「前沿」德国混合材料汽车零部件连接技术项目介绍

科技 07-05 来源：汽车轻量化在线

【汽车轻量化在线】电动汽车资源高效轻量结构研究与技术中心（Forel平台，Research and Technology Centre for Resource-efficient Lightweight Structures in Electric Mobility）研究了混合材料组件的连接技术，以应对当前轻量化设计中多样化新材料应用这一变化，并为实现资源节约型轻量化设计提供了可能性。文中介绍了该平台完成的四个不同的研究项目：Leika项目、Prolei项目、SamPa项目以及ReLei 项目。

Ø Leika项目：主要介绍了不同材料组合的胶铆复合连接工艺。

Ø Prolei项目：对比了直接连接和材料表面处理对连接接头的影响。

Ø SamPa项目：主要介绍两种用于热塑性泡沫材料连接的嵌入元件。

Ø ReLei 项目：主要介绍便于拆卸和回收的热铆接胶接连接技术。

Leika项目：胶铆复合连接工艺

该项目中研究人员以一个集成了储能装置的车辆地板为例进行了演示。从连接技术的角度来看，演示器结构中出现了将各种部件（如隧道和地板）以及连接区域中的部件连接到钢密集型周围结构（如踏脚板）的任务。为了使新型高性能复合材料得到最佳利用，必须采用合适的的连接技术。

研究发现当使用适当的胶粘系统时，粘合使在给定表面的界面区域内的材料得到最佳利用。在强度方面，为了保护胶接接头不受不利的剥离荷载影响，接连过程结合了螺丝连接及额外的冲头固定件。在该项目中，考虑了三个材料复合连接，如图1所示：

Ø Litecor和钢

Ø Litecor和三明治复合材料

Ø 三明治复合材料和三明治复合材料。

Litecor[4]是一种商用的夹层材料，具有聚合物内芯和钢制面板。三明治复合材料夹芯材料代表了项目开发和使用的三种不同版本：

ü 带的钢制顶层CFRP芯层

ü 具有的镁顶层CFRP芯层

ü GFRP顶层镁芯层。

在筛选机械和热连接技术组合时，可以确定潜在的连接形成连接过程，如图1所示潜在可选用的连接技术包括盲铆接，流钻螺钉，半空心自冲铆接，电阻元件和摩擦元件焊接以及盲铆螺母。考虑到进一步的边界条件，例如装配顺序和碳纤维和玻璃纤维的损坏，选择了合适的胶粘剂和适当的连接技术，如图2。

由于公差补偿和表面条件的影响，选择了聚氨酯（PU）胶粘剂对阴极浸涂座椅横梁进行粘接。其他粘合部位使用高强度环氧树脂（EP）胶粘剂，见图2浅蓝色部位。

盲铆接技术是一种适用于复杂砂型材料的固定方法。盲铆钉的细节见图2绿色框中图片。在显微切片、扭转试验和理论分析的基础上，进行了盲铆钉螺母连接（图2黄色部位）的研究。对所有节点的承载力进行了分析，并建立了碰撞模拟模型。最后，制作了真实的演示器，如图2（右上角），证明了所选胶粘接和盲铆铆接复合连接的实际可行性。

Prolei项目：直接连接和表面处理

该项目重点研究了直接连接过程、表面预处理以及用于将无接头纤维增强塑料与金属连接的介质载荷下的复合材料的表征。

在直接连接中，未固结的纤维增强塑料（FRP）预浸料通过可加热工具被压在要加固的部件上，并在此过程中硬化。基体树脂与各连接件的表面形成材料键合。

表面处理方面，研究了通过钢表面的表面改性可以优化CFRP和钢之间的粘合的程度。除了清洁和喷砂工艺外，还研究了等离子体活化以及作为中间层的薄膜和糊状胶粘剂。结果表明，通过清洁和喷砂工艺以及等离子体活化，不会明显增加连接强度。仅使用擦拭底漆可以使拉伸剪切强度增加约100％。然而，由于底漆采用刷子的涂覆形式，使得该底漆不能用于大规模生产。胶粘剂的使用将拉伸剪切强度提高到超过20MPa。但需要在180°C下保持更长的保温时间。图3显示了所研究的CFK-DP980复合材料组合的拉伸剪切强度的实例。对复合CFK-22MnB5进行了进一步的研究。研究发现两者结果接近。

在项目的下一步工作中，将进一步考虑无需表面改性以及使用薄膜粘合剂的直接连接。

作为一个对标过程，机器人引导下的碳纤维增强复合材料（CFRP）连接件与待加固钢构件的1-C连接进行了研究。这不仅可以对直接连接进行技术评估，还可以根据生产时间、设备规格和单个零件成本等工艺固有影响因素分析经济效益。

SamPa项目：泡沫中的螺钉连接

热塑性颗粒泡沫（膨胀聚丙烯，EPP）是另一种用于制造创新轻质设计的有潜力的材料。在生产过程中，将小泡沫颗粒填充到模具中，通过蒸汽加热并烧结在一起。由这种材料制成的部件的具有非常低的密度和高能量吸收。除粘接技术外，螺钉技术也可用于连接膨胀聚丙烯（EPP）制成的部件。在该部分研究中比较了市场上现有的塑料元件和新开发的金属嵌件。新开发的金属嵌件

两者都是在颗粒填充模具之前，通过发泡模具中的心轴固定特定的嵌入件。对于金属嵌件，在发泡过程中已经集成了金属安装点，在发泡过程中EPP颗粒烧结并且插入物完全被泡沫包围，在发泡过程中集成了金属安装点，在这个工艺步骤中，金属嵌件和EPP形成一个锁定，如图4所示。对于塑料嵌件，在模塑部件生产之后，塑料嵌件显示出材料锁定，因为塑料元件周围的EPP也与其他颗粒一起烧结。

在项目中根据应用中出现的载荷情况，对嵌入件进行了分析。在金属嵌件的设计阶段，设计了不同几何形状的样件，

并通过各种标准（例如制造可调性和发泡工具中的集成性）进行评估，在确定试样后，进行了拉拔阻力和扭转强度试验，结果如图5所示。

从图5（左）中的力 - 位移曲线可以看出，所检查的样件能够达到所需的800 N力。由于在周围的EPP材料上剪切了紧凑的聚丙烯PP，塑料嵌件失效。而金属插件从EPP试样中拉出而没有损坏。由于金属插件底面的角度，如图4所示，在拉出载荷下，可以更大量地牵引EPP，这增加了拉出阻力。

当测试扭转强度时，图5（右）中，塑料嵌件的螺纹侧面在约6 Nm处剪断。同样在本次测试中，金属嵌件没有显示出任何损坏。在超过约28Nm的最大扭矩之后，EPP失效并且金属嵌入件在EPP中旋转。据此可将塑料和金属嵌件应用到各自适合的结构件与泡沫组件连接中。

ReLei 项目：拆卸和回收

在该研究项目中，对具有特殊拆卸和再循环背景的FRP复合材料的各种连接技术进行了研究。在定义连接特定边界条件（例如待连接的材料组合）、承载能力要求或接头的可接近性之后，选择并广泛研究合适的连接过程。

其中，两阶段式热铆接与粘接相结合工艺为多材料设计的生产提供了很高的潜力。通过使用这种组件 - 整合连接技术的工艺，节省了元件成本，还可以减少额外组件的数量，从而提高了可回收性。

设计者将塑料圆顶在部件制造过程中直接集成在连接法兰区域，如图6（a）所示。在连接过程开始时，将预先冲压的钢连接部件在粘合剂施加后与热铆钉圆顶同轴地对准。在将待连接的部件压在一起之后，塑料圆顶通过热气体喷嘴在400℃下使用空气循环以使其软化，如图6（b）所示。然后在轴向力作用下的冷冲头形成铆钉头，如图6（c）所示。由于在成形过程中塑料的快速冷却，形成了形状和摩擦锁定。这使得零件可以固定，直到粘合剂完全硬化，如图6（d）所示。