0 引言

新能源電動(dòng)汽車(chē)具有清潔無(wú)污染、能量利用效率高、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，完美契合了“低碳政策”，在全 球范圍內(nèi)得到了快速、廣泛的使用。預(yù)計(jì)到 2035 年全球?qū)?有 1．4 億輛電動(dòng)汽車(chē)( 不包括混合動(dòng)力車(chē)) 投入使用，約占 18 億汽車(chē)總數(shù)的 8% 。《中國(guó)制造 2025》規(guī)劃明確提出，到 2020 年，我國(guó)自主品牌新能源汽車(chē)年銷(xiāo)量將突破 100 萬(wàn)輛; 到 2025 年，新能源汽車(chē)年銷(xiāo)量將達(dá)到 300 萬(wàn)輛，占國(guó)內(nèi)汽車(chē) 市場(chǎng)的 80%以上。

1 鋁合金/CFＲP、高強(qiáng)鋼/CFＲP 異種材料的連接技術(shù)

膠接具有減振、隔音效果好、膠接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、表面光滑 美觀，以及不會(huì)損傷纖維組織等優(yōu)點(diǎn)。膠接技術(shù)很好地克服 了傳統(tǒng)焊接工藝的技術(shù)瓶頸，被廣泛應(yīng)用于車(chē)身輕量化連接 設(shè)計(jì)中。特別是針對(duì)單向復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中不允許出 現(xiàn)應(yīng)力集中的問(wèn)題，膠接接頭中的膠黏劑可以促使應(yīng)力分布 均勻，進(jìn)而為單向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(shù)存在顯著差異， 溫度的變化會(huì)影響環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的力學(xué)性能，在膠黏劑中 會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。Zhang 等注意到較高的固化溫度使得接頭 殘余應(yīng)力顯著增大，在鋁和膠層中存在殘余拉應(yīng)力，CFＲP 中 存在殘余壓應(yīng)力，最終由于膠層的殘余應(yīng)力小于鋁和 CFＲP 中的殘余應(yīng)力，接頭破壞失效。Abed發(fā)現(xiàn)隨著溫度達(dá)到膠 黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度( Tg ) ，粘合劑的強(qiáng)度和剛度顯著降 低，呈現(xiàn)出非線性耦合趨勢(shì)。基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，通 過(guò)使用更薄、更長(zhǎng)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(jī)理，推導(dǎo)出基于擴(kuò)散理論、機(jī)械嵌合理論和吸 附理論，通過(guò)物理或化學(xué)方法對(duì)工件表面進(jìn)行清洗，以增強(qiáng) 接觸面的潤(rùn)濕性與表面能進(jìn)而增大潤(rùn)濕角，從而有助于提高 膠接接頭的強(qiáng)度。 此外，通過(guò)“機(jī)械緊固+膠接”或“點(diǎn)焊+膠接”的混合連 接方式，可以有效地提高輕型構(gòu)件和車(chē)身結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、 扭轉(zhuǎn)剛度和耐撞性。Kweon 等發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用 FM73 膠黏 劑時(shí)，如果機(jī)械連接的強(qiáng)度比膠接強(qiáng)度大，則復(fù)合連接可以 改善 7075-T62 鋁 合 金/CFＲP 的 接 頭 強(qiáng) 度。相 反，當(dāng) 使 用 EA9394S 膠黏劑時(shí)，如果機(jī)械連接的強(qiáng)度低于膠接強(qiáng)度，則 機(jī)械連接對(duì)混合連接強(qiáng)度的影響很小。 膠黏劑組分也會(huì)對(duì)接頭的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)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(qū)別， 結(jié)果顯示感應(yīng)加熱時(shí)使用具有柔性固化能力的雙組分膠黏 劑可以縮短固化時(shí)間，并且可以實(shí)現(xiàn)具有更高膠接強(qiáng)度的自 由工藝設(shè)計(jì)。陰極浸涂爐中 180 ℃固化后發(fā)現(xiàn)鋁合金/CFＲP 膠接接頭出現(xiàn)三種不同的缺陷形式，如圖 2 所示。

2 鋁合金與先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的連接

為了滿(mǎn)足輕量化和安全性，混合車(chē)身中廣泛應(yīng)用了鋁合 金和高強(qiáng)鋼。但是鋁合金與高強(qiáng)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(qiáng)鋼異種金屬 的焊接帶來(lái)極大的困難，焊接接頭中容易出現(xiàn)縮孔、裂紋等 缺陷，焊縫中會(huì)形成硬脆的金屬間化合物 ( Intermetallics， IMC) ，大幅度降低接頭強(qiáng)度。對(duì)于車(chē)身鋁合金/高強(qiáng)鋼異 種材料的連接，目前改性的激光復(fù)合焊和攪拌摩擦點(diǎn)焊可以 在一定程度上避免上述問(wèn)題。由于激光束的焦點(diǎn)直徑非常 小，激光焊接不能自如地應(yīng)對(duì)接縫寬度與激光束直徑相差較 大的 情 況。而氣體保護(hù)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(duì) 各種寬度的接縫都可以產(chǎn)生良好的焊接效果，因此激光復(fù)合 焊在汽車(chē)中的應(yīng)用更加廣泛。

3 電池包箱體的連接

為了滿(mǎn)足輕量化的要求，昆山舒美認(rèn)為驅(qū)動(dòng)電池及其外圍設(shè)備不僅在 電化學(xué)性能方面，而且在框架、箱體、插頭、電纜和車(chē)輛集成 方面也面臨著新的挑戰(zhàn)。電池包的核心是單個(gè)電池組，此 外還包括充電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、殼體/蓋子、控制系統(tǒng)和高壓 連接系統(tǒng)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(qiáng)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(shè)計(jì) 電池包箱體時(shí)，選用了一種三明治結(jié)構(gòu)材料。這種三明治結(jié) 構(gòu)材料是利用高強(qiáng)鋁合金作為外殼來(lái)提高其強(qiáng)度，利用有機(jī) 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(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，電池包上蓋采用 PA6 復(fù) 合材料以減輕整體質(zhì)量，如圖 11b 所示。用膠接、流鉆成形、 插入件進(jìn)行各部分的連接，在不損傷纖維材料的情況下實(shí)現(xiàn) 了良好的連接。Baumeister 等制造了一個(gè) 20 kWh 的電池 包，箱體采用泡沫鋁三明治板制造，質(zhì)量減輕了 10% ～ 15%。 對(duì)于箱體，在拼焊的同時(shí)還要保證接頭的密封性，目前殼體 焊接密封的主要技術(shù)是 TIG 焊( Tungsten inert gas welding， TIG) 和激光焊。