汽车轻量化材料之铝合金

一线天

　　奔驰SL、奥迪A8、捷豹XJ……这些豪华轿车拥有的高性能并不仅仅来自于引擎盖下那些动力澎湃的发动机，还来自于车身油漆所覆盖下的材料带来的减重效果。
　　汽车设计师和工程师在提升世界顶级轿车性能的时候并没有剑走偏锋采用碳纤维这种依然没有获得普遍应用的材料，更没有采用传统的钢――他们选用了铝合金来打造这些车型的车身，来达到减重及提升性能的目的。
　　受美国铝协会旗下铝运输部门的委托，汽车工程技术公司EDAG集团针对铝在汽车中的应用进行了一项调查。该调查是在EDAG集团为美国环保署（EPA）针对丰田Venza车型在减重、安全性和成本等各指标的研究结果基础之上获得的。这项针对Venza车型研究的目的是要确定在维持车型动力性、操控性及刹车性情况下将车型重量减轻20%的可行性。其结果表明，在Venza车型车身采用最大限度量高强度钢的情况下，车身重量最多只能减重14%，而车辆总体减重目标在不采用铝制开闭件和底盘零部件的情况下根本无法达到。
　　而新的调查采用了全铝车身和开闭件，所达到的减重效果几乎是EPA研究中采用大量高强度钢Venza车型减重效果的三倍，同时更重要的是，新的结构完全符合严格的车型安全和性能标准。其结果显示，采用大量铝合金的所谓全铝汽车可以获得40%的减重效果，在与其他辅助性轻量化及优化设计相配合的情况下，可以使燃油经济性提升幅度达18%。
　　该调查还对成本进行了分析，结果发现总体成本有适度的增加，约每减重1公斤成本便增加1美元，而对消费者来说其反应在车型零售价方面的额外支出则仅需要两年便可以通过燃油的节省抵消掉。
　　这些调查也帮助解释了为什么越来越多的轿车和卡车制造商开始在材料选择上越来越多地采用铝来替代传统的钢，同时在可预见的未来，市场上将出现越来越多的采用大量铝合金材料的车辆。
　　为什么选择铝合金？
　　减重或许是所有新型汽车材料被赋予的最大使命，无论铝对传统钢的替代，还是塑料对金属的替代，其最大或最基本的效果便是减重，因为减重是提升车辆燃油经济性和降低排放最直接、最简单及最有效的方式。铝合金密度根据加入合金元素的不同而不同，一般在2.5~2.88g/cm3之间，约是钢的三分之一，在减重方面的效果是不言而喻的。
　　

　　“仅从变形铝材方面来看，由于车身系统占汽车总重量的20-30%，用铝材取代传统材料制造车身，一般可以减重40-50%。”中国汽车零部件工业公司副总裁田亚梅在“2013年中国国际铝工业展览会”期间举办的“汽车用铝发展论坛”上表示。
　　2012年9月，第四代路虎揽胜亮相巴黎国际车展，这是全球首款采用全铝车身的SUV车型，该车型的铝合金白车身仅重180kg，比此前的钢制白车身重量降低了39%。此外通用公司在今年底特律车展上揭露的最新一代Corvette Stingray车型采用了全新的全铝底盘，据称与上一代C6 Vette采用的液压成形钢制结构框架相比在重量上减轻了45kg，但是刚度却提升了57%。
　　除了减轻重量，铝合金还可以提高车辆的安全性。高强度铝合金所具备的独特能量吸收性能，加上巧妙的设计，可以大大提高大量采用此类材料的车辆的安全。据大量的研究和实验表明，同样重量下，铝合金材料吸收的碰撞能量可以是钢的两倍。或者说在不增加重量的情况下，通过铝合金材料的使用可以保持甚至增加车辆前后端碰撞缓冲区域的尺寸（缓冲区域越大，对乘员的保护越好）及吸能效果。
　　此外，铝合金不容易生锈、腐蚀，相对钢来说更耐久，延伸了车辆的使用寿命。而从铝的生命周期上看，其给环境造成的污染最低。铝是地球上资源最丰盛的一种金属元素，而且可以永远循环利用下去。有资料显示，自1888年以来，约75%的铝金属今天依然在使用当中。从全世界范围看，通过铝来降低车身重量每年可以降低6.6亿吨温室气体的排放，其中9%与交通运输有关。而铝的回收与铝的制造相比可以节省95%的温室气体排放，所需能源仅是其5%。约90%的汽车用铝都可以进行回收利用。
　　铝合金的应用现状及预测
　　汽车用铝合金基本可分为铸造铝合金和变形铝合金，其中以铸造铝合金为主，约占80%左右。铸造铝合金主要用于铸造发动机气缸体、离合器壳体、后桥壳、转向器壳体、变速器、配气机构、机油泵、水泵、摇臂盖、车轮、发动机框架、制动钳、油缸及制动盘等非发动机构件。
　　

　　变形铝合金在汽车上主要用于制造车门、行李箱等车身面板、保险杠、发动机罩、车轮的轮辐、轮毂罩、轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身构架、座位、车箱底板等结构件以及仪表板等装饰件。
　　从2011年开始，市场调研公司Ducker Worldwide欧洲分公司开始对欧洲经济区（EAA）成员国汽车用铝合金的应用情况进行信息收集和分析工作。在EAA的推荐下，Ducker对欧洲市场上57个具有代表性的车型进行了取样分析，这些车型代表了相应汽车制造商一半的产量。
　　调查结果显示，从2006-2012年，欧盟轻型车铝合金用量平均增加了19.2kg，而相比较来说，北美在同一阶段铝合金用量提升仅为13kg。而欧盟的增量则仅是北美2000-2006期间铝合金增量的一半。在取样调查车型中，40%增加的铝合金部件为结构性部件。报告得出结论，欧盟在车用铝的用量方面依然走在其他市场前列。
　　此外，根据该调查结果，在整个取样车型中，采用轧制、挤压及锻造方式生产的铝合金件按重量占到所有铝合金用量的30%。按所有EAA成员国所有车型240万吨车用铝总量来计算（取样车型车用铝总量为122万吨），按此类工艺生产的铝合金件的用量约占27%。
　　Ducker于2011年公布的针对北美地区铝合金在汽车上用量的调研报告显示，在北美地区，铝合金在汽车上的用量已经连续37年保持无间断的增长。从2009年开始，60%的增长将来自采用原铝制造的结构件，而在报告之前的10年内，车用铝的增长大部分来自采用再生铝制造的非结构件。2009到2012年，车身、保险杠及开闭件方面铝的用量增长了58%。
　　此外，虽然变形铝合金的单价比铸造铝合金高，其成形成本也比铸造工艺高一些，但是由于能显著减少结构尺寸，再加上能进行进一步热处理强化、焊接和表面阳极氧化处理，变形铝合金的性价比要高于铸造铝合金，因此越来越多的车身部件开始采用变形铝合金，尤其在引擎盖、行李箱及车门上。Ducker也在该报告中指出，未来车用铝合金的增长主要推动力将来自铝对钢制开闭件、车身结构件及保险杠等的替代上。
　　报告还预计，到2025年，北美市场平均每辆车上铝合金的用量将增加225磅（102kg），而在维持零部件性能不变的前提下，可以平均使车辆减重约180磅（81.6kg）。这份在2011年公布的报告预计2012年，北美地区30%的引擎盖及超过20%的保险杠横梁都将采用铝合金制造。报告预计到2025年，北美地区铝制开闭件（包括引擎盖、车门、行李厢盖及翼子板等）的市场占比将达到42%。
　　创新铝合金焊接技术
　　随着铝合金在车身结构、开闭件及结构性零部件上应用的增多，连接这些不同部件成为新的挑战。传统上汽车面板多采用焊接的方式，但是铝合金件由于材料自身的独特性往往在实际生产中遇到很多难点，比如铝合金焊接接头容易软化，降低强度；焊接表面容易产生难溶的氧化膜；容易产生气孔及发生热裂纹；线膨胀系数大，容易产生焊接变形等等。
　　

　　铝合金的焊接方法很多，一般需要根据铝合金的牌号、焊件的用途和工作环境、产品结构、生产条件以及焊接头质量要求等因素综合加以选择。按照焊接过程中热和压力的来源可将焊接工艺分为熔焊、压力焊、钎焊三类。汽车制造中应用较广泛的是熔焊和压力焊。熔焊包括气焊、电弧焊、电子束焊、激光焊等，压力焊包括电阻焊、搅拌摩擦焊等。
　　电阻点焊是车身装配时的主要工艺手段，在车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装中，大量采用电阻点焊工艺。但是，铝及铝合金的热物理特性也给点焊技术带来一定的难度。通用汽车公司致力于提升铝合金在汽车车身结构上的应用，在这种传统焊接技术上进行了创新开发，推出了一种新的电阻电焊技术。
　　

　　该电阻电焊技术采用一个专利多环圆顶电极，从而使两片铝板相融合，可以用于任何铝板、铝合金挤出件及铸件之间的焊接。通用在这项技术方面拥有的专利主要围绕三个方面，分别为电极的设计、电流的控制以及电极头间断性休整技术。在实际焊接中，同心圆顶多环可以穿透铝合金的氧化层，这样电流就可以很容易地穿过铝板，从而在两个部件的中间形成熔核。与传统铝合金电焊相比，该技术可以确保更可靠、更宽的工艺窗口，而且质量一致性更高。
　　

　　通用还指出，通过焊接还可以节省常用来连接铝的昂贵的自钻铆钉的使用，重量上也可以节省约0.9kg。发动机罩、提升门、车门以及其他零部件中正不断增加自钻铆钉的使用，而现在这些自钻铆钉就可以被省下来了。此外，消除自钻铆钉还能更让车辆更易回收。
　　目前在汽车车身上，钢还是最主要的金属材料，如何实现钢与铝的连接又是另外一个较大的问题。目前，汽车上钢与铝的连接大多数情况下依然采用机械方式，如压紧和铆接等，极少数情况下采用热加工连接方式，如摩点焊、电子束焊等、爆炸焊及激光加挤压等，但是这些工艺受到太多条件的限制，如工件尺寸、接头的形式及焊接位置等，尤其采用点焊工艺无法获得可靠、连续的焊缝。
　　搅拌摩擦焊也常用于汽车金属件之间的焊接。这种技术利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后使软化的金属混合在一起，或在两块金属件的接合面形成金属键，而使两者融为一体。本田公司在这种焊接工艺上进行了创新，可以通过搅拌摩擦焊技术实现钢和铝之间连续的焊接。
　　

　　这种工艺的最大特点是仅搅拌铝而不搅拌钢，这样可以防止搅拌头的温度过高。这种方式是在钢和铝之间形成金属键从而使两种不同材料的工件连接在一起。具体来看就是，该技术并未搅拌钢，而是去除了钢表面的涂膜和氧化膜。通过这种方法，使钢的新生面裸露出来，并使其与通过搅拌而提高了活性的铝合金之间形成了金属键。
　　本田在面向北美市场的新款Accord车型前副车架中采用了该技术，并获得了令人满意的效果。首先，不仅重量比原来的钢制副车架减轻了25％，而且焊接时的耗电量减少了约50％。另外，还采用该技术更改了副车架与悬挂安装部位的构造，使安装部位的刚性提高了20％，从而为提高车辆运动性能作出了贡献。
　　此外，本田针对将这项技术应用于量产车型生产中还开发了一个全新的实施方式。传统上，搅拌摩擦焊需要非常大型的设备，但是本田开发了一个连续焊接系统，采用了非常灵活的工业机器人。该系统还可以用于铝和铝材料之间的焊接，因此在相同配置下可以用于全铝副车架的生产。(end)
　　

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大师学习了……

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学习了，谢谢！