7月12日-13日，“2018中國汽車輕量化產(chǎn)業(yè)高峰論壇”在上海隆重舉行，論壇以“新技術(shù)、新材料、新工藝“為主題，旨在降低汽車自身重量同時(shí)提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性和安全性，并對(duì)汽車輕量化政策趨勢(shì)發(fā)展、整車輕量化平臺(tái)化設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵零部件輕量化技術(shù)開發(fā)及汽車輕量化多材料應(yīng)用及成本控制分析等問題展開探討。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）副主任 楊上陸博士

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）副主任 楊上陸博士分析了新能源汽車車身制造的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，以下是演講實(shí)錄（有部分刪減）：

今天跟大家分享一下新能源汽車在車身制造方面有哪些挑戰(zhàn)和機(jī)遇，我自己在通用工作近8年的過程中，我深深感受到做車其實(shí)是不容易的事，尤其對(duì)新能源汽車。大家知道新能源汽車最大的問題除了資金另外就是產(chǎn)量。我一直在持續(xù)的關(guān)注新能源汽車尤其是新能源汽車中具有代表性性的幾家，尤其是特斯拉以及蔚來等的研發(fā)進(jìn)展、生產(chǎn)進(jìn)度。如果大家持續(xù)地關(guān)注這些新能源汽車制造廠商，幾乎所有的汽車廠商都會(huì)比他們?cè)?jì)劃推遲上市，或者量產(chǎn)達(dá)不到最初的要求，后面我將具體展開來講。

汽車行業(yè)發(fā)展非常的快速，尤其是到了今天，變化的速度越來越多。過去我們談了很多材料、結(jié)構(gòu)、制造，過去是單向的，其實(shí)這應(yīng)該是一個(gè)閉環(huán)的開發(fā)過程。如果只做一個(gè)單向研究來講，這很難實(shí)現(xiàn)未來汽車制造。現(xiàn)在的汽車制造跟過去的不一樣，大家可以看到，新材料變化的越來越多，不同的鋼材，不同的鋁材，不同的復(fù)合材料，所有這些使得汽車制造包括設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，新材料不斷地涌進(jìn)來以后，焊接和連接就變得越來越關(guān)鍵。隨著不同新材料的涌現(xiàn)，焊接和連接的家族變得越來越復(fù)雜。無論采用什么樣的設(shè)計(jì)，無論采用什么樣的材料，無論使用什么樣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終這個(gè)車要造出來，怎么造出來就是靠焊接和連接來實(shí)現(xiàn)。這些方法包括SPR方法，F(xiàn)DS，弧焊、激光焊等等。各個(gè)汽車廠商在推出自己的車型的時(shí)候都說自己很酷，但是這些連接方法是最優(yōu)化的嗎？我個(gè)人認(rèn)為不是的，包括昨天介紹的復(fù)合材料，復(fù)合材料進(jìn)來以后你怎么連接？目前市面上有非常多的好鋼，非常多的好鋁，復(fù)合材料也很好，但最難的問題是如何把這些新材料連接、焊接起來，把車做出來。我個(gè)人認(rèn)為目前整個(gè)世界汽車行業(yè)在輕量化上路途很遙遠(yuǎn)，成本非常高，還沒有很清晰制造路線。過去傳統(tǒng)的思路沒有錯(cuò)。但是現(xiàn)在新材料使用得越來越多，整個(gè)制造過程變得非常的復(fù)雜。

新材料給節(jié)能減排帶來很多的好處，卻給制造帶來許多的麻煩，典型的例子是福特的Ford-150，特斯拉的Model S以及通用的凱迪拉克CT6。這三個(gè)車我是一直跟蹤的，首先談福特Ford-150，新的福特F-150用到很多鋁合金之后，使得制造工藝變得跟之前完全不同。福特Ford-150一直推遲上市，這個(gè)原因主要在于它的制造非常的復(fù)雜。凱迪拉克也發(fā)生同樣故事，更別提特斯拉了。特斯拉最近量產(chǎn)上來了。

我是一直關(guān)注特斯拉，2018年6月12日有一個(gè)消息，特斯拉裁員9%，2017年11月1日的時(shí)候特斯拉股票大跌。特斯拉的Model 3還有50萬訂單沒有做出來，是因?yàn)檐嚿碜霾怀鰜淼脑?，?dāng)鋁合金進(jìn)來的時(shí)候，用SPR或者FDS或者（英文）其實(shí)有自身的局限性。當(dāng)前主流焊接和連接方式主要包括：電阻點(diǎn)焊、自沖鉚接、流鉆連接、膠接、弧焊、激光含和激光釬焊。車上有不同的材料組合，意味著要幾十種甚至上百種的工藝程序?qū)⑵溥B接起來。過去的制造方法總體來講有其局限性，主要表現(xiàn)為：能耗高、占地面積大、制造成本高、方法越來越復(fù)雜，新材料難以焊接和連接。新能源汽車因?yàn)殡姵睾苤?，用了非常多的新材料比如鋁合金，新材料的連接和傳統(tǒng)的方法完全不一樣。

大家可以看到，為了連接鋁到鋼，從過去的自沖鉚接開發(fā)了EJOWELD和REW方法。EJOWELD類似攪拌摩擦方法，EJOWELD方法需要控制不同的力以及不同力的作用時(shí)間。REW方法需要一個(gè)預(yù)處理過程，先沖出一個(gè)孔洞，再把釘子焊到鋼上去。同樣FDS也是一樣的，F(xiàn)DS不僅僅成本高，敏捷度非常低，制造時(shí)間非常長。為了連接鋁合金到超高強(qiáng)鋼，奔馳使用了沖擊連接方法。沖擊連接方法類似一個(gè)釘子以子彈的速度打進(jìn)去。這種快速連接方法不僅僅可能造成車身變形，過高的噪音等等。這都是因?yàn)樾虏牧弦M(jìn)來后，需要新的制造方法。我個(gè)人認(rèn)為當(dāng)前汽車行業(yè)正處于一個(gè)巨大的歷史轉(zhuǎn)變時(shí)期，必須以新的思路面對(duì)挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

下面談一談當(dāng)前汽車行業(yè)所面臨的一些挑戰(zhàn)，尤其是中國汽車行業(yè)。當(dāng)前中國汽車行業(yè)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系松垮，其次是對(duì)前瞻性技術(shù)重視不夠，核心專利布局缺乏，此外整個(gè)行業(yè)對(duì)行業(yè)變革的決心不夠堅(jiān)決，技術(shù)人員缺乏。

雖然汽車行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)同時(shí)也擁有著從未有過的機(jī)遇。機(jī)遇之一就是：新的法規(guī)使得整個(gè)新能源汽車不得不用新材料，這個(gè)是歷史趨勢(shì)，誰都無法抗拒。到2030年，新能源汽車整個(gè)銷售額將占到40%，大約1500萬量。第二就是在新材料應(yīng)用上，世界汽車行業(yè)水平差不多，大家都在一個(gè)起跑線上。第三個(gè)機(jī)遇是：汽車廠商為了能把新材料用到車上，對(duì)新技術(shù)接受更加開放，這個(gè)令人欣慰。

新能源汽車包括很多的新材料和新設(shè)計(jì)，因此其制造方法需要有新的思路。新能源汽車結(jié)構(gòu)跟過去傳統(tǒng)節(jié)能汽車有很大的不同。因?yàn)椴牧稀⒃O(shè)計(jì)不同，在制造方法上一定要有一個(gè)新思路。采用什么樣的方法連接新材料？創(chuàng)新是改變現(xiàn)有格局的唯一選擇。我今天簡(jiǎn)單介紹一些創(chuàng)新的案例以及創(chuàng)新所帶來的一些優(yōu)勢(shì)。下面講講我們?cè)诩す夂附臃矫嫠龅囊恍﹦?chuàng)新工作。

為什么要用激光？過去汽車的主流制造方法主要是電阻點(diǎn)焊。電阻點(diǎn)焊是一個(gè)很好的制造方法，但也有其自身的局限性，它是雙面焊接的過程，需要使用不同的電阻頭，不同的焊槍，不同的機(jī)器人來連接不同的材料組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外電阻點(diǎn)焊能耗高，二氧化碳排排放較大。相對(duì)于電阻點(diǎn)焊，激光焊接很多潛在的優(yōu)勢(shì)。激光焊接是一個(gè)單面焊接過程，焊接速度非常快，熱輸入非常小，所需的法蘭邊很小。如果激光焊接能夠大部分取代電阻點(diǎn)焊，光法蘭邊的減少所帶來的減重就將是是20-30公斤，但激光焊接有其自身的難點(diǎn)。激光焊接涉及到多學(xué)科的交叉，包括光學(xué)、材料科學(xué)、熱傳、流體力學(xué)等等。此外汽車上的材料大多帶有涂層，比如鍍鋅層、鋁-硅涂層以及氧化膜等等，這些涂層對(duì)防腐蝕都很好，但均會(huì)給焊接帶來很多的問題。這些涂層的存在使得整個(gè)焊接過程不穩(wěn)定。此外要整個(gè)汽車制造環(huán)境非常的復(fù)雜，比如間隙不均勻等。下面我介紹一些我們過去在激光焊接方面所做的一些工作。

首先讓我們來看一下零間隙激光焊接鍍鋅板。鍍鋅鋼板被廣泛地應(yīng)用在汽車上，直接激光焊接鍍鋅鋼板非常困難。直接用激光焊接鍍鋅鋼板，會(huì)在焊縫處生成各種缺陷比如飛濺和孔洞等等。全世界在這方面做了很多的工作，授權(quán)專利至少超過150個(gè)。當(dāng)前用于焊接鍍鋅鋼板的主流方法是凸臺(tái)前處理+激光焊接的方法。凸臺(tái)前處理方法包括機(jī)械凸臺(tái)和激光凸臺(tái)的方法。激光焊接鍍鋅鋼板的主要問題是鋅的沸點(diǎn)低，激光還沒把板與板界面處的鋼熔化高壓鋅蒸氣已經(jīng)形成，所以需要一個(gè)逃逸的通道。我們自己在零間隙激光焊接鍍鋅鋼板方面做了很多工作，很幸運(yùn)把這個(gè)工作做出來。新的方法不需要前處理，可以直接用激光焊接鍍鋅鋼板。用新的方法可以實(shí)現(xiàn)不同形狀的焊接，圓形、C型、直線等。這項(xiàng)工作獲得了美國研發(fā)雜志<<R&D Magazine>>的“百大科技研發(fā)獎(jiǎng)”。

跟傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊相比，新的方法焊接效率可以提高3~5倍，整個(gè)二氧化碳排放量可以降低40%-50%，生產(chǎn)占地面積可以減少40-50%。激光制造是一種綠色、敏捷的制造方法。從2017年開始，通用的高端SUV采用了這種新的制造方法。相對(duì)電阻點(diǎn)焊方法，新的方法使得整個(gè)生產(chǎn)占地面積減少了50%，二氧化碳量減少了42%，此外減少了固定投資2400萬美金。

第二個(gè)我想介紹一下液態(tài)金屬裂紋，這個(gè)是全世界汽車行業(yè)的痛點(diǎn)，阻礙第三代高強(qiáng)鋼應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)之一。第三代汽車高強(qiáng)鋼非常好，超過1000兆帕級(jí)別的鍍鋅鋼板用不上去的原因之一就是使用傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊容易在焊縫處生成液態(tài)金屬裂紋。液態(tài)金屬裂紋會(huì)降低焊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度以及碰撞的吸能。液態(tài)金屬裂紋生成是有條件的。首先材料上要有低熔點(diǎn)的物質(zhì)，第二要受壓力，第三通常需要存在奧氏體組織。如果采用傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊壓力不可避免，為防止腐蝕低熔點(diǎn)的涂層通常需要，此外第三代高強(qiáng)鋼通常帶有奧氏體組織，從傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊來講，要解決液態(tài)金屬裂紋是一件非常困難的事情。如果生成液態(tài)金屬裂紋中的一個(gè)條件我們可以改變，我們就有希望解決這個(gè)問題。激光焊接不需外在的壓力，它是一個(gè)低壓力的焊接過程，大家可以看到這是我們應(yīng)用我們新開發(fā)的激光焊接方法焊的第三代高強(qiáng)鋼焊點(diǎn)，這個(gè)焊點(diǎn)沒有液態(tài)金屬裂紋，非常的完美。

我們?cè)僬務(wù)勪X合金的焊接，鋁合金應(yīng)用越來越廣。鋁合金的焊接對(duì)于焊接領(lǐng)域也是一個(gè)世界性難題。鋁合金的焊接主要存在三大難點(diǎn)：氣孔、裂紋和熱影響區(qū)弱化。這些焊接缺陷的存在使得焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度極大地降低，這也是過去主要使用機(jī)械的方法來連接鋁合金其中包括SPR和FDS等。這些機(jī)械的方法需要使用不同型號(hào)的釘子和連接槍。這里舉捷豹XF這款車為例。該款車一共用了307把不同鉚槍，53種鉚釘，33種凹模，2503個(gè)鉚釘。連接工藝非常復(fù)雜。我們開發(fā)了新的激光點(diǎn)焊的方法，新的激光點(diǎn)焊方法克服了鋁合金易氧化和生成氣孔的巨大挑戰(zhàn)。新的方法可以生成無氣孔或者少量氣孔的焊縫，所以其力學(xué)性能非常好。新的焊接方法焊接速度較傳統(tǒng)的機(jī)械連接方法有如下優(yōu)勢(shì)：速度快，生產(chǎn)占地使用面積小，制造敏捷，回收簡(jiǎn)單，而且制造成本可以極大地降低。

下面稍微總結(jié)一下。我個(gè)人認(rèn)為當(dāng)前汽車行業(yè)正處在一個(gè)巨大的歷史轉(zhuǎn)變期，充滿著不同的挑戰(zhàn)，要想實(shí)現(xiàn)真正的創(chuàng)新，必須實(shí)現(xiàn)汽車整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新，一定要走產(chǎn)學(xué)研的路。只有汽車廠商、汽車供應(yīng)商，科研院所協(xié)同創(chuàng)新，三者的有機(jī)結(jié)合才能在這個(gè)領(lǐng)域上能夠有真正的突破。非常感謝大家，我們做科研最希望自己的科研成果可以推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。我在這里特別感謝蓋世汽車，感謝他們給我提供的機(jī)會(huì)，這兩天學(xué)到了很多東西，謝謝大家。

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