汽车轻量化中的铝合金应用：铸造铝合金在汽车工业中的关键作用

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铝合金在汽车轻量化中的应用

(1)铸造铝合金

许多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在批量生产中具有重要意义。当然，汽车上广泛使用的并不是上述简单的二元合金，而是同时添加多种元素以获得良好的综合性能。

汽车工业是铝铸件的主要市场。例如，在日本，76%的铝铸件和77%的铝压铸件是汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机缸体、缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机安装支架、空压机连杆、变速器壳体、离合器壳体、车轮、制动件、手柄和盖壳件等。

铝铸件不可避免地存在缺陷，而且压铸件不能进行热处理，因此使用铝合金生产要求较高强度的铸件存在局限性。为此，对铸造生产工艺进行了改进。铸锻法和半固态成形法将是今后更常用的工艺。

(2)变形铝合金

变形铝合金是指铝合金板带材、挤压型材和锻造材料。主要用于汽车上的车身覆盖件、车身框架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件及悬架系统零件等。 。

由于轻量化效果明显，铝合金在汽车车身上的应用不断扩大。例如，1990年9月上市的日本本田NSX，采用全铝承重车身，比同样采用冷轧钢板的车身轻200公斤，引起了全世界的关注。 NSX的铝含量达到31.3%。例如，在全铝车身上，外板采用6000系列合金，内板采用5052-0合金，框架大部分采用5182-0合金；因为侧门框对强度和刚度的要求非常高。高，使用以6N01合金为基础并适当调整Mg和Si含量的合金。在欧洲和美国，2036和2008合金也用于汽车车身的内外板。

铝合金材料在汽车轻量化中的典型应用

车身轻量化材料

车身轻量化技术主要包括轻量化材料的使用、轻量化结构设计以及先进成形工艺的应用。轻量化材料的使用是车身轻量化的主流，主要分为两类：一是使用高强度材料，如高强度钢、高强度不锈钢；二是使用高强度材料，如高强度钢、高强度不锈钢等。二是轻量化材料，如铝镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷及各种复合材料等。

表1 部分江淮汽车车身铝合金面板

图1 铝合金顶盖充液成型工艺示意图

铝合金具有密度低（铝的密度约为钢的1/3）、重量轻、加工性能好、可回收利用等特点。研究表明，与传统钢材相比，在达到相同力学性能指标时，铝合金的使用质量比钢材减少60%；当受到相同的冲击时，铝合金板比钢板多吸收50%的冲击能。基于铝合金材料在推动汽车轻量化过程中的重要作用，其在汽车上的应用范围也越来越广。它已从最初的发动机缸体、变速器壳体、轮毂扩展到车身的各个重要部件。部分。自然，这也促使各汽车企业加大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“江淮汽车”）车身使用的部分铝合金板如表1所示。

铝合金材料的技术特性

铝合金具有重量轻、耐腐蚀性强、耐用性好、减少行人碰撞伤害等显着优点。汽车车身覆盖件所用铝合金主要有2000系列、5000系列、6000系列和7000系列合金。其中5系和6系最适合替代钢板：5系是可热处理非强化合金，成形性良好，可用于形状复杂的车身零件，主要用于内覆盖件； 6 系列是一种可热处理强化合金，适用于外部应用。强度、刚度要求较高的面板等零件主要用于汽车外饰板。

铝合金连接技术

轻量化材料在车身上的应用不仅减轻了车身重量，也对相应的连接技术提出了更高的要求。传统的车身焊接方法一般是点焊和CO2焊。其中电阻点焊工艺约占汽车车身制造的75%，应用广泛。电阻点焊很难保证异种金属的焊接质量，特别是铝、镁合金材料的焊接。铝的电阻比钢小，导热系数大。电阻点焊需要的电流和能量是点焊钢的4倍。消耗大，焊接质量难以保证；传统CO2焊无法挽救异种金属的焊接问题，同时无法保证薄板的焊接质量，焊后容易产生变形。

自冲铆接（SPR）

图2 自冲铆接工艺原理

SPR 是一种用于两个或多个金属板的冷连接技术。如图2所示，在外力作用下，铆钉穿透第一层材料和中层材料，并在底层材料中流动延伸，形成互相嵌入的永久塑性变形的铆钉连接过程。连接后一侧比较平坦，一侧有凸起的圆柱体。

SPR作为一种机械冷成型连接技术，具有以下优点：可以实现多种材料的连接；铝铆接点的强度高于等厚度铝的点焊强度；处理时间可控制在4秒以内。 SPR的局限性是：需要从两侧留有枪口进入的空间，不同的材料组合需要不同的铆钉，并且设备昂贵。一套设备投资成本约90万元。

与其他连接技术相比，自冲铆接工艺具有以下特点：

(1)可连接两层或多层不同材质、厚度、强度的板材。是连接不同类型轻质材料的最佳连接工艺之一；

(2)无热效应，可用于连接涂层或电镀板而不损坏涂层；

（3）与传统铆接工艺相比，生产效率高，设备投资低，能耗成本低；

（4）安全环保，铆接时不发热、无烟、无火花、不产生粉尘、碎片；

(5)铆接质量持续稳定、重复性高，铆接点质量可目视检查；

(6)可与粘合技术结合使用。

自冲铆接设备一般分为液压系统和电动伺服系统两种。电动伺服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、设备寿命长等优点。目前，它在铝合金车身上应用广泛。为了满足使用要求，一套完整的电动伺服自冲铆接系统由两大部分组成：自冲铆接控制系统和自冲铆接执行系统。自冲铆接执行系统还包括供电机构、传动机构、C夹钳、铆鼻组件、从动机构、棘轮供钉系统、铆模、支架等附件组成。

江淮汽车还对铝合金发套内外板进行了工艺开发和研究。图3为发套内板组件实际自冲铆接情况。以发套内板为例，原内板材料为DC03，零件重量为10.563公斤。材料改为5182铝合金后，零件重量为5.184公斤，减重比例达到50.92%。

冷金属转移技术 (CMT)

图4 CMT技术工艺原理

CMT是一种新型MIG/MAG焊接工艺，焊接热输入极低，可焊接薄至0.3毫米的板材，并可实现钢与铝的异种连接。 CMT是在短路过渡法的基础上发展起来的。 CMT 过渡利用焊丝的机械回缩来帮助熔滴过渡。该过程可以精确控制。短路过渡周期是恒定的，不受随机变量的影响。由于CMT熔滴过渡时的电流几乎为零，飞溅减少，焊接质量高。 CMT技术的工艺原理如图4所示，原理是铝侧焊接，钢侧钎焊，母材不熔化；镀锌板的镀锌层要求厚度（>10μm）。

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。决定脆性阶段的一个主要因素是焊接过程中的热量输入量。热量输入越低，产生的脆性相就越少。因此，CMT工艺可以很好地实现钢和铝的焊接。焊缝外观实物图如图6所示。

激光焊接技术

激光焊接是一种利用激光作为能量载体的高能量密度焊接方法。激光焊接将高强度激光束辐射到金属表面。通过激光和金属之间的相互作用，金属熔化形成焊缝。其中，铝合金激光焊接目前应用越来越广泛。

铝合金激光焊接技术的特点包括：需要使用铝焊丝；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；可实现不同类型、异种金属之间的焊接，特别适合（超）高强度钢板和铝合金制成；搭接边缘比传统点焊短，有利于车身轻量化、降低成本。

汽车工业的发展水平是一个国家发展水平的重要标志之一。汽车轻量化是汽车工业发展的必然趋势。实现汽车车身轻量化，关键是在优化车身设计结构和新材料研究应用的前提下，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，相应的连接工艺已得到有效验证。

汽车轮毂用铝合金

车轮是车辆的重要组成部分。除了正压力之外，它们还承受车辆启动和制动时扭矩的相互作用，以及行驶过程中转弯、冲击等来自各个方向的不规则力。车轮高速旋转。 ，同时也影响车辆的稳定性、操纵性等性能。车轮的质量与汽车的各项性能密切相关。车辆的安全性和可靠性很大程度上取决于所安装车轮的性能和使用寿命。

与钢质汽车轮毂相比，铝合金汽车轮毂更能满足耐磨性和耐老化性好、气密性好、均匀性和质量平衡性好、滚动阻力和行驶噪音较小、外观精美等要求。并具有装饰性、尺寸精度高、重量轻和不平衡性小、耐疲劳性好、易于折叠和组装、互换性好等要求。

目前，汽车轮毂一般采用铝合金材料。但卡车、客车等重型车辆由于载重量大，对车轮的综合性能要求较高，仍采用钢制车轮。

铝合金轮毂的制造工艺主要有：铸造法、锻造法、冲压法、旋压法、半固态模锻法等，其中较常用的成形方法主要是铸造法和锻造法。

低压铸造主要采用铝硅镁合金。普通铸造铝合金车轮可以满足轿车车轮的性能要求，但无法满足卡车、客车等重型车辆的轮毂要求。马春江等.比较了普通铸造铝合金轮毂和挤压铝合金轮毂的结构和力学性能。结果表明，挤压铝合金轮毂的机械性能高于铸造铝合金轮毂，且挤压铝合金轮毂的弯曲疲劳度更高。性能、径向疲劳性能、抗冲击性能均能满足重型车辆的要求。

简单来说，重力铸造主要依靠铝液的重力来填充铸型。是一种比较早期的铸造方法。该方法成本低、工艺简单、生产效率高。但在浇注过程中，铸件中容易卷入夹杂物，有时还会卷入气体，形成气孔缺陷。重力铸造生产的车轮容易出现缩孔、气孔，内部质量较差。此外，铝液流动性的限制也可能导致形状复杂的轮毂成品率较低。因此，这种工艺在汽车轮辋制造行业中很少采用。

锻造法是最早的铝合金轮毂成形工艺之一。锻造铝合金轮毂的强度、韧性和疲劳强度明显优于铸造铝合金轮毂，并且还具有耐腐蚀性能好、尺寸精确、加工量小、性能再现性强等优点。主要采用铝镁合金和铝硅镁合金。 5xxx铝合金是车轮锻造中最常用的变形铝合金，主要有：5052-O、5154-O、5454-O、5083-O、5086-O，5xxx锻造铝合金车轮具有较高的耐腐蚀性，适用于用于制造在极端环境下工作的车轮。车轮制造中另一种常用的铝合金是 6061-T6。 Mg元素与Si元素形成的Mg2Si强化相可显着提高其力学性能。 6061合金锭经565℃/4h-6h即可均匀化。其大部分Mg和Si固溶于铝中，不仅降低了锻造温度，而且改善了锻造性能。龙伟等.利用三维有限元软件Deform-3D对6061铝合金轮毂锻造过程进行模拟，分析比较轮毂不同位置处的应力应变状态及其与力学性能的关系。结果表明，轮毂中应力应变累积较大的位置，相对于应力应变较小的位置，其力学性能较好。

锻造铝合金比铸造铝合金具有更好的综合性能。但由于其成形工艺复杂、成品率低、制造成本高，目前铝合金轮毂制造仍以铸造为主。

挤压铸造又称液态模锻，是一种结合了铸造和锻造特点的工艺——将一定量的液态金属直接浇注到敞开的金属模具中，通过压力对液态金属施加一定的压力。一拳。 ，使其能够填充、成型、结晶、凝固，在结晶过程中会发生一定量的塑性变形。优点：充型顺畅，金属在压力下直接结晶凝固，因此铸件不会产生气孔、缩孔、缩孔等铸造缺陷，组织致密。机械性能高于低压铸造，投资远低于低压铸造方法。缺点：与传统锻造产品一样，需要铣削来完成辐条的形状。日本相当数量的汽车铝轮采用挤压铸造工艺生产。从浇注金属液到取出铸件的整个过程均由计算机控制，自动化程度非常高。目前，世界各国都将挤压铸造作为汽车铝轮圈生产的方向之一。

滚压成型工艺

滚压成型工艺是由多个滚轮旋转将材料同时喂入并依次成型以获得所需截面产品的过程。近年来，国外主流汽车制造商开发的新车型中，冷弯型钢零部件已占到60%。滚压型钢件也逐渐受到国内合资品牌厂商的青睐，如上汽通用、长安福特、上汽大众等，但这项技术在我国自主品牌汽车上才刚刚起步。众泰汽车作为我国自主品牌汽车的中坚力量，在2017年底就提出了这一方案，仅用了一年的时间就突破了技术难点，并将其应用到了最新的试产车型上。

与传统冲压技术相比，滚压成型工艺不仅可以提高零件的合格率，还可以有效提高性能，从而降低制造成本。

滚压成型工艺可以大大提高零件生产的合格率。例如，汽车门槛内板和侧梁一般采用强度更高的高强度钢材。传统工艺下，此类钢材冲压时单断面应变过大，容易产生回弹，且模具调试困难，合格率不高。在轧制生产过程中，零件可以形成数十段。通过有限元计算分析得到的应变曲线表明，各段应变峰值不超过极限应变0.4%，产品回弹较小，精度较低。更容易控制

大型汽车车门结构件压铸工艺

大型汽车零部件大型汽车零部件往往起着支撑或承载载荷的作用，具有结构复杂、尺寸大、厚度不均匀的特点。同时，它直接关系到汽车的行驶安全，因此对其力学性能有着很高的要求。详细信息请参见表 1。

表1 大型汽车零部件的机械性能要求

通常为了获得良好的性能，大型部件需要进行热处理。若需与其他部件可靠连接，工件还应具有良好的铆焊性能。

传统压铸工艺的缺点

在常规压铸生产过程中，由于合金液的快速充填，导致模具型腔和压力室内的气体难以排出。这些气体卷入合金液中，会在铸件内部形成气孔缺陷。严重时铸件将失去热处理和焊接性能。同时，如果某些工艺因素得不到有效控制，铸件中会形成其他缺陷，工件质量较差。针对上述问题，本课题结合大型汽车零部件的特点和长期的研究经验；对压铸生产中的模具设计、浇注系统、真空填充、工艺改进等进行深入分析；合理处理这些工艺要素可以提高铸件质量。

压铸工艺要点

模具设计

在模具设计过程中，需要把握6个要点：

①合理选择浇注位置、合金液充型方向以及各成分的形状和尺寸，保证合金液良好的流动性并建立其顺序凝固。

②在合金液汇合处和铸件拐角处合理设置排气口，尽量减少这些部位出现缺陷的可能性。

③检查排气通道面积，保证型腔排气顺畅。

④模具应可靠密封，减少其对真空压铸的影响。

⑤ 合理设置冷却、加热装置，准确控制模具温度。

⑥ 在制造模具之前，可以利用模拟软件分析其充型和凝固特性；并根据模拟结果，对模具进行适当优化。

浇注系统

三种常见的浇注方法如图1所示。经过反复试验，发现浇注方法对铸件的塑性有重要影响。传统顶注法容易出现合金液飞溅、夹带气体、合金氧化等现象。同时合金液之间存在严重的冲击，影响铸件的结构质量，塑性较差。底部注入方式，有效减少合金液扰动，不存在合金液飞溅；铸件的夹杂物和缺陷减少，塑性显着提高。然而，底部注射方法需要对压铸机和专用压力室和模具进行适当调整。这样压铸机就会失去通用性，无法用于其他压铸场合。

为了使铸件获得良好的塑性，可以采用其他方法。如图1(c)所示，对顶浇系统进行了改进。无需对压铸机进行特殊改造，便于生产改造，也能达到提高铸件塑性的目的。

真空压铸

在压铸生产过程中，经常使用真空填充技术。真空技术需要注意三点：

① 真空系统必须及时启动。当冲头堵塞浇注口时，必须立即对真空系统进行抽真空。

②真空系统需要有足够的动力才能实现快速抽真空。

③充压室时，必须满足一定的真空度要求，以免影响铸件质量。

通常，当铸件型腔内的绝对压力大于30kPa时，对铸件的塑性基本没有影响。

当绝对压力在10～15kPa范围内时，随着真空度的增加，铸件的塑性变化显着。同时，真空度也与铸件的表面质量直接相关，如图2所示。随着真空度的增加，铸件中的气泡往往会逐渐减少。但气泡对铸件的伸长率并不起决定性因素。同时，高真空可以增大压铸工艺参数的选择范围。但高真空度增加了对真空设备的要求，会增加生产成本。

全面流程优化

合理选择注射方式和参数，有利于提高铸件质量。压铸件中约30%~50%的气体来自压力室内合金液的预填充阶段；因此，在慢压射阶段需要合理设置压射方式，尽可能防止压室内部合金液形成滚动气体。并正确选择润滑剂和脱模剂以优化喷涂工艺。精确控制模具温度并向设备分配冷却水；监控各冷却回路的温度和流量，确保模具温度分布符合要求。

模具设计合理，压铸工艺适宜，合金液充型方式理想，可以降低真空要求，获得优质铸件。同时，对于壁厚或棱角较大的零件，可实行局部加压技术，以提高铸件的致密性，减少缩孔和气孔。合金液前端传感器可用于掌握合金液的流动状态；有利于优化填充模式。

大型汽车零部件对强度和韧性有很高的要求。压铸生产中模具设计、浇注系统、真空填充等工艺因素必须准确掌握。制备好的铸件可以进行热处理。同时，其铆焊性能良好，可实现大型汽车零部件的批量化、工业化生产。

汽车防撞梁用铝合金

汽车防撞梁是重要的安全装置，在碰撞时吸收和减轻外部冲击力，保护车身和乘客的安全功能。在保证汽车碰撞安全性和舒适性的前提下，可以有效减轻汽车重量，控制成本。成为一个热门话题。通过合金成分、热处理工艺和结构优化的优化，可以在满足其安全性能要求的同时减轻车身质量，并且铝合金防撞梁比钢制防撞梁具有更好的吸能性能。

挤压成型是制造防撞梁的典型方法。也可以用板材经过弯曲、折叠制成。型材多由6063、7021、7029、9129等合金挤压而成。万银辉等.采用有限元分析软件LS-DYNA对6061铝合金防撞梁的碰撞性能进行了分析。结果表明，在相同碰撞试验条件下，铝合金横梁比钢质防撞梁具有更好的吸能性能。并且能在较宽的速度范围内保持较高的能量吸收性能。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，并对冲压工艺参数进行了优化。经过工艺优化，板料成型回弹和最小厚度得到有效控制：防撞梁两端回弹严重。弹性面积显着减小，板材成型质量提高。特别是侧壁和底部拉深更加充分，成形质量显着提高。

目前，国产铝合金保险杠才刚刚起步。一般横梁为铝合金吸能，底板等部件多为钢材。要提高保险杠横梁的防护能力，就必须提高其吸能能力。材料的能量吸收能力与材料的强度和厚度成正比。但在车体结构设计中，不可能通过无限增加钢材的厚度来增加材料的吸能能力。因此，需要通过合理的选材、优化的结构设计等，实现重量轻、易于拆卸、更换、维护简单；制造工艺必须简单、成本低等要求。

研究表明，设计得当的铝制保险杠梁不仅比钢制保险杠梁更轻，而且还可以吸收更多的能量。

徐仲明和徐等。通过Hyperstudy和LS-DYNA优化了防撞梁的设计。设计的横梁吸能效果达到钢防撞铝合金防撞梁的1.9倍，减重效果达到38.4%。冯远等人研究的保险杠。由横梁和吸能支架两部分组成。通过优化其截面形状，解决了保险杠横梁在低速碰撞时抗纵向弯曲能力不足的缺陷。汽车保险杠是汽车中重要的安全保护组件。制造商通常对保险杠的机械性能有相对较高的要求。通过热处理技术，可以改善铝保险杠保护组件在汽车上的机械性能。

近年来，随着铝合金技术的开发，泡沫铝合金已成为一种新型的铝合金，因为它吸收了高密度，低温，高温抗性，强烈的火力加工，易于加工和表面涂料的高能力，因此治疗。铝合金材料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主要是三明治型胶合板。用这种材料制成的汽车保险杠可以吸收两辆汽车碰撞时产生的大部分碰撞能量，从而保护汽车的安全性。

汽车辐射器的铝合金复合材料

铝合金复合材料是铝合金复合箔，复合条和复合板的一般名称。它们用于制造汽车空调，散热器，中冷器，机油冷却器，加热器，干燥机和空气分离设备。转换器的关键原材料。复合材料主要是叠加和滚动后由2至3种合金制成的2至5层复合材料。覆层层（皮肤材料）主要是高硅合金或低电位合金。铜制原理是：将由铝合金复合材料以及其他管道和板组成的热交换器放入约600°C的高温悬挂式炉中。涂层融化，但矩阵不会融化。高纤维合金材料通过虹吸管。动作和扩散机制导致散热器鳍，热交换器通道和热交换鳍一起浸泡在一起以实现热交换。

铝合金用于汽车绝缘

铝合金引擎盖

铝合金在发动机盖上的应用也逐渐增加，最成功的应用是奥迪电机。奥迪的轻铝制技术是奥迪的核心技术。该公司已经在该领域进行研究和开发已有20年了，其出色的应用技术远远领先于其他汽车制造商。奥迪A8和A2在全球著名协会和专业媒体的比赛中赢得了许多奖项，到目前为止赢得了40多个奖项。日本的美洲虎还参与了全铝体的开发和应用。 2003年6月，它开始用全铝机身出售顶级轿车XJ。此外，丰田的新皇冠，梅赛德斯 - 奔驰的新E级和标致307 4p的引擎盖都使用了铝合金材料。

油冷却器和油箱的铝合金

铝合金油冷却器

几乎100％的热交换器，例如汽车空调设备（冷凝器，蒸发器），油冷却器，散热器和加热设备是由铝制成的，而铝热量耗散的设备的难度是耐用性和散热能力。耐用性主要是由于腐蚀引起的漏水问题。原因是由盐引起的冷却液和外部腐蚀引起的内部腐蚀。在冷却水中添加生锈的抑制剂可以防止内部腐蚀；盐引起的外部腐蚀可以通过表面处理和耐腐蚀合金预防。

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