降低成本总是必要的考虑因素，尤其是在供应链和装配厂变化很小的情况下。为了降低汽车零部件和制造成本，位于密歇根州门罗的TWB公司（TWB Company, LLC）开发了能够满足汽车行业严格要求的拼焊板。该公司于2014年推出了铝合金拼焊板，用于封闭部件，例如引擎盖、挡泥板、车门，甚至是完整的车身。随着人们对汽车轻量化和可持续发展的兴趣日益浓厚，相信这种铝合金拼焊板的创新有望减轻重量、工具成本和大量单件成本。为了突出铝合金拼焊板在车辆设计中的潜力，本文介绍了其在Nissan Rogue（图 1）车型中的应用。
图 1. 日产 Rogue。
拼焊板
拼焊板是为冲压工艺开发的金属板材产品，通常用于汽车。坯料由不同厚度、强度和涂层的单独金属板组成，这些金属板通过焊接连接在一起。最终焊接的板材的一侧或另一侧可能会更厚。这使得设计人员能够在汽车组件的正确位置实现适合的机械性能。定制产品的能力也会带来最终产品的经济效率。（【前瞻】高强度钢性能柔性分布技术在汽车车身上的应用现状）
对于铝合金拼焊板，使用搅拌摩擦焊技术来大批量制造6000系列合金。摩擦搅拌焊接的速度高达6 m/min，可以将薄至1 mm的板材连接在一起。该技术适用于所有常见的汽车铝合金和混合合金的曲线焊接和连接。
TWB公司还可以通过激光焊接连接5000系列铝。他们可以根据合金、厚度和应用，使用激光焊接或搅拌摩擦焊接来生产拼焊板。拼焊板有扁平形状或线圈形状可供选择。
TWB公司新产品开发部门的产品工程师Saambavi Karunakaran 表示：“拼焊板允许单个板坯的厚度变化，让设计师可以自由地在需要的地方增加强度和刚度。1” “在设计阶段实施这项技术可以减少前期资本投资和周期时间。与整体毛坯相比，它还可以降低报废率，而不会降低性能。通过使用最佳规格、等级和毛坯形状来满足所需的性能，可以提高材料利用率。拼焊板的其他好处是节省成本和质量、零件整合和减少装配操作。”
日产Rogue车门概念
在2022年秋季于密歇根州利沃尼亚举行的国际汽车车身大会上2，Karunakaran 以日产 Rogue SUV 为案例展示了引人注目的前门概念。目前的Rogue门内板（即内板）由三块不同厚度的6022铝板制成，占门内板的75%（车门用材情况见图2）。该设计还包括铝挤压件、钢铰链和少量塑料。当前的门设计是通过重叠相邻部件的边缘并将它们铆接在一起而生产的。
Figure 2. The baseline door of the Nissan Rogue is comprised of aluminum sheet (75%), aluminum extrusion (17%), steel (8%), and plastic (0.04%).
图 2. Nissan Rogue 的车门由铝板(75%)、铝型材(17%)、钢(8%)和塑料(0.04%)组成。
该研究的目标是将原来的三件式铝设计转换为使用单个拼焊板的设计，以达到或超过基准设计的性能。从外行的角度来看，解决方案很简单——简单地说，通过设计可以作为单件冲压的焊接毛坯来减小每件的尺寸，从而消除重叠。然而，开发这种拼焊板的过程并不简单，因为车门工程相当复杂，需要考虑冲压、结构强度、成型性、耐久性、降噪和减振以及制造难易等诸多因素。此外，车门既是安全关键部件（需要在发生侧面碰撞时保护乘客），也是与客户进行重要互动的部件。
工程与设计
TWB公司团队最大限度地利用计算机辅助工程(CAE)来设计、分析和优化门解决方案。在大会期间，Karunakaran介绍了拼焊内门解决方案以及该概念与原先内门方案的比较（图 3）。此外，TWB对拼焊门内部设计进行了分析，考虑了门下垂、过开、腰线刚度和扭转刚度2。在每项标准中，拼焊设计都满足设计所需的参数和性能。
Figure 3. The baseline door inner (left), which is comprised of three separate aluminum sheets that are riveted together, was converted to a tailor-welded door inner (right).
图 3. 由铆接在一起的三个独立铝板组成的原先门内板（左）转换为拼焊门内板（右）。
在看到拼焊设计概念符合结构和模态分析标准后，TWB团队对设计的制造过程进行了CAE分析。目标是向冲压合作伙伴提供CAE工具可以估计的可成型且无褶皱（wrinkle-free）的零件。确保成型性和无褶皱产品始于焊缝设计，假设使用搅拌摩擦焊工艺的焊缝宽度为 12 毫米。
降低成本和重量
根据介绍，拼焊设计理念在重量、工具和单件成本方面优于原先方案设计2。拼焊概念可使总铝减少22%，每年可节省约610吨铝。该概念还避免了1,160吨CO2，基于1.9千克CO2/ 千克铝的EPA数字。
通过将多个组件组合成一个单独的拼焊设计，车门重量更轻，每辆车（前门）可减轻0.26千克的车载质量。此外，前门内部概念为每辆车节省了4-6美元的成本，具体取决于材料等级和修改后的设计。概念设计还消除了几个冲压模具和装配操作，提供了720,000美元的模具工具投资节省。
未来之门
Alumobility研究了铝制门与钢制门的对比，并展示了几种以极具吸引力的成本溢价减轻重量的迭代方案3（【前沿】减少汽车碳排放 Novelis和Constellium合作开发铝生态系统）。TWB的这项研究现在提供了额外的成本和重量指标，这些指标对铝门的增长具有吸引力。然而，市场并没有停滞不前，汽车制造商面临的外部成本压力——从通货膨胀到电动汽车电池材料成本的极度上涨——使得钢铁与铝的商业案例始终存在疑问。铝市场必须尽其所能，即始终专注于客户的需求和创造价值的创新。TWB团队在材料利用方面做得创新，可以显着降低成本，这可能会是铝合金在门和开闭件的应用得到更多的扩展。
参考文献
1. Personal emails with Saambavi Karunakaran, TWB Company, November 2022.
2. Karunakaran, Saambavi, “Aluminum Tailor-welded Blanks, Nissan Door Study,” International Automotive Body Congress, Livonia, MI, September 29, 2022.
3. Halonen, Andrew, “Alumobility Introduces a New Generation of Aluminum Doors,” Light metal Age, August 2021.
