1 前言

節(jié)能降耗、減少排放、提高安全性能成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展方向，汽車(chē)輕量化技術(shù)是解決節(jié)能環(huán)保的重要措施?？赏ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料應(yīng)用及多種制造技術(shù)集成應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。鋁合金由于其密度小、成型性好、吸能效果好及耐腐蝕性能好等原因被廣泛應(yīng)用于輕量化汽車(chē)中。據(jù)記載，汽車(chē)制造企業(yè)于1896年開(kāi)始使用鋁合金制作曲軸箱^[1]，發(fā)展到現(xiàn)在，鋁合金已使用到汽車(chē)各部位，如發(fā)動(dòng)及缸體、儀表臺(tái)及發(fā)動(dòng)機(jī)支架、鋁合金車(chē)輪、懸掛系統(tǒng)零件、保險(xiǎn)杠防撞梁及吸能盒、車(chē)門(mén)及熱交換器等，甚至是全鋁車(chē)身?，F(xiàn)在國(guó)際上已有不少全鋁合金車(chē)身車(chē)型在售，包括Honda的超級(jí)跑車(chē)NSX，Audi的A2、A8、R8以及Jaguar XJ。其中Jaguar XJ是鋁合金技術(shù)輕量化技術(shù)發(fā)揮到極致的車(chē)型，不僅車(chē)身重量大幅度下降，而且車(chē)身零件總數(shù)從5189個(gè)降至2761個(gè)，車(chē)身剛性提高了48%。據(jù)資料所示，鋁合金在汽車(chē)的使用量逐漸增加，從1990年平均50kg/車(chē)，發(fā)展到現(xiàn)在已達(dá)平均150kg/車(chē)以上。

2 鋁型材特點(diǎn)及其應(yīng)用

2.1 鋁型材特點(diǎn)

擠壓是鋁合金重要的成型方法，鋁合金擠壓成型是一種熱加工成型方法，并且在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，鋁合金均處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成型。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程可這樣描述：首先，把鋁及其他合金熔煉鑄造成所需要的鋁合金鑄棒；然后，把預(yù)熱后的鑄棒放進(jìn)擠壓設(shè)備內(nèi)進(jìn)行擠壓，鋁合金坯料在主缸擠壓作用下，通過(guò)模具的型腔成為所需的型材；最后，為了提高鋁型材的力學(xué)性能，在擠壓過(guò)程或擠壓后進(jìn)行固溶處理，隨后在進(jìn)行時(shí)效處理。時(shí)效處理后的力學(xué)能能根據(jù)不同的成分及時(shí)效制度各異，表1為汽車(chē)用擠壓鋁型材與普碳鋼的性能對(duì)比。

表1 汽車(chē)用擠壓鋁型材與普碳鋼的性能對(duì)比

項(xiàng)目	擠壓鋁型材	普碳鋼
抗拉強(qiáng)度σb /MPa	310-572	370-660
屈服強(qiáng)度σ0.2 /MPa	260-503	230-350
延伸率δ/%	8-30	<20
硬度HB	90-150	100-160
密度g/cm3	2.7	7.8
彈性模量E/105MPa	0.7	2-2.1

鋁合金擠壓產(chǎn)品較其他成型方式，具備以下的特點(diǎn)：（1）在擠壓過(guò)程中，被擠壓金屬在變形區(qū)內(nèi)獲得比軋制、鍛造更為強(qiáng)烈和均勻的三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，因此擠壓可充分發(fā)揮被加工金屬的塑性，可用于加工軋制鍛造無(wú)法加工的難變形金屬，同時(shí)可用于制作各種空心或?qū)嵭牡膹?fù)雜截面構(gòu)件；（2）由于鋁型材幾何截面可變，因而其構(gòu)件的剛度高，可提高車(chē)身的剛性、降低其N(xiāo)VH特性、提高車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制特性；（3）由于鋁型材截面可控制，可提高構(gòu)件的功能集成程度，降低構(gòu)件數(shù)量，同時(shí)通過(guò)截面匹配還可實(shí)現(xiàn)焊接精確定位；（4）具有擠壓效益的產(chǎn)品，在淬火時(shí)效后，縱向強(qiáng)度性能（R_m，R_p0.2），遠(yuǎn)比其他方法加工的同類(lèi)產(chǎn)品要高；（5）擠壓后產(chǎn)品表面色澤好，耐腐蝕性能好，不需要做其他防腐性的表面處理；（6）擠壓加工靈活性大，工裝模具成本低，設(shè)計(jì)變更費(fèi)用低。

2.2 汽車(chē)用擠壓鋁型材應(yīng)用實(shí)例

汽車(chē)用鋁合金型材應(yīng)用有：保險(xiǎn)杠防撞梁、吸能盒、車(chē)門(mén)防撞梁、儀表盤(pán)支架、前圍、車(chē)架主梁、散熱器及其支架、油管、滑動(dòng)軌元件、熱交換器的橡膠管接頭等截面一致且形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

現(xiàn)在汽車(chē)防撞梁一般使用鋼質(zhì)板件、鋼質(zhì)滾壓件以及鋁合金擠壓型材，由于鋁合金吸能效果好，廣泛應(yīng)用于合資品牌車(chē)型的保險(xiǎn)杠防撞梁總成，國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)型局限于成本及其他原因，使用較少。湖南大學(xué)專家^[2,3]對(duì)鋁合金防撞梁總成做了相關(guān)的研究，研究表明：使用鋁質(zhì)防撞梁后較原鋼質(zhì)防撞梁質(zhì)量減輕了25%，具有較高的抗彎曲強(qiáng)度，低速碰撞試驗(yàn)條件下，鋁合金前防撞梁較鋼質(zhì)件系統(tǒng)吸能效果提高45%。圖1（a）為保險(xiǎn)杠防撞梁總成。

使用鋁型材較多的車(chē)身結(jié)構(gòu)是，組合車(chē)架式結(jié)構(gòu)。主要是車(chē)架主梁，前圍等部分，Audi A8鋁型材件使用占車(chē)身鋁合金比例的22%，A2車(chē)身約鋁型材使用比例16%^[4]。廣東豪美鋁業(yè)股份有限公司致力于汽車(chē)輕量化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已做了前期的研發(fā)工作，圖1（b）是廣東豪美鋁業(yè)股份有限公司制作的全鋁車(chē)身。

3 鋁合金輕量化效果

汽車(chē)用鋁材的主要類(lèi)型為傳統(tǒng)鋁合金和泡沫鋁材。傳統(tǒng)鋁合金有鑄造鋁合金、變形鋁合金、鍛造鋁合金、粉末冶金鋁合金等多種類(lèi)型，鑄造鋁合金目前大約占汽車(chē)用鋁的80%。可用鋁合金代替鋼材的汽車(chē)部件主要有發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、鋁合金車(chē)輪、懸掛系統(tǒng)零件、車(chē)身、保險(xiǎn)杠、車(chē)門(mén)、儀表盤(pán)支架、熱交換器等等。鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車(chē)零部件，可使整車(chē)重量減輕30～40%，鋁制的發(fā)動(dòng)機(jī)可減重30%，鋁質(zhì)散熱器比相同的銅制品輕40%，轎車(chē)鋁車(chē)身比鋼材制品輕40%以上，汽車(chē)鋁車(chē)輪可減重30%左右，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架減重了35%，表2為一些車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)支架采用鋁合金后減重效果。

表2  一些車(chē)型采用鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)支架減重效果

車(chē)型	發(fā)動(dòng)機(jī)支架重量	采用鋁合金后的重量	減重效果
A520	7.5kg	4.5kg	40%
紅旗	8.2kg	5.0kg	40%
CV11	6.5kg	4.7kg	27.7%
CG-2	6.0kg	4.2kg	30%

鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車(chē)零部件，除了可得到優(yōu)秀的輕量化效果外，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)油降排的作用。汽車(chē)每使用1kg鋁，可降低自重2-2.5kg，減重效應(yīng)高達(dá)125%，在汽車(chē)整個(gè)使用壽命內(nèi)，可減少?gòu)U氣排放20kg。根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)、歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)、美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合委托IFEU ——德國(guó)海德堡責(zé)任有限公司能源與環(huán)境研究所的調(diào)查、研究結(jié)果可得：不同類(lèi)型的汽車(chē)減輕10%自重，對(duì)節(jié)油效果有不同效果。乘用車(chē)每減輕自重10%，對(duì)應(yīng)能節(jié)油5.7%；輕型商用車(chē)每減輕自重10%，對(duì)應(yīng)能節(jié)油5.7%；中型貨車(chē)每減輕自重10%，對(duì)應(yīng)能節(jié)油5.7%；城市客車(chē)每減輕自重10%，對(duì)應(yīng)能節(jié)油5.6%；汽車(chē)列車(chē)每減輕自重10%，對(duì)應(yīng)能節(jié)油4%；長(zhǎng)途客車(chē)每減輕自重10%，對(duì)應(yīng)能節(jié)油2.4%。

對(duì)于電動(dòng)車(chē)而言，其輕量化工作更為迫切^[5,6]。因?yàn)槟壳半妱?dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池的單位比能量與傳統(tǒng)汽車(chē)使用液體燃料的單位比能量差異較大，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)（包括電池）的重量往往占整車(chē)重量30-40%，同時(shí)突破電池性能瓶頸是世界難題，因此不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，在高性能電池技術(shù)沒(méi)有重大突破前，新能源汽車(chē)輕量化是提高續(xù)航能力的有效途徑。史踐^[5]等人試驗(yàn)得出，原車(chē)身總成質(zhì)量為1000kg，安裝有450kg的電池，其輕量化減重質(zhì)量與續(xù)航里程的關(guān)系，見(jiàn)下圖2所示。

鋁合金的使用，使得汽車(chē)整體重量得到減少，可得到節(jié)油減排的效果。對(duì)于燃油汽車(chē)來(lái)說(shuō)，每減重一定質(zhì)量，可獲得到相應(yīng)比例的節(jié)油效果。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，輕量化更迫切，每減重一定質(zhì)量，續(xù)航能力得到不同程度的提高。

4 鋁合金廣泛使用瓶頸

4.1 鋁合金車(chē)身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足

據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽車(chē)制造企業(yè)及汽車(chē)設(shè)計(jì)公司對(duì)鋁合金性能并不能很好的掌控，對(duì)全鋁車(chē)身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較少，即便是全世界也僅有Audi、Jaguar和Honda推出過(guò)定位高端的全鋁合金車(chē)款。BMW也做過(guò)鋼鋁混合的車(chē)身設(shè)計(jì)，但首要的困難是怎樣基于平衡車(chē)身前后的重量以提高操控性能，這又無(wú)疑增大了設(shè)計(jì)的難度。

4.2 彎曲加工與焊接技術(shù)難度高

汽車(chē)部件的維彎工序是鋁合金加工難度較大的工序，尤其以復(fù)雜截面型材3維彎曲難度最大，一方面，要保證安裝及焊接精度，另一方面還需保持外露件的表面光潔度。鋁型材的彎曲主要是通過(guò)壓彎、輥彎、繞彎和拉彎^[7-8]等方式實(shí)現(xiàn)。其中拉彎是可實(shí)現(xiàn)型材3維彎曲便捷方法，在型材拉彎成形過(guò)程中，頂部與底部承受應(yīng)力狀態(tài)不一，頂層受拉應(yīng)力，底層收壓應(yīng)力，大截面型材尤其嚴(yán)重，這往往是影響型材拉彎成形極限的關(guān)鍵因素。當(dāng)彎曲半徑過(guò)小時(shí)，型材底部壓應(yīng)力過(guò)大，容易出現(xiàn)起皺現(xiàn)狀，甚至脫模，少量皺褶可通過(guò)施加拉應(yīng)力進(jìn)行校正，這會(huì)對(duì)壁厚及截面變形。另外，型材3維彎曲成本高也是制約其廣泛使用的重要因素。

常見(jiàn)的鋁合金連接方式有：金屬惰性氣體焊接（MIG焊接）、鉚接、螺接及激光束焊接等方式。鋁合金由于自身特性造成其焊接難度較鋼大：（1）熔點(diǎn)低且融化過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生顏色變化，容易焊穿；（2）鋁合金熱導(dǎo)率大，是鋼的3倍，因此焊接相同厚度的鋁合金和鋼，鋁合金焊接需要的熱量更大；（3）鋁合金受熱膨脹及冷卻過(guò)程的收縮明顯，容易在接頭處出現(xiàn)應(yīng)力，接頭也容易發(fā)生變形；（4）鋁合金容易被氧化，其氧化膜熔點(diǎn)約2050℃，這會(huì)影響焊接質(zhì)量。由于被焊件多樣性及接頭性能需提高，滾摺粘結(jié)、MIG激光復(fù)合焊接及攪拌摩擦焊接均應(yīng)用于鋁合金的連接中，如Audi A8，大眾phaeton D1所有車(chē)門(mén)均使用激光-Mig復(fù)合焊接技術(shù)。Mazda的RX-8的鋁制引擎蓋和車(chē)門(mén)均使用FSW點(diǎn)焊接^[9]。

阻礙鋁合金廣泛應(yīng)用的瓶頸并不單只上述的設(shè)計(jì)能力欠缺、成型及焊接問(wèn)題，最主要的是本身鋁合金的成本比鋼材高，同時(shí)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間及費(fèi)用以及后期的修復(fù)維護(hù)也是重要因素。

5 總結(jié)

汽車(chē)輕量化成為行業(yè)發(fā)展的主題，鋁合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化優(yōu)秀的材料。本文結(jié)合了實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，介紹了鋁合金汽車(chē)輕量化的效果、鋁型材的特點(diǎn)及其在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)還指出了阻礙鋁合金廣泛使用的瓶頸。汽車(chē)輕量化成為行業(yè)發(fā)展的主題，鋁合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。擠壓是鋁合金重要的加工方式，鋁型材具備優(yōu)秀的力學(xué)性能，使得部件的截面剛度提高，因此提高車(chē)身的剛性、降低其N(xiāo)VH特性、提高車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制特性。同時(shí)由于截面可變，可實(shí)現(xiàn)多部件功能的復(fù)合，因此鋁型材是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化優(yōu)秀的材料。鋁合金的使用，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)減重、節(jié)油減排及提高安全性能效果。但其廣泛應(yīng)用存在瓶頸，主要是成本、鋁合金車(chē)身設(shè)計(jì)能力不足、彎曲加工及焊接難度大及后期修復(fù)維護(hù)等因素。毫無(wú)疑問(wèn)，鋁合金于汽車(chē)上應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，用量也日漸增加。在這節(jié)能減排、提高安全性能的行業(yè)發(fā)展潮流中，有理由相信，隨著人們對(duì)鋁合金的性能了解深入及鋁合金應(yīng)用問(wèn)題有效解決，鋁合金將廣泛應(yīng)用于汽車(chē)。