廣汽豐田車體部虞鋒
【摘要】本文通過對車身結構及其受力分析、車身鋼板作用以及雷射焊接在車身應用分析，從車身碰撞機理論述了車身結構、車身鋼板厚度和雷射焊接對車身安全的影響，並糾正對車身結構安全的一些誤解。
關鍵詞：車身安全、車身結構、鋼板厚度、雷射焊接
承載式車身是由鋼板沖壓成型的金屬結構件和大型覆蓋件組成，由a柱、c柱、b柱（中立柱）和地板構成了車身結構骨架。車身結構需要滿足一定的強度和剛度，才能達到保護乘員的目的。
車身結構剛度和強度是車身安全性判定的二個主要指標。車身剛度是指車身的抗變形能力，也就是車身的抗衝擊能力。車身強度是車身承受外力時，抵抗塑性變形或破壞的能力。
車身強度是由車身的結構形式、結構件鋼板強度、焊接質量包括焊點數量決定。下面從車身結構、鋼板厚度以及雷射焊接等方面論述上述因素對車身結構安全的影響。
一、車身安全結構
當汽車速度超過50公里發生碰撞衝擊時，決定汽車的安全因素不是車身外部鋼板的厚薄，而是帶有逐級吸能及具有良好抗變型能力的車身結構，使乘員艙不發生形變(見圖1)。
圖1：吸能車身結構示意圖
在現代承載式車身結構中，比較有代表性的就是3h車身與豐田goa車身結構，3h車身多用於歐美車系設計，豐田goa車身是豐田獨立開發的一種安全車身結構。下面以豐田的goa車身說明車身結構對車身安全的作用。
豐田goa車身是基於「吸能分散」概念（是以安全著稱的沃爾沃汽車公司提出的），採用cae技術，經過數千次試驗，研製出具有獨立智財權的車身技術（見圖2）。goa車身具有高強度乘員艙和高效吸收衝擊能量的車身結構，它由8個基本的組成部分：
1、 車身整體一次沖壓而成；
2、 大型保險槓加強板；
3、 吸能前縱樑直線布置；
4、 採用橫樑至前柱的加強梁；
5、 中柱部分強化；
6、 嵌入門檻板前柱穿入下門口；
7、 下門檻加強筋與後輪罩直接相連；
8、 車門內採用防側撞鋼梁。
圖2：camry的goa車身結構及受力圖
圖2中紅線、藍線分別是車身正面和側面碰撞受力方向。當車身正面碰撞時，前保險槓將正碰力傳到前縱樑上，衝擊力將被吸收和分散：首先是發動機艙部位的前縱樑潰縮吸能，前縱樑沿縱向的逐級潰縮，吸收大部分正面衝擊能量；其次是餘下的正面衝擊力將被均勻分散至車身各部分骨架上，盡可能降低乘員艙內部空間的變形程度。
當車身側面碰撞時，側碰力將沿中立柱、門檻和車門防撞杆分散，對乘員艙進行保護。
為提高乘員艙結構的強度和剛度，在車身骨架等受力結構件內，嚴格按照goa車身結構的要求，增加了若干層不等的加強件（如圖3），並大量使用590mpa以上的高強度鋼板來強化車身結構強度和剛度，最大限度保護乘員艙不變形。
總之，從力學角度出發，車身該柔軟的地方就要柔軟，該剛硬的地方就要剛硬。根據受力狀況，讓部分車體在碰撞時起到「吸能分散」作用，盡量減弱衝擊力，達到最大限度的保護乘員的目的，這也是現代安全車身結構的基本理念。
圖3：車身加強件示意圖
二、車身鋼板厚度
對於承載式車身來說，車身鋼板分為兩種：
一是內板和襯板，是結構件、受力件。根據其所處的結構部位的強度、剛度要求等要素，其厚度一般在0.7mm～3.
2mm之間。對於車身骨架的結構件，是要求鋼板強度越高越好，乘員艙就越牢固。對於發動機艙內的兩條前縱樑，雖然也是受力件，但由於吸能的要求，其內壁的鋼板厚度是由薄到厚漸變的，越靠近駕駛艙越厚，這樣在發生碰撞時，前縱樑可以實現逐級線性變形，從而吸收大部分撞擊能量，減少對乘員艙的衝擊。
一是外板，作為覆蓋件，非功能件、非受力件，厚度一般在0.6mm～0.8mm之間。表1是達到安全碰撞標準的國內幾個主要車型的外板的基本引數。
表1：幾個主要車型外板厚度
注：1、國內車的鋼板大部分來自寶鋼及相關合資鋼廠。
2、以上資料來自國內公開資料。
外板越厚，其剛性越大，在低速碰撞時剛性車身不易變形，車輛損失小；但高速碰撞時由於高剛性、車身前部不變形而導致整體擠壓駕駛艙，對車內前排乘員傷害大。吸能車身在高速碰撞時能夠更加有效的保護乘員，但是在低速碰撞時車身前部易變性而造成車主的較大損失，所以使人有誤解。
從表1可以看出，由於外板的功能和作用決定了各品牌汽車的外板的厚度和材質基本相近，並無多大差異。需要指出的是：發動機蓋板和行李箱蓋板是不能太厚，因為一旦受到正碰力，從保護乘員安全考慮，發動機蓋板或行李箱蓋板要求必須曲捲（見圖1所示）。
如果鋼板太厚，其剛度就大，會象一把刀，直接插入乘員艙，對乘員造成致命傷害。
車身輕量化設計要求是鋼板越薄越好，如果鋼板太厚就等於增加了車身自重和油耗。所以，許多汽車的車架大量採用高強度鋼板，以降低鋼板厚度，減輕車身重量。
當然，外板也不是越薄越好，也必須滿足滿足一定的剛度要求，否則，車輛運動會產生極大雜訊；當車輛急劇的加、減速、拐彎和顛簸的時候，車身容易變形，甚至會散架。所以，四門二蓋都增加了內襯板（如圖4 所示），以提高車身外板剛性。那些以外板的車身外板厚薄來判斷車身是否安全的觀點，是對車身結構的不了解而產生的誤解。
圖4：提高發動機蓋剛度的內襯板
三、車身焊接方式
在汽車製造工藝裡，白車身是板件以焊接方式拼裝而成的。車身焊接的主要方式車身是電阻焊。電阻焊是焊件組合後通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法。
電阻焊具有操作簡單、加熱時間短、變形與應力小、無需填充料、板合精度要求低、自動化程度高、焊接強度高等優點，尤其對於中厚板材的焊接，電阻焊具有極大優勢，因此，在車身焊接中大量應用。
車身焊接還有電弧焊、鋁焊、混合氣體保護焊等焊接方式，近年來，雷射焊接技術也逐步引入汽車製造業。雷射焊接是焊接技術的一種，它是利用雷射產生的熱能融化金屬材料然後融合在一起，冷卻後重新生成晶粒把兩邊材料聯接起來，主要用在汽車車身的外板的拼接和坯板焊接上。
圖5：雷射焊接技術示意圖
同電阻焊相比，雷射焊接有如下主要優點：
（1）焊接質量高。由於雷射焊縫窄，較小的高溫區也使得工件熱變形小。
（2）無工件材料損耗和機械形變。雷射焊接為非接觸式焊接，無需對工件進行加壓，無需使用電極，因此不會使工件表面產生熱影響、傷痕或變形。
（3）減少材料用量。頂蓋與側圍車身的焊接，採用點焊，凸緣寬度需要16mm；採用雷射焊接，只需要5mm。根據車身採用雷射焊接長度，每輛車可以節省約幾公斤到幾十公斤不等的板材。
（4）無振動或超聲波和磁場等物理影響，車身的結合精度同樣大大提公升，同時也提高了車體的剛度。
（5）可實現不同的材質、不同厚度的板材對接。
（6）能長時間穩定工作，也沒有電極汙染和損耗，不會產生焊接粉塵或飛邊等不良現象。
但雷射焊接也有幾個明顯缺點：（1）對板件配合精度要求高；（2）雷射焊接熔接深度不夠，不能焊接底盤和車架；（3）由於沒有焊材填充，加上材料的熱蒸發，會導致焊縫比母材薄，即會導致該處應力集中；（4）雷射焊接裝置成本較高，一次性投資較大。
雖然雷射焊接有很多優點，但以目前的雷射技術，它對板件還是分子級的焊接，而且熔接深度不夠，因此，在車身製造中，雷射焊接主要還是應用在薄板的焊接上；對於以中厚板為主的結構件，還是採用電阻焊。但是，也有個別結構件採用了雷射焊接，如：凱美瑞的前縱樑前端把1.
8mm～2.2mm幾種不同板厚材料進行拼接就採用了雷射焊接，使前縱樑壁厚逐級提高。不過，這幾段雷射焊介面是應力集中點，一旦正碰力超過臨界點，前縱樑將隨板厚逐級壓縮吸能，雷射焊介面也會首先斷裂，使發動機墜地，避免發動機衝入乘員艙。
雷射焊接對於車身外板的美觀、節省板材、和提高外板剛度有著很好作用。有些車企就把車身雷射焊接長度作為賣點宣傳，但它的底盤和車架等結構件還是電阻焊而不是雷射焊接。由於車身外板不是受力件，車身外板的雷射焊接對車身結構安全也沒有實質性的改善。
四、結論
（1）承載式車身的安全性主要取決於車身結構、碰撞吸能技術、結構件的焊接工藝等因素。
（2）車身結構件的板厚和強度影響車身安全，而車身外板厚薄對車身安全性沒有影響。
（3）雷射焊接主要是應用於車身的薄板焊接，對車身強度和車身結構安全並沒有構成實質性提高。
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