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產業技術評析

異質材料汽車零組件接合技術
發表日期:2021-10-27
作者:蕭瑞聖(工研院)
摘要:
所謂異質材料接合係指不同特性材料的連結,汽車零組件通常有3種接合方式,計有冶金接合、機械接合與化學接合等方式。

全文:

一、藉由材料置換達成汽車零組件輕量化
 

全球汽車總數已超過10億輛,汽車仍消耗大量石化能源,汽車除具備相當強度與使用壽命外,還需滿足性能、外觀、安全、價格、環保、節能等方面的需求,汽車之中鋼鐵材料占80%,鋁合金占3%,橡膠/塑膠或樹脂材料4%,石油危機以來,因應節能減碳議題,輕質材料受到車廠重視與導入使用。各國政府皆規範逐年降低車輛二氧化碳排放量,以減少對環境影響,包括歐盟、美國、中國大陸、日本等。歐盟規定2015年行駛每公里排放二氧化碳130g,2021年汽車行駛每公里排碳量須較2007年排碳量減少40%,即每公里排放二氧化碳95公克。美國規範之小客車行駛每公里排碳量將在2024年低於歐盟2021年規範標準,其中日本為汽車節能實行先驅。

與20年前比較,汽車重量減輕20~26%,平均每部汽車所使用的鋼材、鑄鐵、銅材、玻璃分別減少15%、29%、13%、13%,鋁合金、鎂合金、粉末冶金、橡膠與塑膠分別增加31%、100%、20%、29%。汽車零組件的再使用需求(3R, Reuse、Reduce、Recycle),強化了汽車零組件的回收再利用性,輕質材料具有更大的回收特性與優勢,隨著汽車在輕質材料使用比例提升,預期將掀起新一代的汽車零組件興革。若汽車整車重量減輕10%,燃油效率可提高6%~8%,汽車重量減少1%,油耗可降低0.7%,汽車每減少100kg,每百公里油耗可節省0.3~0.6公升。

車輛輕量化大致上有三種方式,其一是材料置換,使用輕量化材料如輕質合金、橡塑膠材料或高張力鋼板等,取代傳統的鋼板材料,例如Honda的N-BOX車型轉換時將普通碳鋼板替換為高張力鋼板,新車型較傳統鋼板材料車型減輕80kg,另外,部分車廠應用鋁合金或碳纖維強化塑膠(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)比例增加,或者是應用複合式材料(Multi-Material),其二是車輛構造合理化,縮小引擎或電動馬達或變更材料厚度等,其三是透過製程改良,藉由製造方式(如薄肉化製程)或各種接合方法,達到車輛輕量化目的。

近年來電動車與新能源車輛的研發不遺餘力,但仍有使用的殘存課題,如充電站設施、電池信賴性與耐久性等問題待解決,短期內尚未全面普及化,降低電動車與傳統汽車能源消耗的做法,計有應用渦輪增壓技術精簡引擎(Down-Sizing)、改善引擎效率、提高電動馬達運轉效率、減少行駛阻力、改善傳動與變速機構效率、減輕電動車重量等,其中又以減輕電動車重量最容易實施,橡塑膠材料、輕質合金或複合材料在汽車零組件將扮演重要的角色,鋼鐵或合金或橡塑膠等異質材料接合的機會增加,不同於傳統鋼板材料點焊(Spot Welding),異質材料多數以鉚接或螺絲固定等方式,就重量與生產性而言,不合乎經濟效益,各式接合技術因此被開發應用。
 

二、何謂異質材料接合?
 

所謂異質材料接合係指不同特性材料的連結,汽車零組件通常有3種接合方式,如表1所示,計有冶金接合、機械接合與化學接合等方式。各種接合方式各有優缺點,目前常見的接合方式是板金點焊的方式,雖然生產性能較佳且製造成本低廉,但也容易導致零組件應力集中,隨著輕量化替代材料的導入應用,未必是最佳的接合方式。例如高張力鋼板與鋁合金的接合,加壓與通過的焊接電流不同,再者,鋼板與橡塑膠等樹脂材料的融點不同,接合的方式也與金屬跟非金屬的接合條件不同,即使是不同金屬材料都可能衍生金屬間化合物,影響到零組件的接合或耐用強度,開發異質材料接合技術變得非常重要。

異質材料接合技術並非容易達成,舉例而言異質材料接合過程不只要考慮接合強度,還必須考量電氣腐蝕或熱膨脹係數,可能因為電氣腐蝕引發接合材料之間的接合強度衰退問題,此時或許需要加入絕緣層做對應。另外異質材料因為對溫度的影響程度不一,膨脹、收縮率或變形量也不同,接合過程都必須做考量,例如機械接合後再合併使用接著劑等。

鋼鐵材料、鋁合金或強化碳纖維的複合式材料車體的接合方式,根據輕量化鋁合金車身材料與應用零組件位置的差異性,接合技術也有所不同,比較常用的異質材料接合技術,計有自沖鉚接合(Self-Piercing Riveting, SPR)、旋轉自攻螺接(Flow Drill Screw, FDS)、摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding, FSW)、冷金屬過渡技術(Cold Metal Transfer Welding, CMT)、雷射焊接與金屬黏結技術等,以下就常用異質材料接合技術、特點及應用零組件位置做簡要說明。
 

表1、各種接合技術比較
接合法 代表例   優點 缺點
冶金接合 金屬點焊 被點焊的兩片金屬接合電極棒,同時加壓與通電的焊接方式 生產性佳
成本低廉
容易導致應力集中
機械接合 螺絲或鉚接 利用螺釘或鉚釘接合零組件 接合強度
外觀
重量
成本
化學接合 接著劑 利用接著劑,以化學或物理或兼具兩者方式固定零組件 剛性
絕緣性
硬化時間
功能檢查

資料來源:工研院產科國際所(2021/10)
 

三、異質材料接合技術與應用實例
 

(一)自沖鉚接合

自沖鉚接合是應用於接合兩種或兩種以上金屬板材的常溫接合技術,特製鉚釘穿透頂層板材後,在鉚模作用下鉚釘的中空結構擴張,刺入但不貫穿底層板材,從而形成牢固的鉚接點,鉚釘在外力作用下,藉由穿透第一層材料與中間層材料,並在底層材料中進行流動延展,形成相互鑲嵌的永久塑性變形的鉚釘接合過程,接合之後一側較為平整,另一側凸起一個圓柱。

自沖鉚接技術相對於其他接合技術具有如下特點:

(1) 可以接合不同材質、不同厚度、不同强度的兩層或多層板材組合,是不同種類輕量化材料之間接合的最佳接合技術。

(2) 不產生熱變形,可以用於塗層或鍍層板材接合,不致於破壞塗層。

(3) 與傳統鉚接技術比較,生産效率高,設備投資少,能源消耗成本低。

(4) 安全環保,鉚接時無熱量、無煙霧、無火花、無粉塵或碎屑等産生。

(5) 鉚接品質穩定,重複性高,鉚接點品質可透過目視檢查。

(6) 可與黏合技術組合應用。

Audi的TT與A8車系擁有自沖鉚接合應用實績,在北美地區,隨著車廠使用鋁合金機會增加,以及其他無法透過傳統焊接技術接合的輕質材料,自沖鉚接合應用亦受重視,2015年以前汽車車身大量採用鋁合金比例不及1%,雖然點焊仍是目前最常用的鋼板白車身(White in Body, WIB)接合技術,隨著輕量化越來越受重視,自沖鉚接合技術可以接合鋁合金、鋼板、塑膠、碳纖維强化複合材料及各種材料組合,整個過程均不需要提前打孔,製造技術值得關注。

(二)轉自攻螺接

旋轉自攻螺接技術是透過高速旋轉,使板材熱變形後攻絲鉚接的常溫成型技術,旋轉自攻螺接的優點是應用於單面接合,使薄板材與小孔洞接合成為可能,多應用於無法順利完成的車身板金鉚接零組件(如接合空間小等結構件等),可接合異質材料,旋轉自攻螺接的限制是接合點需要較高的剛性支撑,因螺釘可拆卸,車身長期使用可能存在脫落問題,造成强度不足,通常只應用於少部分特殊位置的薄板材接合,主要應用於前艙、門檻與行李箱隔板等部位零組件接合。

(三)攪拌接合

摩擦攪拌接合是一項新的接合製程技術,最初由英國銲接研究所(The Welding Institute , TWI)於1991年所發展出來的新式銲接方式,有別於傳統銲接,摩擦攪拌銲接方法係一種固相接合製程,可形成無缺陷的高接合品質,相較於一般熔融銲接可得到良好的機械性質。基於上述原因,摩擦攪拌接合最初是應用於傳統銲接方式難以接合的鋁合金材料如7075、2024等,近年來摩擦攪拌接合製程已被廣泛地應用在其它輕金屬與其合金的接合技術應用。摩擦攪拌接合以機械轉動摩擦產生熱能,攪拌頭材質硬、深入欲接合的兩工件中強力轉動摩擦、待材質軟化(塑性變形)後,緩慢移動並持續轉動摩擦攪拌,最後取出攪拌頭達成接合狀態。

摩擦攪拌製程中產生熱而使材料軟化,再加上攪拌作用,使得攪拌區域材料產生塑性流動及黏結現象而達成接合目的,或在製程中添加其他物質(如硬質粉末),使添加物容易滲入原材料中,達到細化且均勻分布作用,摩擦攪拌製程適合使用於材料接合或區域改質用途,過去應用多數在接合方面。此外製程中可以晶粒組織細化或保持原有的細晶組織,及強化顆粒微細化與均勻化特性,不僅有助於材料機械性質提昇,提高接合效率,對於細晶粒超塑性材料接合更是一大突破,傳統接合製程通常使得接合區細晶組織粗大化,導致超塑性變差或消失,使超塑性成型應用受到許多限制。

摩擦攪拌製程極適合於一般或超塑性輕合金及其複合材料接合、表面改質、析出硬化型材料接合、異種材料接合等應用,也適用於低熔點合金,如鋁合金、鎂合金及其異質材料(或複合材料)等。

(四)冷金屬過渡技術

冷金屬過渡技術,由於其熱輸入量較普通的氣護金屬電銲(Gas Metal Arc Welding, GMAW)要低得多,因而命名為Cold,屬於弧焊的一種,主要用於處理薄板、鋼鋁混合焊接等,諸如熔化極惰性氣體保護焊(Metal Inert-Gas Welding, MIG)/熔化極活性氣體保護電弧焊(Metal Active-Gas Welding, MAG)解決不了的問題。

冷金屬過渡技術是一種全新的MIG/MAG焊接技術,與傳統MIG/MAG焊接比較,冷金屬過渡技術焊接熱輸入極低,可以焊接薄至0.3 mm的板材,亦可實現(高強度)鋼板與鋁合金的異質金屬材料接合,Tesla電動車薄板材料接合擁有應用實績,接合技術可獲得精確控制,短路過渡周期固定,不受隨機參數影響,由於冷金屬過渡技術電流幾乎為零,可有效減少飛濺現象,焊接品質高,圖1是冷金屬過渡技術示意圖,其原理為鋁合金材料(6061)一側為熔接,另一側接合鋼材,母材並未熔化變形量少。

由於白車身工件板材較薄、裝配間隙不穩定、生產效率要求高、油污清理難、外觀要求高等特點,傳統的MIG/MAG 焊接品質難以達到美觀要求,CMT 焊接技術由於在特殊的數位化控制反饋系統,焊接過程具有熱輸入量低、變形小、飛濺小、電弧穩定等優點,可完美的適應車身材料焊接要求。
 

圖1、冷金屬過渡技術示意圖

資料來源:工研院產科國際所(2021/10)
圖1、冷金屬過渡技術示意圖
 

四、結論
 

近年來臺灣汽車零組件廠商致力於輕量化材料開發應用,積極精進橡塑膠、複合材料或輕質合金研發與加工技術,已累積許多材料替代實績與製造經驗,針對綠色能源車輛輕量化發展趨勢,廠商仍有下列幾項值得關注的課題:

1.因應汽車輕量化發展趨勢,異種材料或複合材料使用機會逐年增加,臺灣廠商擅長少量多樣彈性製造優勢,製造品質優異,宜針對異種材料的連接技術擴大應用,如鋁合金—鋼鐵材料(鋼板)、複合材料(如碳纖維)與金屬材料連接研發或製程改善,尋求輕量汽車零組件價格差異化,提升產品附加價值。

2.節能減碳議題發酵,非鐵金屬材料、橡塑膠材料、複合材料與輕質合金使用比例逐年增加,廠商宜開發先進製造技術(例如車燈外殼與底座的以雷射焊接取代傳統的膠合方式等),減少材料使用量,或改善零組件強度。

3.臺灣廠商進入領導車廠供應鏈多以汽車零組件散件為主,宜朝功能系統或模組化零組件發展,可適度減少材料過度設計,精簡材料應用,強化零組件共用特性,有效減少零組件數量與降低成本,改善獲利。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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