安全车身结构与板厚及焊接方式关系

安全车身结构与车身板厚及焊接方式关系
广汽丰田车体部虞锋
【摘要】本文通过对车身结构及其受力分析、车身钢板作用以及激光焊接在车身应用分析，从车身碰撞机理论述了车身结构、车身钢板厚度和激光焊接对车身安全的影响，并纠正对车身结构安全的一些误解。

关键词：车身安全、车身结构、钢板厚度、激光焊接
承载式车身是由钢板冲压成型的金属结构件和大型复盖件组成，由A柱、C柱、B柱（中立柱）和地板构成了车身结构骨架。

车身结构需要满足一定的强度和刚度，才能达到保护乘员的目的。

车身结构刚度和强度是车身安全性判定的二个主要指标。

车身刚度是指车身的抗变形能力，也就是车身的抗冲击能力。

车身强度是车身承受外力时，抵抗塑性变形或破坏的能力。

车身强度是由车身的结构形式、结构件钢板强度、焊接质量包括焊点数量决定。

下面从车身结构、钢板厚度以及激光焊接等方面论述上述因素对车身结构安全的影响。

一、车身安全结构
当汽车速度超过50公里发生碰撞冲击时，决定汽车的安全因素不是车身外部钢板的厚薄，而是带有逐级吸能及具有良好抗变型能力的车身结构，使乘员舱不发生形变(见图1)。

图1：吸能车身结构示意图
在现代承载式车身结构中，比较有代表性的就是3H车身与丰田GOA车身结构，3H车身多用于欧美车系设计，丰田GOA车身是丰田独立开发的一种安全车身结构。

下面以丰田的GOA车身说明车身结构对车身安全的作用。

丰田GOA车身是基于“吸能分散”概念（是以安全著称的沃尔沃汽车公司提出的），采用CAE技术，经过数千次试验，研制出具有独立知识产权的车身技术（见图2）。

GOA车身具有高强度乘员舱和高效吸收冲击能量的车身结构，它由8个基本的组成部分：
1、车身整体一次冲压而成；
2、大型保险杠加强板；
3、吸能前纵梁直线布置；
4、采用横梁至前柱的加强梁；
5、中柱部分强化；
6、嵌入门槛板前柱穿入下门口；
7、下门槛加强筋与后轮罩直接相连；
8、车门内采用防侧撞钢梁。

图2：CAMRY的GOA车身结构及受力图
图2中红线、蓝线分别是车身正面和侧面碰撞受力方向。

当车身正面碰撞时，前保险杠将正碰力传到前纵梁上，冲击力将被吸收和分散：首先是发动机舱部位的前纵梁溃缩吸能，前纵梁沿纵向的逐级溃缩，吸收大部分正面冲击能量；其次是余下的正面冲击力将被均匀分散至车身各部分骨架上，尽可能降低乘员舱内部空间的变形程度。

当车身侧面碰撞时，侧碰力将沿中立柱、门槛和车门防撞杆分散，对乘员舱进行保护。

为提高乘员舱结构的强度和刚度，在车身骨架等受力结构件内，严格按照GOA 车身结构的要求，增加了若干层不等的加强件（如图3），并大量使用590MPa以上的高强度钢板来强化车身结构强度和刚度，最大限度保护乘员舱不变形。

总之，从力学角度出发，车身该柔软的地方就要柔软，该刚硬的地方就要刚硬。

根据受力状况，让部分车体在碰撞时起到“吸能分散”作用，尽量减弱冲击力，达到最大限度的保护乘员的目的，这也是现代安全车身结构的基本理念。

图3：车身加强件示意图
二、车身钢板厚度
对于承载式车身来说，车身钢板分为两种：
一是内板和衬板，是结构件、受力件。

根据其所处的结构部位的强度、刚度要求等要素，其厚度一般在0.7mm～3.2mm之间。

对于车身骨架的结构件，是要求钢板强度越高越好，乘员舱就越牢固。

对于发动机舱内的两条前纵梁，虽然也是受力件，但由于吸能的要求，其内壁的钢板厚度是由薄到厚渐变的，越靠近驾驶舱越厚，这样在发生碰撞时，前纵梁可以实现逐级线性变形，从而吸收大部分撞击能量，减少对乘员舱的冲击。

一是外板，作为覆盖件，非功能件、非受力件，厚度一般在0.6mm～0.8mm之间。

表1是达到安全碰撞标准的国内几个主要车型的外板的基本参数。

表1：几个主要车型外板厚度
2、以上数据来自国内公开资料。

外板越厚，其刚性越大，在低速碰撞时刚性车身不易变形，车辆损失小；但高速碰撞时由于高刚性、车身前部不变形而导致整体挤压驾驶舱，对车内前排乘员伤害大。

吸能车身在高速碰撞时能够更加有效的保护乘员，但是在低速碰撞时车身前部易变性而造成车主的较大损失，所以使人有误解。

从表1可以看出，由于外板的功能和作用决定了各品牌汽车的外板的厚度和材质基本相近，并无多大差异。

需要指出的是：发动机盖板和行李箱盖板是不能太厚，因为一旦受到正碰力，从保护乘员安全考虑，发动机盖板或行李箱盖板要
求必须曲卷（见图1所示）。

如果钢板太厚，其刚度就大，会象一把刀，直接插入乘员舱，对乘员造成致命伤害。

车身轻量化设计要求是钢板越薄越好，如果钢板太厚就等于增加了车身自重和油耗。

所以，许多汽车的车架大量采用高强度钢板，以降低钢板厚度，减轻车身重量。

当然，外板也不是越薄越好，也必须满足满足一定的刚度要求，否则，车辆运动会产生极大噪声；当车辆急剧的加、减速、拐弯和颠簸的时候，车身容易变形，甚至会散架。

所以，四门二盖都增加了内衬板（如图4 所示），以提高车身外板刚性。

那些以外板的车身外板厚薄来判断车身是否安全的观点，是对车身结构的不了解而产生的误解。

图4：提高发动机盖刚度的内衬板
三、车身焊接方式
在汽车制造工艺里，白车身是板件以焊接方式拼装而成的。

车身焊接的主要方式车身是电阻焊。

电阻焊是焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。

电阻焊具有操作简单、加热时间短、变形与应力小、无需填充料、板合精度要求低、自动化程度高、焊接强度高等优点，尤其对于中厚板材的焊接，电阻焊具有极大优势，因此，在车身焊接中大量应用。

车身焊接还有电弧焊、铝焊、混合气体保护焊等焊接方式，近年来，激光焊接技术也逐步引入汽车制造业。

激光焊接是焊接技术的一种，它是利用激光产生的热能融化金属材料然后融合在一起，冷却后重新生成晶粒把两边材料联接起来，主要用在汽车车身的外板的拼接和坯板焊接上。

图5：激光焊接技术示意图
同电阻焊相比，激光焊接有如下主要优点：
（1）焊接质量高。

由于激光焊缝窄，较小的高温区也使得工件热变形小。

（2）无工件材料损耗和机械形变。

激光焊接为非接触式焊接，无需对工件进行加压，无需使用电极，因此不会使工件表面产生热影响、伤痕或变形。

（3）减少材料用量。

顶盖与侧围车身的焊接，采用点焊，凸缘宽度需要16mm；采用激光焊接，只需要5mm。

根据车身采用激光焊接长度，每辆车可以节省约几公斤到几十公斤不等的板材。

（4）无振动或超声波和磁场等物理影响，车身的结合精度同样大大提升，同时也提高了车体的刚度。

（5）可实现不同的材质、不同厚度的板材对接。

（6）能长时间稳定工作，也没有电极污染和损耗，不会产生焊接粉尘或飞边等不良现象。

但激光焊接也有几个明显缺点：（1）对板件配合精度要求高；（2）激光焊接熔接深度不够，不能焊接底盘和车架；（3）由于没有焊材填充，加上材料的热蒸发，会导致焊缝比母材薄，即会导致该处应力集中；（4）激光焊接设备成本较高，一次性投资较大。

虽然激光焊接有很多优点，但以目前的激光技术，它对板件还是分子级的焊接，而且熔接深度不够，因此，在车身制造中，激光焊接主要还是应用在薄板的焊接上；对于以中厚板为主的结构件，还是采用电阻焊。

但是，也有个别结构件采用了激光焊接，如：凯美瑞的前纵梁前端把1.8mm～2.2mm几种不同板厚材料进行拼接就采用了激光焊接，使前纵梁壁厚逐级提高。

不过，这几段激光焊接口是应力集中点，一旦正碰力超过临界点，前纵梁将随板厚逐级压缩吸能，激光焊接口也会首先断裂，使发动机坠地，避免发动机冲入乘员舱。

激光焊接对于车身外板的美观、节省板材、和提高外板刚度有着很好作用。

有些车企就把车身激光焊接长度作为卖点宣传，但它的底盘和车架等结构件还是电阻焊而不是激光焊接。

由于车身外板不是受力件，车身外板的激光焊接对车身结构安全也没有实质性的改善。

四、结论
（1）承载式车身的安全性主要取决于车身结构、碰撞吸能技术、结构件的焊接工艺等因素。

（2）车身结构件的板厚和强度影响车身安全，而车身外板厚薄对车身安全性没有影响。

（3）激光焊接主要是应用于车身的薄板焊接，对车身强度和车身结构安全并没有构成实质性提高。

后记：本文引用了一些来自国内公开刊物和网站的非原创图片，仅作示意图之用，而非作为本文论据，故不一一注明，在此一并致谢！。