汽车轻量化-铝合金材料的应用及加工工艺整合

汽车轻量化中的铝合金

（1）铸造铝合金

许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得好的综合性能。

汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的76%、铝压铸件的77%为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。

铝铸件中不可避免地存在缺陷，压铸件还不能热处理，因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制。为此在铸件生产工艺上作了改进，铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多用的工艺。

（2）变形铝合金

变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。

由于轻量化效果明显，铝合金在车身上的应用正在扩大。如1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身，比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg，引起全世界的瞩目。NSX全车用铝材达到31.3%，如在全铝车身上，外板使用6000系列合金，内板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由于侧门框对强度和刚度要求很高，使用以6N01合金为基础、适当调整了Mg和Si含量的合金。在欧美也有用2036和2008合金作车身内外板的。

铝合金材料在汽车轻量化中的典型应用

车身轻量化材料

轿车车身轻量化技术主要包括轻量化材料的使用、结构的轻量化设计以及先进的成形工艺应用。轻量化材料使用是车身轻量化的主流，主要分两类：一类是采用高强度材料，如高强度钢及高强度不锈钢；另一类是轻质材料，如铝/镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷以及多种复合材料等。

表1  江淮部分车身用铝合金板件

图1  铝合金顶盖充液成形工艺示意

铝合金具有密度小（铝的密度约为钢的1/3）、质量轻、加工成形性好及可重复回收利用等特点。研究表明：与传统钢铁相比，在达到同样力学性能指标情况下，使用的铝合金质量比钢少60%；在承受同样冲击情况下，铝合金板比钢板多吸收50%的冲击能量。基于铝合金材料在汽车轻量化推进过程中的重要角色，其在汽车中的应用范围也越来越广，已经从最初的发动机缸体、变速器壳体和轮毂等扩展到了车体的各个重要零部件中。自然而然，这也就促使各汽车企业增强了对新型变形铝合金材料的研发投入。安徽江淮汽车股份有限公司（以下简称“江淮”）部分车身用铝合金板件见表1。

铝合金材料技术特点

铝合金具有质量轻、抗腐蚀能力强、耐用性好及减少行人撞击伤害等显著的优点。用于汽车车身板的铝合金主要有2000系、5000系、6000系和7000系合金。其中，5系列、6系列最适合代替钢板：5系是热处理不可强化合金，成形性能良好，可用于形状复杂的车身零件，主要用于内覆盖件；6系是热处理可强化合金，适用于外板等强度、刚度要求高的部位，主要用于汽车外覆盖件。

铝合金连接技术

车身轻量化材料的应用在达到了减轻车身重量的同时，也对相应连接技术提出了更高的要求。车身的传统焊接方法一般为点焊及CO2焊，其中电阻点焊工艺在车身制造中约占75%，应用较为广泛。电阻点焊对于异种金属的焊接质量很难保证，尤其是铝、镁合金材料的焊接，铝电阻比钢小，导热系数大，电阻点焊时需要用到4倍于点焊钢材的电流，能源消耗较大且焊接质量很难保证；传统的CO2焊接无法很好地节约异种金属的焊接问题，同时无法保证薄板的焊接质量，焊后易变形。

自冲铆连接（SPR）

图2  自冲铆工艺原理

SPR是一种用于两种或两种以上金属板材的冷连接技术。如图2铆钉在外力作用下，通过穿透第一层材料和中间层材料，并在底层材料中进行流动延展，形成相互镶嵌的永久塑性变形的铆钉连接过程。连接后一侧较为平整，一侧凸起一个圆柱。

SPR作为机械冷成形连接技术，其优势为：可实现多种材料的连接；铝铆接点的强度高于等厚铝的点焊强度；工艺时间可控制在4 s内。SPR的局限性为：需要双侧进枪空间，不同材料组合需要不同的铆钉，设备昂贵，一套设备投资成本90万元左右。

自冲铆接工艺相对于其他连接技术具有如下特点：

（1）可以连接不同材质、不同厚度、不同强度的两层或多层板材组合，是不同种类轻量化材料之间连接的最佳连接工艺之一；

（2）无热效应，可以用于涂层或镀层板材连接而不会破坏其涂镀层；

（3）与传统铆接工艺相比，生产效率高，设备投资少，能耗成本低；

（4）安全环保，铆接时无热量、无烟烟、无火花、无粉尘或碎屑等产生；

（5）铆接质量持续稳定，重复性高，铆接点质量可通过目视进行检查；

（6）可与胶粘工艺组合使用。

自冲铆接设备一般分为液压系统和电动伺服式系统两种，其中电动伺服式系统具有铆接质量好、工作效率高、结构设计简单可靠、连续工作能力强及设备寿命长等诸多优点，目前在铝合金车身上得以广泛应用。为了满足使用要求，一套完整的电动伺服式自冲铆接系统包含自冲铆接控制系统、自冲铆接执行系统两个大的部分组成，自冲铆接执行系统又包含动力提供机构、传动机构、C型钳、铆鼻组件、从动力机构、棘轮供钉系统、铆模及支撑件等附件组成。

江淮也开展了对铝合金发盖内外板的工艺开发与研究，图3为发盖内板总成自冲铆实物。以发盖内板为例，原内板材质为DC03，零件重量为10.563 kg，材质变更为5182铝合金后，零件重量为5.184 kg，减重比达到50.92%。

冷金属过渡技术（CMT）

图4  CMT技术工艺原理

CMT是一种全新的MIG/MAG焊接工艺，焊接热输入极低，可以焊接薄至0.3 mm的板材，并可以实现钢与铝的异种连接。CMT是基于短路过渡方式发展而成的，CMT过渡通过焊丝机械回抽方式来帮助熔滴过渡，工艺过程可以被精确控制，短路过渡周期恒定，不受随机变量影响，由于CMT熔滴过渡时电流几乎为零，减少了飞溅，焊接质量高，CMT技术工艺原理见图4，其原理为铝一侧为熔接，钢一侧为钎焊连接，母材未熔化；要求镀锌板的镀锌层的厚度（> 10 μm）。

连接的主要问题是接头处容易形成脆性相，脆性相越少接头性能越好。决定脆性相的一个主要因素是焊接时热输入量，热输入量越低，脆性相产生的越少。所以CMT工艺可以很好的实现钢与铝的焊接。焊缝外观实物图如图6所示。

激光焊接技术

激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能量密度焊接方法，激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。其中铝合金激光焊接目前应用也越来越广泛。

铝合金激光焊接技术的特点包括：需要采用铝制焊丝；非接触焊接，变形小；焊接质量好，焊缝强度等于或超过母材强度；可实现不同型号、异种金属之间的焊接，尤其适用于（超）高强度钢板、铝合金；搭接边较传统点焊缩短，有利于车身轻量化及降成本。

汽车工业发展程度是一个国家发达程度的重要标志之一，汽车轻量化是汽车行业发展的必然趋势。要实现车身轻量化，在车身设计结构优化、新材料研究应用的前提下，关键要解决新材料的连接技术问题，目前铝合金连接技术日趋成熟，相应的连接工艺均得到了有效验证。

汽车轮毂用铝合金

车轮是车辆承载重要部件，它除了受正压力外，还承受因车辆启动、制动时扭矩的交互作用，以及行驶过程中转弯、冲击等来自各个方向的不规则受力，车轮在高速旋转中，还影响车辆的平稳性、操作性等性能。车轮的质量与汽车的多种性能密切相关，整车的安全性和可靠性很大程度取决于所装车轮的性能和使用寿命。

铝合金汽车轮毂与钢制汽车轮毂相比，能够更好地满足良好的耐磨耐老化和良好的气密性，良好的均匀性和质量平衡，较小的滚动阻力和行驶噪声，精美的外观和装饰性，尺寸精度高，质量轻且不平衡度小，耐疲劳性好，折装方便，互换性好等要求。

目前轿车轮毂普遍采用铝合金材料，但是，卡车、大巴等重载汽车由于重载汽车载重大、对车轮的综合性能要求高，大部分仍采用钢制车轮。

铝合金车轮的制造工艺主要有：铸造法、锻造法、冲压法、旋压法、半固态模锻法等，其中较为常用的成型方法主要是铸造法和锻造法。

低压铸造主要采用Al-Si-Mg系合金。普通铸造铝合金轮毂能够满足轿车用轮毂的性能要求，但不能满卡车、大巴等重载汽车对轮毂的要求。马春江等将普通铸造铝合金轮毂和挤压铸造铝合金的组织和力学性能进行对比，结果显示挤压铝合金轮毂的力学性能高于铸造铝合金轮毂，且挤压铸造铝合金轮毂的弯曲疲劳性能、径向疲劳性能、耐冲击性能都能满足重载汽车使用要求。

重力铸造简单的说，主要是靠铝水自身的重力来冲填铸模，是一种较为早期的铸造方法。该法成本低、工序简单且生产效率高，然而，浇注过程中夹杂物易卷入铸件，有时还会卷入气体，形成气孔缺陷。重力铸造生产的轮圈易产生缩孔缩松且内部质量较差，此外，铝液流动性的限制也有可能导致造型复杂的轮毂良品率低。因此，汽车轮圈制造业已经很少使用该工艺了。

锻造法是应用较早的铝合金轮毂成形工艺之一。锻造铝合金轮毂的强度、韧性以及疲劳强度均显著优于铸造铝合金轮毂，并且还具有抗腐蚀性好、尺寸精确、加工量小、性能再现性强等优点。其主要采用Al-Mg合金和Al-Si-Mg合金，5xxx铝合金是车轮锻造中最常用的变形铝合金，主要包括：5052-O、5154-O、5454-O、5083-O、5086-O，5xxx锻造铝合金车轮抗腐蚀性能高，适宜制造在极端环境下工作的车轮。车轮制造中另外一种常用的铝合金是6061-T6，其Mg元素和Si元素形成的Mg2Si强化相可显著提高其力学性能，6061合金铸锭经565℃/4h——6h均匀化处理可使其绝大部分Mg与Si固溶于铝中，这样不仅可降低锻造温度，同时可改善锻造性能。龙伟等采用三维有限元软件Deform-3D模拟6061铝合金轮毂的锻压过程，分析对比轮毂不同位置的应力应变状态以及与力学性能之间的关系，结果显示轮毂中累积应力应变越大的位置，其力学性能相对应力应变小的位置更佳。

锻造铝合金具有比铸造铝合金更好的综合性能，但由于其成形工艺复杂、良品率低、制造成本高等原因，当前铝合金车轮制造仍以铸造为主。

挤压铸造也称为液态模锻，是集铸造和锻造特点于一体的工艺方法——将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上，使之充填、成形和结晶凝固，并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。优点：充型平稳，金属直接在压力下结晶凝固，所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷，且组织致密，机械性能比低压铸造件高且投资大大低于低压铸造法。缺点：与传统锻造产品一样，需要铣削加工来完成轮辐的造型。日本已有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产，从浇注金属液到取出铸件整个过程都由计算机来控制，自动化程度非常高。目前世界各国都把挤压铸造作为汽车铝轮圈生产的方向之一。

辊压成形工艺

辊压成形工艺是一种以若干滚轮转动将材料送入，同时顺次成形，获得所需断面产品的工艺。近年来，国外主流汽车厂商所开发的新车型中，辊压型钢零部件已占到60％，辊压门槛在国内合资品牌厂商应用也逐渐普及，如上汽通用、长安福特、上汽大众等，但这一技术在我国自主品牌汽车中才刚刚起步。众泰汽车作为我国自主品牌汽车的中坚力量，从2017年末提出，仅用一年时间便突破技术难关并应用在最新试制车型上。

相比传统冲压工艺技术，辊压成形工艺不仅能提高零部件合格率，同时还能有效提升性能，进而降低制造成本。

辊压成形工艺能大幅度的提高零部件生产的合格率，例如汽车的门槛边梁内板，一般都选用强度更强的高强钢。传统工艺下，这种钢材在冲压时单段应变过大，易产生回弹，且模具调试难度大，所以合格率不高。而辊压生产过程中，零件可分数十段成形，通过有限元计算分析得出的应变曲线图，可以看出各段应变峰值没有超过0.4%的极限应变，产品回弹更小，精度也更易控制。

汽车大型车门结构件的压铸工艺

汽车大型构件汽车大型构件常常起到支撑或承载负荷的作用，具有结构繁杂、外形尺寸较大、厚度不均等特征。同时，直接关系到汽车的行驶安全性，因而对其力学性能要求较高，详见表 1。

表1 汽车大型构件力学性能要求

通常为了获得良好的性能， 需对大型构件进行热处理。若要求与其他构件可靠衔接，工件还应具有较好的铆接、焊接性能等。

常规压铸工艺的弊端

常规的压铸生产过程中，由于合金液的快速充型, 使型腔与压室内部的气体难以排尽，这些气体卷入到合金液中， 将在铸件内部形成气孔缺陷。严重时，将使铸件丧失热处理与焊接性能。同时 ，若一些工艺因素未得到有效控制，在铸件内还会形成其他缺陷，工件品质较差。针对上述问题， 本课题结合汽车大型构件特征与长期的研究经验；对压铸生产中的模具设计、浇注系统、 真空充型及工艺改进等方面进行了深入的剖析；合理处理这些工艺要素，可提高铸件品质。

压铸工艺要点

模具设计

模具设计过程中，需把握6个要点：

①合理选取浇注位置、合金液填充方向与各组件的形状尺寸，确保合金液良好的流动性，建立其顺序凝固。

②在合金液汇流、铸件转角部位，合理设置排气口，尽量降低这些部位形成缺陷的可能。

③校核排气道面积，确保型腔排气顺畅。

④模具应能可靠密封，降低其对真空压铸的影响。

⑤合理设置冷却与加热装置，准确控制模温。

⑥制造模具之前，可借助仿真软件分析其充型、凝固特性；并根据仿真结果，对模具进行适当的优化。

浇注系统

常见的3种浇注方式如图1所示。经反复试验得到，浇注方式对铸件塑性具有重要影响。常规的顶注方式，容易发生合金液飞溅，卷气、合金氧化现象显著；同时，合金液之间存在严重的冲击，影响铸件组织品质，塑性较差。底注方式可有效减轻合金液扰动，没有合金液飞溅现象发生；铸件夹杂、缺陷减，其塑性明显提高。然而底注方式需对压铸机进行适当的调整，需配备专用的压室、模具；这样压铸机将失去通用性，无法用于其他压铸场合。

为了使铸件获得良好的塑性，可采取其他方法。如图1(c)所示，对顶注浇注系统进行改进。在不对压铸机进行特殊改造，便于生产转化的前提下，同样可达到提升铸件塑性的目的。

真空压铸

在压铸生产过程中，真空填充技术频繁使用。真空技术需着重注意3点：

①真空系统启动需及时 ，当冲头将浇料口封堵时立即进行抽真空。

②真空系统需要有足够的功率，可实现快速抽真空。

③当压室充满之前，必须满足一定的真空度要求，以防影响铸造品质。

通常， 铸件型腔内部绝对压力大于30kPa 时，其对铸件塑性基本无影响。

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而当其绝对压力处于10～15 kPa 区间时，随着真空度的提升，铸件塑性变化明显。同时 ， 真空度与铸件表面质量也直接相关，如图2所示。铸件内的气泡随着真空度的上升，呈逐渐减少的趋势。然而气泡并不对铸件伸长率起决定性因素。同时，高真空度可增加压铸工艺参数的选择区间。但高真空度提高了对真空设备的要求，将增加生产成本。

工艺综合优化

合理选取压射模式与参数， 有助于提高铸件品质。压铸件内约30%～50%的气体，来自于合金液在压室内部的预充填阶段；因此需要对慢压射阶段的压射模式进行合理设置， 尽可能防止合金液在压室内部形成卷气。并正确选取润滑剂与脱模剂，对喷涂工艺进行优化。精确控制模具温度，把冷却水分配于设备；对各冷却回路的温度与流量进行实施监控，使得模具温度分布满足要求。

模具设计合理，压铸工艺恰当，合金液充型模式理想， 可降低对真空度的要求， 获得品质良好的铸件。同时，对于铸件壁较厚或转角较大的部位，可实施局部增压技术；增加铸件密度，减少缩孔、缩松。可采用合金液前沿传感器，实施把握合金液流态；有助于充填模式优化。

汽车大型构件对强度、韧性等要求较高，对压铸生产中的模具设计、浇注系统、真空充型等工艺因素要准确把握， 所制备出的铸件可进行热处理。同时，其铆接、焊接性能良好，实现了汽车大型构件的批量化、工业化生产。

汽车防撞梁用铝合金

汽车防撞梁是撞击时吸收和缓和外界冲击力、保护车身及乘员安全功能的安全的重要装置，在保证汽车碰撞安全性及舒适性的前提下，既能有效减轻汽车自重，又能控制成本成为热门课题。通过合金成分优化，热处理工艺以及结构优化可减轻车身质量的同时满足其安全性能的要求，并且铝合金防撞梁有比钢材料防撞梁更加优异的吸能性能。

挤压是制造防撞梁的典型方法，也可以用板材通过弯曲折叠等加工而成，型材多用6063、7021、7029、9129等合金挤压。万银辉等采用有限元分析软件LS-DYNA分析6061铝合金防撞梁的碰撞性能，结果显示在相同的碰撞试验条件下铝合金横梁相比钢制防撞梁有更好的吸能性，且能够在较大的速度范围内保持较高的吸能性能。杨鄂川等采用有限元方法分析了汽车防撞梁冲压工艺对性能的影响，并优化其冲压工艺参数，工艺优化后板料成形的回弹及最小厚度均得到有效控制：防撞梁两端严重回弹区域明显减小，板料成形质量得到改善，尤其是侧壁和底面部分的拉延都更加充分，成型质量显著提升。

目前国内铝合金保险杠刚刚起步，一般横梁为铝合金吸能，底板等零部件多为钢。要提高保险杠横梁的防护能力则须提高其吸收能量的能力，材料吸能量的能力与材料的强度和厚度都呈正比。但在车身结构设计中，不可能通过无限增加钢材厚度达到提高材料吸能量的目的，因此，需要通过合理选材，优化结构设计等方法达到质量轻，便于拆装更换，维修简便；制造工艺要简单，成本低等要求。

研究表明经过合理设计的铝合金保险杠横梁不仅比钢制保险杠横梁更轻，而且可以吸收更多的能量。

徐中明徐等通过Hyperstudy和LS-DYNA优化防撞梁设计，设计梁吸能效果达到钢制防撞1.9倍铝合金防撞梁，且其减重效果达38.4%。冯源等研究的保险杠由横梁和吸能支架两部分组成，针对低速碰撞下保险杠横梁纵向抗弯性能不足的缺陷，通过优化其截面形状予以解决。汽车保险杠是汽车中重要的安全防护构件，制造商对保险杠的各项机械性能的要求往往比较高，汽车上的铝制保险杠防护构件的机械性能可通过热处理技术将其改善提高。

近年来随着铝合金技术的开发，由于，具有很高的吸收冲击能的能力，密度小耐高温，防火性能强，易加工，可进行表面涂装处理等特点的泡沫铝合金作为一种新型的铝合金材料而被用于制造汽车保险杠。固体泡沫铝合金在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板。用这种材料制造的汽车保险杠，能够将两车相撞时产生的大部分碰撞能吸收掉,从而保护了汽车的安全

汽车散热器用铝合金复合材料

铝合金复合材料是铝合金复合箔、复合带、复合板的统称，是制造汽车空调器、散热器、中冷器、油冷器、暖风机、干手器和空分设备等钎焊式热交换器的关键原材料。复合材料主要是由2~3种合金经叠合压延后制成的2~5层复合材，包覆层（皮材）多为高硅合金或低电位合金。其钎焊原理是：将铝合金复合材和其他管件、板件组成的换热器放入600℃左右的高温钎焊炉中，包覆层熔化，而基体不熔化，高硅合金材料通过虹吸作用和扩散机制使散热器翅片和换热器通道、换热片钎焊在一起，从而实现热交换作用。

汽车隔热用铝合金

铝合金发动机罩

铝合金在发动机罩上的应用也正逐步增多，应用最成功的是奥迪汽车公司。奥迪的轻铝车身技术是奥迪公司的一项核心技术，公司已在这一领域进行长达20年的研究和开发，其精湛的应用技术远远领先于其他汽车厂家。奥迪A8和A2在全球各国名协会和专业媒体的评比中屡获殊荣，至今已赢得40多项大奖．日本美洲豹(jaguar)也在从事全铝车身的开发和应用，2003年6月开始销售全铝车身的顶级轿车XJ。除此之外，丰田新皇冠、梅赛德斯—奔驰新E级车、标致307 4P的发动机罩，均采用了铝合金材料。

机油冷却器用、储气罐用铝合金

铝合金机油冷却器

汽车的冷气设备(冷凝器、蒸发器)、机油冷却器、散热器、暖风设备等热交换器中的冷凝器、蒸发器、空拎式机油冷却器几乎100％的用铝制造，铝散热器的难点是耐久性散热能力，耐久性主要是因腐蚀而漏水的问题，其原因是冷却液引起的内部腐蚀和盐类引起的外部腐蚀．向冷却水中添加防锈剂可防止内部腐蚀；对于盐类引起的外部腐蚀可采用表面处理和耐蚀合金来防止。