汽車輕量化-鋁合金材料的技術應用及加工工藝整合
2021年12月6日 14:54瀏覽：3724 評論：1 收藏：4
許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產中具有重要意義。當然，在汽車上廣泛應用的并不是上述簡單的二元合金，而是多種元素同時添加以獲得好的綜合性能。
汽車工業是鋁鑄件的主要市場，例如日本，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應用于發動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。
鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產要求較高強度鑄件時受到限制。為此在鑄件生產工藝上作了改進，鑄造鍛造法和半固態成型法將是未來較多用的工藝。
變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發動機散熱器、空調冷凝器、蒸發器、車輪、裝飾件和懸架系統零件等。
由于輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的應用正在擴大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身，比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg，引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達到31.3%，如在全鋁車身上，外板使用6000系列合金，內板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由于側門框對強度和剛度要求很高，使用以6N01合金為基礎、適當調整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內外板的。
轎車車身輕量化技術主要包括輕量化材料的使用、結構的輕量化設計以及先進的成形工藝應用。輕量化材料使用是車身輕量化的主流，主要分兩類：一類是采用高強度材料，如高強度鋼及高強度不銹鋼；另一類是輕質材料，如鋁/鎂合金、工程塑料、碳纖維、新型玻璃、陶瓷以及多種復合材料等。
鋁合金具有密度小（鋁的密度約為鋼的1/3）、質量輕、加工成形性好及可重復回收利用等特點。研究表明：與傳統鋼鐵相比，在達到同樣力學性能指標情況下，使用的鋁合金質量比鋼少60%；在承受同樣沖擊情況下，鋁合金板比鋼板多吸收50%的沖擊能量。基于鋁合金材料在汽車輕量化推進過程中的重要角色，其在汽車中的應用范圍也越來越廣，已經從最初的發動機缸體、變速器殼體和輪轂等擴展到了車體的各個重要零部件中。自然而然，這也就促使各汽車企業增強了對新型變形鋁合金材料的研發投入。安徽江淮汽車股份有限公司（以下簡稱“江淮”）部分車身用鋁合金板件見表1。
鋁合金具有質量輕、抗腐蝕能力強、耐用性好及減少行人撞擊傷害等顯著的優點。用于汽車車身板的鋁合金主要有2000系、5000系、6000系和7000系合金。其中，5系列、6系列最適合代替鋼板：5系是熱處理不可強化合金，成形性能良好，可用于形狀復雜的車身零件，主要用于內覆蓋件；6系是熱處理可強化合金，適用于外板等強度、剛度要求高的部位，主要用于汽車外覆蓋件。
車身輕量化材料的應用在達到了減輕車身重量的同時，也對相應連接技術提出了更高的要求。車身的傳統焊接方法一般為點焊及CO2焊，其中電阻點焊工藝在車身制造中約占75%，應用較為廣泛。電阻點焊對于異種金屬的焊接質量很難保證，尤其是鋁、鎂合金材料的焊接，鋁電阻比鋼小，導熱系數大，電阻點焊時需要用到4倍于點焊鋼材的電流，能源消耗較大且焊接質量很難保證；傳統的CO2焊接無法很好地節約異種金屬的焊接問題，同時無法保證薄板的焊接質量，焊后易變形。
SPR是一種用于兩種或兩種以上金屬板材的冷連接技術。如圖2鉚釘在外力作用下，通過穿透第一層材料和中間層材料，并在底層材料中進行流動延展，形成相互鑲嵌的永久塑性變形的鉚釘連接過程。連接后一側較為平整，一側凸起一個圓柱。
SPR作為機械冷成形連接技術，其優勢為：可實現多種材料的連接；鋁鉚接點的強度高于等厚鋁的點焊強度；工藝時間可控制在4 s內。SPR的局限性為：需要雙側進q空間，不同材料組合需要不同的鉚釘，設備昂貴，一套設備投資成本90萬元左右。
（1）可以連接不同材質、不同厚度、不同強度的兩層或多層板材組合，是不同種類輕量化材料之間連接的最佳連接工藝之一；
（2）無熱效應，可以用于涂層或鍍層板材連接而不會破壞其涂鍍層；
（3）與傳統鉚接工藝相比，生產效率高，設備投資少，能耗成本低；
（4）安全環保，鉚接時無熱量、無煙煙、無火花、無粉塵或碎屑等產生；
（5）鉚接質量持續穩定，重復性高，鉚接點質量可通過目視進行檢查；
自沖鉚接設備一般分為液壓系統和電動伺服式系統兩種，其中電動伺服式系統具有鉚接質量好、工作效率高、結構設計簡單可靠、連續工作能力強及設備壽命長等諸多優點，目前在鋁合金車身上得以廣泛應用。為了滿足使用要求，一套完整的電動伺服式自沖鉚接系統包含自沖鉚接控制系統、自沖鉚接執行系統兩個大的部分組成，自沖鉚接執行系統又包含動力提供機構、傳動機構、C型鉗、鉚鼻組件、從動力機構、棘輪供釘系統、鉚模及支撐件等附件組成。
江淮也開展了對鋁合金發蓋內外板的工藝開發與研究，圖3為發蓋內板總成自沖鉚實物。以發蓋內板為例，原內板材質為DC03，零件重量為10.563 kg，材質變更為5182鋁合金后，零件重量為5.184 kg，減重比達到50.92%。
CMT是一種全新的MIG/MAG焊接工藝，焊接熱輸入極低，可以焊接薄至0.3 mm的板材，并可以實現鋼與鋁的異種連接。CMT是基于短路過渡方式發展而成的，CMT過渡通過焊絲機械回抽方式來幫助熔滴過渡，工藝過程可以被精確控制，短路過渡周期恒定，不受隨機變量影響，由于CMT熔滴過渡時電流幾乎為零，減少了飛濺，焊接質量高，CMT技術工藝原理見圖4，其原理為鋁一側為熔接，鋼一側為釬焊連接，母材未熔化；要求鍍鋅板的鍍鋅層的厚度（> 10?μm）。
鋼與鋁連接的主要問題是接頭處容易形成脆性相，脆性相越少接頭性能越好。決定脆性相的一個主要因素是焊接時熱輸入量，熱輸入量越低，脆性相產生的越少。所以CMT工藝可以很好的實現鋼與鋁的焊接。焊縫外觀實物圖如圖6所示。
激光焊接是以激光作為能量載體的一種高能量密度焊接方法，激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。其中鋁合金激光焊接目前應用也越來越廣泛。
鋁合金激光焊接技術的特點包括：需要采用鋁制焊絲；非接觸焊接，變形小；焊接質量好，焊縫強度等于或超過母材強度；可實現不同型號、異種金屬之間的焊接，尤其適用于（超）高強度鋼板、鋁合金；搭接邊較傳統點焊縮短，有利于車身輕量化及降成本。
汽車工業發展程度是一個國家發達程度的重要標志之一，汽車輕量化是汽車行業發展的必然趨勢。要實現車身輕量化，在車身設計結構優化、新材料研究應用的前提下，關鍵要解決新材料的連接技術問題，目前鋁合金連接技術日趨成熟，相應的連接工藝均得到了有效驗證。
車輪是車輛承載重要部件，它除了受正壓力外，還承受因車輛啟動、制動時扭矩的交互作用，以及行駛過程中轉彎、沖擊等來自各個方向的不規則受力，車輪在高速旋轉中，還影響車輛的平穩性、操作性等性能。車輪的質量與汽車的多種性能密切相關，整車的安全性和可靠性很大程度取決于所裝車輪的性能和使用壽命。
鋁合金汽車輪轂與鋼制汽車輪轂相比，能夠更好地滿足良好的耐磨耐老化和良好的氣密性，良好的均勻性和質量平衡，較小的滾動阻力和行駛噪聲，精美的外觀和裝飾性，尺寸精度高，質量輕且不平衡度小，耐疲勞性好，折裝方便，互換性好等要求。
目前轎車輪轂普遍采用鋁合金材料，但是，卡車、大巴等重載汽車由于重載汽車載重大、對車輪的綜合性能要求高，大部分仍采用鋼制車輪。
制造鋁合金輪圈的原材料A356鋁錠
鋁合金車輪的制造工藝主要有：鑄造法、鍛造法、沖壓法、旋壓法、半固態模鍛法等，其中較為常用的成型方法主要是鑄造法和鍛造法。
低壓鑄造主要采用Al-Si-Mg系合金。普通鑄造鋁合金輪轂能夠滿足轎車用輪轂的性能要求，但不能滿卡車、大巴等重載汽車對輪轂的要求。馬春江等將普通鑄造鋁合金輪轂和擠壓鑄造鋁合金的組織和力學性能進行對比，結果顯示擠壓鋁合金輪轂的力學性能高于鑄造鋁合金輪轂，且擠壓鑄造鋁合金輪轂的彎曲疲勞性能、徑向疲勞性能、耐沖擊性能都能滿足重載汽車使用要求。
重力鑄造簡單的說，主要是靠鋁水自身的重力來沖填鑄模，是一種較為早期的鑄造方法。該法成本低、工序簡單且生產效率高，然而，澆注過程中夾雜物易卷入鑄件，有時還會卷入氣體，形成氣孔缺陷。重力鑄造生產的輪圈易產生縮孔縮松且內部質量較差，此外，鋁液流動性的限制也有可能導致造型復雜的輪轂良品率低。因此，汽車輪圈制造業已經很少使用該工藝了。
鍛造法是應用較早的鋁合金輪轂成形工藝之一。鍛造鋁合金輪轂的強度、韌性以及疲勞強度均顯著優于鑄造鋁合金輪轂，并且還具有抗腐蝕性好、尺寸精確、加工量小、性能再現性強等優點。其主要采用Al-Mg合金和Al-Si-Mg合金，5xxx鋁合金是車輪鍛造中最常用的變形鋁合金，主要包括：5052-O、5154-O、5454-O、5083-O、5086-O，5xxx鍛造鋁合金車輪抗腐蝕性能高，適宜制造在極端環境下工作的車輪。車輪制造中另外一種常用的鋁合金是6061-T6，其Mg元素和Si元素形成的Mg2Si強化相可顯著提高其力學性能，6061合金鑄錠經565℃/4h——6h均勻化處理可使其絕大部分Mg與Si固溶于鋁中，這樣不僅可降低鍛造溫度，同時可改善鍛造性能。龍偉等采用三維有限元軟件Deform-3D模擬6061鋁合金輪轂的鍛壓過程，分析對比輪轂不同位置的應力應變狀態以及與力學性能之間的關系，結果顯示輪轂中累積應力應變越大的位置，其力學性能相對應力應變小的位置更佳。
鍛造鋁合金具有比鑄造鋁合金更好的綜合性能，但由于其成形工藝復雜、良品率低、制造成本高等原因，當前鋁合金車輪制造仍以鑄造為主。
擠壓鑄造也稱為液態模鍛，是集鑄造和鍛造特點于一體的工藝方法——將一定量的金屬液體直接澆入敞開的金屬型內，通過沖頭以一定的壓力作用于液體金屬上，使之充填、成形和結晶凝固，并在結晶過程中產生一定量的塑性變形。優點：充型平穩，金屬直接在壓力下結晶凝固，所以鑄件不會產生氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷，且組織致密，機械性能比低壓鑄造件高且投資大大低于低壓鑄造法。缺點：與傳統鍛造產品一樣，需要銑削加工來完成輪輻的造型。日本已有相當部分的汽車鋁輪轂采用擠壓鑄造工藝生產，從澆注金屬液到取出鑄件整個過程都由計算機來控制，自動化程度非常高。目前世界各國都把擠壓鑄造作為汽車鋁輪圈生產的方向之一。
輥壓成形工藝是一種以若干滾輪轉動將材料送入，同時順次成形，獲得所需斷面產品的工藝。近年來，國外主流汽車廠商所開發的新車型中，輥壓型鋼零部件已占到60％，輥壓門檻在國內合資品牌廠商應用也逐漸普及，如上汽通用、長安福特、上汽大眾等，但這一技術在我國自主品牌汽車中才剛剛起步。眾泰汽車作為我國自主品牌汽車的中堅力量，從2017年末提出，僅用一年時間便突破技術難關并應用在最新試制車型上。
相比傳統沖壓工藝技術，輥壓成形工藝不僅能提高零部件合格率，同時還能有效提升性能，進而降低制造成本。
輥壓成形工藝能大幅度的提高零部件生產的合格率，例如汽車的門檻邊梁內板，一般都選用強度更強的高強鋼。傳統工藝下，這種鋼材在沖壓時單段應變過大，易產生回彈，且模具調試難度大，所以合格率不高。而輥壓生產過程中，零件可分數十段成形，通過有限元計算分析得出的應變曲線圖，可以看出各段應變峰值沒有超過0.4%的極限應變，產品回彈更小，精度也更易控制
汽車大型構件汽車大型構件常常起到支撐或承載負荷的作用，具有結構繁雜、外形尺寸較大、厚度不均等特征。同時，直接關系到汽車的行駛安全性，因而對其力學性能要求較高，詳見表 1。
通常為了獲得良好的性能， 需對大型構件進行熱處理。若要求與其他構件可靠銜接，工件還應具有較好的鉚接、焊接性能等。
常規的壓鑄生產過程中，由于合金液的快速充型, 使型腔與壓室內部的氣體難以排盡，這些氣體卷入到合金液中， 將在鑄件內部形成氣孔缺陷。嚴重時，將使鑄件喪失熱處理與焊接性能。同時 ，若一些工藝因素未得到有效控制，在鑄件內還會形成其他缺陷，工件品質較差。針對上述問題， 本課題結合汽車大型構件特征與長期的研究經驗；對壓鑄生產中的模具設計、澆注系統、 真空充型及工藝改進等方面進行了深入的剖析；合理處理這些工藝要素，可提高鑄件品質。
①合理選取澆注位置、合金液填充方向與各組件的形狀尺寸，確保合金液良好的流動性，建立其順序凝固。
②在合金液匯流、鑄件轉角部位，合理設置排氣口，盡量降低這些部位形成缺陷的可能。
⑥制造模具之前，可借助仿真軟件分析其充型、凝固特性；并根據仿真結果，對模具進行適當的優化。
常見的3種澆注方式如圖1所示。經反復試驗得到，澆注方式對鑄件塑性具有重要影響。常規的頂注方式，容易發生合金液飛濺，卷氣、合金氧化現象顯著；同時，合金液之間存在嚴重的沖擊，影響鑄件組織品質，塑性較差。底注方式可有效減輕合金液擾動，沒有合金液飛濺現象發生；鑄件夾雜、缺陷減，其塑性明顯提高。然而底注方式需對壓鑄機進行適當的調整，需配備專用的壓室、模具；這樣壓鑄機將失去通用性，無法用于其他壓鑄場合。
為了使鑄件獲得良好的塑性，可采取其他方法。如圖1(c)所示，對頂注澆注系統進行改進。在不對壓鑄機進行特殊改造，便于生產轉化的前提下，同樣可達到提升鑄件塑性的目的。
在壓鑄生產過程中，真空填充技術頻繁使用。真空技術需著重注意3點：
①真空系統啟動需及時 ，當沖頭將澆料口封堵時立即進行抽真空。
③當壓室充滿之前，必須滿足一定的真空度要求，以防影響鑄造品質。
通常， 鑄件型腔內部絕對壓力大于30kPa 時，其對鑄件塑性基本無影響。
而當其絕對壓力處于10～15 kPa 區間時，隨著真空度的提升，鑄件塑性變化明顯。同時 ， 真空度與鑄件表面質量也直接相關，如圖2所示。鑄件內的氣泡隨著真空度的上升，呈逐漸減少的趨勢。然而氣泡并不對鑄件伸長率起決定性因素。同時，高真空度可增加壓鑄工藝參數的選擇區間。但高真空度提高了對真空設備的要求，將增加生產成本。
合理選取壓射模式與參數， 有助于提高鑄件品質。壓鑄件內約30%～50%的氣體，來自于合金液在壓室內部的預充填階段；因此需要對慢壓射階段的壓射模式進行合理設置， 盡可能防止合金液在壓室內部形成卷氣。并正確選取潤滑劑與脫模劑，對噴涂工藝進行優化。精確控制模具溫度，把冷卻水分配于設備；對各冷卻回路的溫度與流量進行實施監控，使得模具溫度分布滿足要求。
模具設計合理，壓鑄工藝恰當，合金液充型模式理想， 可降低對真空度的要求， 獲得品質良好的鑄件。同時，對于鑄件壁較厚或轉角較大的部位，可實施局部增壓技術；增加鑄件密度，減少縮孔、縮松。可采用合金液前沿傳感器，實施把握合金液流態；有助于充填模式優化。
汽車大型構件對強度、韌性等要求較高，對壓鑄生產中的模具設計、澆注系統、真空充型等工藝因素要準確把握， 所制備出的鑄件可進行熱處理。同時，其鉚接、焊接性能良好，實現了汽車大型構件的批量化、工業化生產。
汽車防撞梁是撞擊時吸收和緩和外界沖擊力、保護車身及乘員安全功能的安全的重要裝置，在保證汽車碰撞安全性及舒適性的前提下，既能有效減輕汽車自重，又能控制成本成為熱門課題。通過合金成分優化，熱處理工藝以及結構優化可減輕車身質量的同時滿足其安全性能的要求，并且鋁合金防撞梁有比鋼材料防撞梁更加優異的吸能性能。
擠壓是制造防撞梁的典型方法，也可以用板材通過彎曲折疊等加工而成，型材多用6063、7021、7029、9129等合金擠壓。萬銀輝等采用有限元分析軟件LS-DYNA分析6061鋁合金防撞梁的碰撞性能，結果顯示在相同的碰撞試驗條件下鋁合金橫梁相比鋼制防撞梁有更好的吸能性，且能夠在較大的速度范圍內保持較高的吸能性能。楊鄂川等采用有限元方法分析了汽車防撞梁沖壓工藝對性能的影響，并優化其沖壓工藝參數，工藝優化后板料成形的回彈及最小厚度均得到有效控制：防撞梁兩端嚴重回彈區域明顯減小，板料成形質量得到改善，尤其是側壁和底面部分的拉延都更加充分，成型質量顯著提升。
目前國內鋁合金保險杠剛剛起步，一般橫梁為鋁合金吸能，底板等零部件多為鋼。要提高保險杠橫梁的防護能力則須提高其吸收能量的能力，材料吸能量的能力與材料的強度和厚度都呈正比。但在車身結構設計中，不可能通過無限增加鋼材厚度達到提高材料吸能量的目的，因此，需要通過合理選材，優化結構設計等方法達到質量輕，便于拆裝更換，維修簡便；制造工藝要簡單，成本低等要求。
研究表明經過合理設計的鋁合金保險杠橫梁不僅比鋼制保險杠橫梁更輕，而且可以吸收更多的能量。
徐中明徐等通過Hyperstudy和LS-DYNA優化防撞梁設計，設計梁吸能效果達到鋼制防撞1.9倍鋁合金防撞梁，且其減重效果達38.4%。馮源等研究的保險杠由橫梁和吸能支架兩部分組成，針對低速碰撞下保險杠橫梁縱向抗彎性能不足的缺陷，通過優化其截面形狀予以解決。汽車保險杠是汽車中重要的安全防護構件，制造商對保險杠的各項機械性能的要求往往比較高，汽車上的鋁制保險杠防護構件的機械性能可通過熱處理技術將其改善提高。
近年來隨著鋁合金技術的開發，由于，具有很高的吸收沖擊能的能力，密度小耐高溫，防火性能強，易加工，可進行表面涂裝處理等特點的泡沫鋁合金作為一種新型的鋁合金材料而被用于制造汽車保險杠。固體泡沫鋁合金在汽車制造中的應用多為三明治式的三夾板。用這種材料制造的汽車保險杠，能夠將兩車相撞時產生的大部分碰撞能吸收掉,從而保護了汽車的安全
鋁合金復合材料是鋁合金復合箔、復合帶、復合板的統稱，是制造汽車空調器、散熱器、中冷器、油冷器、暖風機、干手器和空分設備等釬焊式熱交換器的關鍵原材料。復合材料主要是由2~3種合金經疊合壓延后制成的2~5層復合材，包覆層（皮材）多為高硅合金或低電位合金。其釬焊原理是：將鋁合金復合材和其他管件、板件組成的換熱器放入600℃左右的高溫釬焊爐中，包覆層熔化，而基體不熔化，高硅合金材料通過虹吸作用和擴散機制使散熱器翅片和換熱器通道、換熱片釬焊在一起，從而實現熱交換作用。
鋁合金在發動機罩上的應用也正逐步增多，應用最成功的是奧迪汽車公司。奧迪的輕鋁車身技術是奧迪公司的一項核心技術，公司已在這一領域進行長達20年的研究和開發，其精湛的應用技術遠遠領先于其他汽車廠家。奧迪A8和A2在全球各國名協會和專業媒體的評比中屢獲殊榮，至今已贏得40多項大獎．日本美洲豹(jaguar)也在從事全鋁車身的開發和應用，2003年6月開始銷售全鋁車身的頂級轎車XJ。除此之外，豐田新皇冠、梅賽德斯—奔馳新E級車、標致307 4P的發動機罩，均采用了鋁合金材料。
汽車的冷氣設備(冷凝器、蒸發器)、機油冷卻器、散熱器、暖風設備等熱交換器中的冷凝器、蒸發器、空拎式機油冷卻器幾乎100％的用鋁制造，鋁散熱器的難點是耐久性散熱能力，耐久性主要是因腐蝕而漏水的問題，其原因是冷卻液引起的內部腐蝕和鹽類引起的外部腐蝕．向冷卻水中添加防銹劑可防止內部腐蝕；對于鹽類引起的外部腐蝕可采用表面處理和耐蝕合金來防止。
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