倪煬 董學(xué)鋒

摘要：基于鋁合金在汽車零件上應(yīng)用的探究，綜述了鋁材企業(yè)分布、鋁合金成分元素及性能、工藝等方面基本概況，統(tǒng)計(jì)了鋁材在汽車上的商品化應(yīng)用，特別是在車身上的應(yīng)用現(xiàn)狀，證明了鋁在汽車應(yīng)用的優(yōu)越性及適用性，并總結(jié)了鋁質(zhì)零件與異同種材料連接的常用方法。研究顯示，高性能鋁的研發(fā)相較外企有待加強(qiáng)，汽車用材多樣化在輕量化領(lǐng)域不斷拓展，但鋁材的應(yīng)用仍是主流。

關(guān)鍵詞：鋁合金 汽車零件 連接

中圖分類號(hào)：U465.2??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B????DOI：?10.19710/J.cnki.1003–8817.20220211

Brief analysis on development and application of automotive aluminum

Ni Yang¹， Dong Xuefeng²

（1.?State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Department of Engineering Mechanics， Dalian University of Technology， Dalian 116024;?2.?Zhejiang Hezhong New Energy Automobile Co.， Ltd.， Huzhou 313000）

Abstract： Based on the exploration of the application of aluminum alloy in automobile parts， the basic situation of aluminum enterprise distribution， aluminum alloy composition elements， properties and processes are summarized. The commercialized application of aluminum in automobiles， especially in car bodies， is summarized. This paper proves the superiority and applicability of aluminum in automobile application， and summarizes the common methods of connecting aluminum parts with different and same materials. Research shows that the research and development of high-performance aluminum needs to be strengthened compared to foreign companies， and the diversification of automotive materials is constantly expanding in the field of lightweight， but the application of aluminum is still mainstream.

Key words： aluminum alloy; Automobile parts; connection

1 前言

不論是“節(jié)能減排”還是“碳達(dá)峰，碳中和”，都是圍繞“環(huán)?！边@一時(shí)代主題，汽車輕量化始終是汽車節(jié)能減排的有效途徑之一，因此汽車輕量化也一直受到汽車行業(yè)的重視，汽車不論如何“智能化，網(wǎng)聯(lián)化”，動(dòng)力的能源形式如何“改變”，使用新能源，它總要有“肢體”的實(shí)體部件，如何使得各部件“更輕”是永恒的設(shè)計(jì)追求，因此輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用也一直備受青睞，輕質(zhì)材料在汽車上的占比也越來越高。鋁材作為在汽車上應(yīng)用較早較廣的輕質(zhì)材料，鋁有比鋼更輕的質(zhì)量、比鎂更好的耐腐蝕性、和比碳纖維更低的成本，鋁合金目前仍是汽車輕量化最優(yōu)選的輕質(zhì)材料之一。根據(jù)美國鋁業(yè)學(xué)會(huì)的報(bào)告，汽車中每使用1 kg鋁，可以獲得2.2?kg的減重效果^[1]，且服役期內(nèi)將減少20 kg尾氣排放。對(duì)汽車而言，若整車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，尾氣排放將減少5%～6%^[2]。鋁合金材料的優(yōu)勢(shì)眾多，資源豐富，密度相對(duì)于鋼更小，耐腐蝕性好，成形性能較高，易于回收，且安全性較高，是汽車用材的首選材料^[3]。

由于鋁合金材料所具有的優(yōu)勢(shì)，使鋁合金在汽車上的應(yīng)用范圍越來越廣，從鋁制散熱器、鋁制車輪、鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、鋁制底盤轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂、再到鋁艙蓋、鋁車門、鋁制車身本體等，實(shí)現(xiàn)局部到整體的跨越，鋁合金已成目前汽車輕量化主要用材，前景廣闊。

2 鋁材產(chǎn)業(yè)分布及鋁材產(chǎn)品

2.1 鋁材的產(chǎn)業(yè)分布

性能優(yōu)越的鋁合金隨著其制鋁技術(shù)的提高及應(yīng)用的拓展，鋁產(chǎn)品已滲透到人們生產(chǎn)及生活的各個(gè)領(lǐng)域，高性能鋁合金的研發(fā)也如火如荼，在當(dāng)前的電池能量密度水平下，受續(xù)駛里程的壓力，電動(dòng)汽車的整備質(zhì)量已經(jīng)超出了傳統(tǒng)燃油車的范圍，因此電動(dòng)車的輕量化顯得更重要。為深入了解鋁材的生產(chǎn)及在汽車上的產(chǎn)品應(yīng)用，對(duì)全球鋁材的產(chǎn)業(yè)分布進(jìn)行了調(diào)研與梳理。

2.1.1?全世界主要的鋁產(chǎn)業(yè)分布

諾貝麗斯和海德魯分別為國際變形鋁合金板材和型材生產(chǎn)廠的典型代表，兩家鋁材料制造商在北美、歐洲及亞洲都有建廠，并為多家汽車廠商供貨，其中諾貝麗斯在紐約奧斯威戈、德國科布倫茨、德國哥廷根、英國拉契福、巴西烏廷加、中國的常州都有鋁板生產(chǎn)廠，可為寶馬、奧迪、特斯拉等車企以及在中國的汽車廠家供貨，國際上的主要鋁供貨商及洲分布情況見表1。中國的鋁廠也有幾家，也在持續(xù)為汽車行業(yè)發(fā)力，比如：忠旺、中鋁、云鋁、西南鋁、南山鋁。

2.1.2?中國主要鋁材產(chǎn)業(yè)分布

相比而言，中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司在中國的產(chǎn)業(yè)分布最廣，加工廠地所在城市有哈爾濱、沈陽、定西、成都、重慶以及福州，可基本實(shí)現(xiàn)了全國的全方位供貨。另有遼陽的忠旺集團(tuán)、龍口的南山集團(tuán)有限公司、重慶的西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，昆明的云南鋁業(yè)股份有限公司等，國內(nèi)的鋁業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)一片欣欣向榮的姿態(tài)。

2.2 鋁材分類、成分及性能

2.2.1 鋁材分類

材料的成分及其微觀組織決定了材料的本質(zhì)性能，為獲得不同的材料性能，通常要控制各元素的占比，依據(jù)鋁合金各主要元素的占比不同，將鋁合金分為1系～8系，并隨著添加元素的固有特性改變組織形態(tài)，形成性能各異的變型鋁。其主要系別、特點(diǎn)及在汽車上的適用范圍見表2。

2.2.2?鋁合金成分

鋁合金指的是在鋁中添加其他一定元素，仍保有鋁性能特點(diǎn)的合金。為滿足汽車輕量化的要求，鋁質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用率在不斷提高，也基本成為汽車減重的首選材料，但隨著汽車性能的要求越來越高，以及在汽車上的應(yīng)用范圍越來越廣，對(duì)鋁制汽車零件的高性能要求更加苛刻，在保證汽車性能的前提下，盡量降低汽車的整備質(zhì)量，因此各大鋁材生產(chǎn)商紛紛研發(fā)具有高性能的鋁合金，也在控制成分、保持一致性、及工藝過程的精準(zhǔn)性等方方面面進(jìn)行細(xì)致的研究，從而得到理想的微觀組織，以獲得良好的性能指標(biāo)和一致性；圖1是某著名廠家的6系及7系鋁合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比范圍。其中Si能改善流動(dòng)性能；Cu能提高強(qiáng)度和硬度，但降低耐蝕性和韌性；Mg能提高屈服極限和耐蝕性，但鑄造性能差；Zn能提高鑄造性能和機(jī)械性能，但增加熱脆性，降低耐蝕性。每一種元素都有其優(yōu)劣勢(shì)，合理的配置能有效提高合金的性能。

2.2.3?鋁合金的性能

汽車用鋁需要“按需選材”，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部件所在位置的性能要求不同，選用合適的鋁合金材料，以達(dá)到安全輕質(zhì)的效果。就汽車結(jié)構(gòu)部件而言，最受關(guān)注的材料性能是“強(qiáng)度”和“延伸率”，對(duì)所搜集到的相關(guān)資料進(jìn)行整理，得到當(dāng)前不同系別鋁合金的性能范圍如圖2所示。

3 鋁產(chǎn)品工藝及分類

車用鋁的需求隨著新能源汽車的發(fā)展而加速，與傳統(tǒng)的鋼制件相比，鋁延展性較差，故成形同樣復(fù)雜零件的良品率不高，所以在研發(fā)高性能鋁材料的同時(shí)，還需要選擇合適的制造工藝，目前汽車鋁合金零部件常用的制造工藝有3種（鑄造、擠壓、沖壓），汽車部件的常用工藝如圖3所示。

3.1 鑄鋁

鑄鋁是一種將純鋁（或鋁合金）錠按標(biāo)準(zhǔn)的成份比例配制后，經(jīng)過加熱將其變成鋁合金液體或熔融狀態(tài)后再通過專有模具或相應(yīng)工藝將鋁液或熔融狀態(tài)的鋁合金澆注進(jìn)型腔，經(jīng)冷卻形成所需要形狀鋁件的一種工藝方法。常用的鑄造工藝有多種，如砂鑄、壓鑄、消失模鑄造等等，適合復(fù)雜零件的成型，但鑄造存在氣孔和縮松等缺陷^[4]，為消除或減少氣孔等缺陷，對(duì)于要求較高的部件（比如汽車上的部件），通常選擇壓力鑄造；其中真空壓鑄的優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用、特別關(guān)注內(nèi)容及工藝流程見圖4。

技術(shù)瓶頸的不斷突破及大膽的應(yīng)用嘗試，推進(jìn)了鋁合金材料在汽車上應(yīng)用范圍的拓寬，比如2015年奧迪Q7在車身的角接處應(yīng)用了大量的小型鋁鑄件（如前懸架固定座、后縱梁、后背三角脊、前底梁加強(qiáng)板），而現(xiàn)今特斯拉推出的一體鑄造技術(shù)，把大型的鋁鑄件成功應(yīng)用于車身的后部，在車身部件的應(yīng)用上石破天驚，基本實(shí)現(xiàn)了車身后下骨架半邊的一體化鑄造。如圖5所示。自沖鉚連接在汽車鑄鋁零部件中得到了廣泛地應(yīng)用，需注意的是硬度高、強(qiáng)度高、延展性差的材料放在上層，強(qiáng)度低、硬度低、延展性好的材料放在底層；未經(jīng)過熱處理的底層材料，允許的最高強(qiáng)度不高于600?MPa，底層材料延展性不小于12%；鉚接點(diǎn)間距不可過小，至少應(yīng)大于鉚接點(diǎn)半徑和鉚模半徑之和，或大于30?mm。

3.2 擠壓鋁

鋁型材是按設(shè)計(jì)所需的截面形狀，有一定長度的鋁合金材料成品，鋁型材的生產(chǎn)過程是由調(diào)好合金成分鋁棒材（通常是鑄造成型），按擠壓盛錠筒的限定長度鋸切成段，作為擠壓過程的坯料，通過熱熔（在加熱爐中變軟，鋁合金的熔化溫度約660 ℃，在擠壓過程一般加熱到375～500 ℃），液壓機(jī)通過擠壓桿對(duì)盛錠筒內(nèi)的柔軟鋁坯料進(jìn)行擠壓，受到盛錠筒筒壁的制約，柔軟的鋁合金只能從模具的成型孔到最終成型端出來，得到所需的形狀，為獲得良好的性能，后續(xù)還要進(jìn)行熱處理、時(shí)效處理等工序。鋁材料氧化后耐臟，且采用配套鋁型材時(shí)，減少了焊接，方便運(yùn)輸，擠壓鋁型材的優(yōu)勢(shì)、特別關(guān)注內(nèi)容及工藝見圖6。

在全鋁電動(dòng)汽車上，鋁型材的占比約為10%～11%，故眾多大型鋁廠投入到新型擠壓鋁材的研究中，主要包括挪威海德魯公司HHS合金、肯聯(lián)鋁業(yè)HSA6合金、奧科寧克公司的M648和6563合金以及日本的7003合金。主要應(yīng)用于汽車的護(hù)欄、電池托盤^[6]及副車架^[7]。

3.3 沖壓鋁

沖壓鋁是通過模具沖壓成形的，其效率高，適合于較為簡單的零件成形。為了保證板材最終性能，可對(duì)成品進(jìn)行退火、固溶處理、淬火、自然時(shí)效和人工時(shí)效處理，以提升板料的強(qiáng)度等性能。鋁合金沖壓件具有可塑性好，加工性好，生產(chǎn)效率高，沖壓操作簡單，沖壓尺寸和精度高等優(yōu)點(diǎn)，且加工范圍大，材料消耗小。但與鋼板相比，有一些不足之處，見圖7。

沖壓加工的三要素為板料、模具和設(shè)備。其按照溫度加工分為熱沖壓和冷沖壓。熱沖壓適合變形抗力高，塑性較差的板料加工；冷沖壓則在室溫下進(jìn)行，是薄板常用的沖壓方法。其中熱成形技術(shù)使得材料在高溫下流動(dòng)阻力減小，易于成形較復(fù)雜的零件，并且降低了產(chǎn)品的回彈率。其工藝流程圖見圖8。

激光拼焊沖壓技術(shù)是將不同厚度、不同材料的板件整體制造，實(shí)現(xiàn)一體化成形，提高生產(chǎn)效率，降低成本，同時(shí)減少了加強(qiáng)板，實(shí)現(xiàn)輕量化^[8]。

4 鋁合金在車身上的應(yīng)用

鋁合金因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、易回收利用等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件中。通過對(duì)歷年鋁合金在車身上的應(yīng)用情況看，為了實(shí)現(xiàn)更輕更安全，高性能的鋁合金板材也在不斷推陳出新。

根據(jù)車身不同部位的不同要求，選用不同系別的鋁合金，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3：汽車的四門兩蓋主要選用的是5、6系鋁板；前后保險(xiǎn)杠橫梁選用鋁型材較多，懸架固定座主要選用壓鑄鋁等。

出于熱膨冷縮基本相同的考量，總成的內(nèi)外板通常都選用同一種材料，而且選用同一種材料有利于材料的回收利用，比如鋁制四門兩蓋的內(nèi)外板都是鋁板，表3中內(nèi)外件數(shù)的差異是有單件和內(nèi)外板是兩種材料的特例，若用不同的材質(zhì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上要考慮溫度變化下如何消除熱脹冷縮的不同。歐洲車身年會(huì)展示的特例有：阿斯頓·馬丁DB11的機(jī)艙蓋無內(nèi)板；謳歌NSX的行李箱蓋外板是熱固性塑料，內(nèi)板是鋁合金板；奔馳S-Class的外板是鋁合金板，而內(nèi)板是高強(qiáng)鋼板，雷克薩斯及LC Convertible的外板都是鋁合金板，內(nèi)板都是熱固性塑料。從表3中也可以看出采用6系鋁合金比5系多些，從多年的展示產(chǎn)品看，在輕質(zhì)材料的應(yīng)用中，鋁合金當(dāng)屬最多，其它輕質(zhì)材料較少。從這可以觀察到目前階段汽車輕量化用材發(fā)展是仍以鋁合金為主，其他材料為輔的多材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的應(yīng)用。

5 連接技術(shù)

為適應(yīng)輕量化的需求，鋁合金及更輕質(zhì)的鎂合金、碳纖維復(fù)合材料等在車身上的應(yīng)用越來越多。即合適的材料用在合適的地方，而多種材料在車身上的應(yīng)用所引發(fā)的異種材料連接也是多樣的，比如機(jī)械連接中的自沖鉚（SPR）、流鉆螺釘、高速射釘、無鉚連接等；焊接中的攪拌摩擦焊、還有膠接等在車身異種材料的連接中的都很常見，根據(jù)相關(guān)資料的內(nèi)容，整理鋁材與其它材料的常用連接方式如表4所示。

連接方式的選擇是依據(jù)材料本身的性質(zhì)的，同種材料之間的連接因熱膨脹系數(shù)相同，可選擇的連接方式較多，而異種材料之間的連接，如焊接時(shí)，會(huì)因熱膨脹系數(shù)不同，材料的收縮率不一樣，從而產(chǎn)生焊縫及殘余應(yīng)力，且若是復(fù)合材料這種對(duì)溫度比較敏感的，不適宜熱連接。

6 結(jié)論

以節(jié)能減排為目標(biāo)的汽車輕量化進(jìn)程的不斷加快，也促使鋁合金的應(yīng)用越來越廣泛，通過調(diào)研與分析得出結(jié)論如下：

• 汽車用鋁量會(huì)進(jìn)一步提升，中國鋁業(yè)能夠較好地滿足需求，但在高性能鋁的研發(fā)上較外企仍有一定的差距；
• 高性能鋁的研發(fā)如火如荼，伴隨而來的制備工藝也得到了進(jìn)一步的改進(jìn)與發(fā)展，主要體現(xiàn)在新技術(shù)引入傳統(tǒng)工藝中；
• 在車身應(yīng)用方面，四門兩蓋主要用的是5、6系鋁板材，懸架固定座通常采用鋁鑄件，保險(xiǎn)杠橫梁、縱梁等梁類件采用擠壓鋁型材較多；
• 傳統(tǒng)的鋼制車身基本是用點(diǎn)焊，有輕質(zhì)材料加入后，出現(xiàn)了異種材料連接的多種方法，比如鋼鋁有鉚接，攪拌摩擦焊接和膠接等多種方式；
• 未來車輛全生命周期碳排放政策要求下，碳排放因子相對(duì)鋼更高的鋁材料應(yīng)用將迎來新的挑戰(zhàn)與約束，低碳排鋁合金材料研發(fā)與應(yīng)用將是重要發(fā)展趨勢(shì)。

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