浅谈新能源电动汽车异种材料！！

0 引言

新能源电动汽车具有清洁无污染、能量利用效率高、结 构简单、使用维护方便等优点，完美契合了“低碳政策”，在全 球范围内得到了快速、广泛的使用。预计到 2035 年全球将 有 1．4 亿辆电动汽车( 不包括混合动力车) 投入使用，约占 18 亿汽车总数的 8% 。《中国制造 2025》规划明确提出，到 2020 年，我国自主品牌新能源汽车年销量将突破 100 万辆; 到 2025 年，新能源汽车年销量将达到 300 万辆，占国内汽车 市场的 80%以上。

1 铝合金/CFＲP、高强钢/CFＲP 异种材料的连接技术

胶接具有减振、隔音效果好、胶接结构质量轻、表面光滑 美观，以及不会损伤纤维组织等优点。胶接技术很好地克服 了传统焊接工艺的技术瓶颈，被广泛应用于车身轻量化连接 设计中。特别是针对单向复合材料在应用过程中不允许出 现应力集中的问题，胶接接头中的胶黏剂可以促使应力分布 均匀，进而为单向复合材料结构件在高载荷下的使用提供了 有利途径。 由于 CFＲP 和铝、钢之间的热膨胀系数存在显著差异， 温度的变化会影响环氧树脂胶黏剂的力学性能，在胶黏剂中 会产生热应力。Zhang 等注意到较高的固化温度使得接头 残余应力显著增大，在铝和胶层中存在残余拉应力，CFＲP 中 存在残余压应力，最终由于胶层的残余应力小于铝和 CFＲP 中的残余应力，接头破坏失效。Abed发现随着温度达到胶 黏剂的玻璃化转变温度( Tg ) ，粘合剂的强度和刚度显著降 低，呈现出非线性耦合趋势。基于实验和数值模拟结果，通 过使用更薄、更长和高模量的 CFＲP 板，可以避免在极端温 度下钢板和 CFＲP 界面剥离。Pramanik 等分析了铝合金/ CFＲP 的胶接机理，推导出基于扩散理论、机械嵌合理论和吸 附理论，通过物理或化学方法对工件表面进行清洗，以增强 接触面的润湿性与表面能进而增大润湿角，从而有助于提高 胶接接头的强度。 此外，通过“机械紧固+胶接”或“点焊+胶接”的混合连 接方式，可以有效地提高轻型构件和车身结构的疲劳强度、 扭转刚度和耐撞性。Kweon 等发现当使用 FM73 胶黏 剂时，如果机械连接的强度比胶接强度大，则复合连接可以 改善 7075-T62 铝 合 金/CFＲP 的 接 头 强 度。相 反，当 使 用 EA9394S 胶黏剂时，如果机械连接的强度低于胶接强度，则 机械连接对混合连接强度的影响很小。 胶黏剂组分也会对接头的设计以及强度有一定的影响。 Kahlmeyer 等比较了单组分胶黏剂与双组分碰撞改性( Collision modified，CM) 胶黏剂连接铝合金/CFＲP 的区别， 结果显示感应加热时使用具有柔性固化能力的双组分胶黏 剂可以缩短固化时间，并且可以实现具有更高胶接强度的自 由工艺设计。阴极浸涂炉中 180 ℃固化后发现铝合金/CFＲP 胶接接头出现三种不同的缺陷形式，如图 2 所示。

2 铝合金与先进高强度钢的连接

为了满足轻量化和安全性，混合车身中广泛应用了铝合 金和高强钢。但是铝合金与高强钢的物理性能存在显著差 异，且 Fe 在 Al 中的固溶度极低，给铝合金/高强钢异种金属 的焊接带来极大的困难，焊接接头中容易出现缩孔、裂纹等 缺陷，焊缝中会形成硬脆的金属间化合物 ( Intermetallics， IMC) ，大幅度降低接头强度。对于车身铝合金/高强钢异 种材料的连接，目前改性的激光复合焊和搅拌摩擦点焊可以 在一定程度上避免上述问题。由于激光束的焦点直径非常 小，激光焊接不能自如地应对接缝宽度与激光束直径相差较 大的 情 况。而气体保护电弧焊 ( Gas metal arc welding， GMAW) 的能量密度较低，在材料表面上形成较大的光斑，对 各种宽度的接缝都可以产生良好的焊接效果，因此激光复合 焊在汽车中的应用更加广泛。

3 电池包箱体的连接

为了满足轻量化的要求，昆山舒美认为驱动电池及其外围设备不仅在 电化学性能方面，而且在框架、箱体、插头、电缆和车辆集成 方面也面临着新的挑战。电池包的核心是单个电池组，此 外还包括充电系统、冷却系统、壳体/盖子、控制系统和高压 连接系统部件。作为电池包的重要组成部 分，箱体的作用非常重要，既要有足够的强度提高防撞性，还 需要具有很好的耐腐蚀性和散热性。Schmerler 等在设计 电池包箱体时，选用了一种三明治结构材料。这种三明治结 构材料是利用高强铝合金作为外壳来提高其强度，利用有机 金属板材提高耐蚀性，利用相变材料( Phase change material， PCM) 渗透到铝合金中实现热传导，电池包上盖采用 PA6 复 合材料以减轻整体质量，如图 11b 所示。用胶接、流钻成形、 插入件进行各部分的连接，在不损伤纤维材料的情况下实现 了良好的连接。Baumeister 等制造了一个 20 kWh 的电池 包，箱体采用泡沫铝三明治板制造，质量减轻了 10% ～ 15%。 对于箱体，在拼焊的同时还要保证接头的密封性，目前壳体 焊接密封的主要技术是 TIG 焊( Tungsten inert gas welding， TIG) 和激光焊。