接頭 殘余應力顯著增大，在鋁和膠層中存在殘余拉應力，CFＲP 中 存在殘余壓應力，最終由于膠層的殘余應力小于鋁和 CFＲP 中的殘余應力，接頭破壞失效。Abed發現隨著溫度達到膠 黏劑的玻璃化轉變溫度( Tg ) ，粘合劑的強度和剛度顯著降 低，呈現出非線性耦合趨勢。基于實驗和數值模擬結果，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。Pramanik 等分析了鋁合金/ CFＲP 的膠接機理，推導出基于擴散理論、機械嵌合理論和吸 附理論，通過物理或化學方法對工件表面進行清洗，以增強 接觸面的潤濕性與表面能進而增大潤濕角，從而有助于提高 膠接接頭的強度。 此外，通過“機械緊固+膠接”或“點焊+膠接”的混合連 接方式，可以有效地提高輕型構件和車身結構的疲勞強度、 扭轉剛度和耐撞性。Kweon 等發現當使用 FM73 膠黏 劑時，如果機械連接的強度比膠接強度大，則復合連接可以 改善 7075-T62 鋁 合 金/CFＲP 的 接 頭 強 度。相 反，當 使 用 EA9394S 膠黏劑時，如果機械連接的強度低于膠接強度，則 機械連接對混合連接強度的影響很小。 膠黏劑組分也會對接頭的設計以及強度有一定的影響。 Kahlmeyer 等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 的區別， 結果顯示感應加熱時使用具有柔性固化能力的雙組分膠黏 劑可以縮短固化時間，并且可以實現具有更高膠接強度的自 由工藝設計。陰極浸涂爐中 180 ℃固化后發現鋁合金/CFＲP 膠接接頭出現三種不同的缺陷形式，如圖 2 所示。

2 鋁合金與先進高強度鋼的連接

為了滿足輕量化和安全性，混合車身中廣泛應用了鋁合 金和高強鋼。但是鋁合金與高強鋼的物理性能存在顯著差 異，且 Fe 在 Al 中的固溶度極低，給鋁合金/高強鋼異種金屬 的焊接帶來極大的困難，焊接接頭中容易出現縮孔、裂紋等 缺陷，焊縫中會形成硬脆的金屬間化合物 ( Intermetallics， IMC) ，大幅度降低接頭強度。對于車身鋁合金/高強鋼異 種材料的連接，目前改性的激光復合焊和攪拌摩擦點焊可以 在一定程度上避免上述問題。由于激光束的焦點直徑非常 小，激光焊接不能自如地應對接縫寬度與激光束直徑相差較 大的 情 況。而氣體保護電弧焊 ( Gas metal arc welding， GMAW) 的能量密度較低，在材料表面上形成較大的光斑，對 各種寬度的接縫都可以產生良好的焊接效果，因此激光復合 焊在汽車中的應用更加廣泛。

3 電池包箱體的連接

為了滿足輕量化的要求，昆山舒美認為驅動電池及其外圍設備不僅在 電化學性能方面，而且在框架、箱體、插頭、電纜和車輛集成 方面也面臨著新的挑戰。電池包的核心是單個電池組，此 外還包括充電系統、冷卻系統、殼體/蓋子、控制系統和高壓 連接系統部件。作為電池包的重要組成部 分，箱體的作用非常重要，既要有足夠的強度提高防撞性，還 需要具有很好的耐腐蝕性和散熱性。Schmerler 等在設計 電池包箱體時，選用了一種三明治結構材料。這種三明治結 構材料是利用高強鋁合金作為外殼來提高其強度，利用有機 金屬板材提高耐蝕性，利用相變材料( Phase change material， PCM) 滲透到鋁合金中實現熱傳導，電池包上蓋采用 PA6 復 合材料以減輕整體質量，如圖 11b 所示。用膠接、流鉆成形、 插入件進行各部分的連接，在不損傷纖維材料的情況下實現 了良好的連接。Baumeister 等制造了一個 20 kWh 的電池 包，箱體采用泡沫鋁三明治板制造，質量減輕了 10% ～ 15%。 對于箱體，在拼焊的同時還要保證接頭的密封性，目前殼體 焊接密封的主要技術是 TIG 焊( Tungsten inert gas welding， TIG) 和激光焊。