铝合金在汽车轻量化中的广泛应用及发展前景

1 简介

节能减排、提高安全性能成为汽车行业的发展方向，汽车轻量化技术是解决节能环保的重要举措，产品轻量化可以通过结构优化设计、轻量化材料应用、多种制造技术的综合应用等方式实现。铝合金因密度小、成形性好、吸能效果好、耐腐蚀性能好等特点，在汽车轻量化中得到广泛应用。据记载，汽车制造商从1896年开始使用铝合金制作曲轴箱。发展至今，铝合金已应用于汽车的各个部位，如发动机及气缸、仪表板及发动机支架、铝合金轮毂、悬挂系统部件、保险杠防撞梁及吸能箱、车门及热交换器等，甚至出现了全铝车身。国际上在售的全铝合金车身车型有很多，包括本田的超级跑车NSX、奥迪的A2、A8、R8以及捷豹XJ等，捷豹XJ是将铝合金轻量化技术发挥到极致的车型。 不仅汽车重量大幅减轻，车身零部件总数由5189个减少到2761个，车身刚度提高48%。数据显示，汽车铝合金使用量逐步提高，由1990年平均50kg/辆提高到现在平均150kg以上/辆。

2.铝型材的特点及应用

2.1铝型材的特点

挤压是铝合金的重要成形方法。铝合金挤压成形是一种热加工成形方法，整个生产过程中，铝合金处于三维压应力状态下成形。整个生产过程可简述如下：首先，将铝等合金熔化，铸造成所需的铝合金铸棒；然后将预热后的铸棒放入挤压设备进行挤压，铝合金毛坯经主筒挤压后，经过模腔，成为所需的型材；最后，为提高铝型材的力学性能，在挤压过程中或挤压后进行固溶处理，然后再进行时效处理。时效处理后的力学性能根据成分和时效制度的不同而不同。表1为汽车挤压铝型材与普通碳钢的性能对比。

表1 汽车挤压铝型材与普通碳钢性能比较

与其他成形方法相比，铝合金挤压制品有以下特点：（1）挤压过程中，挤压金属在变形区获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三维压应力状态，因此挤压可以充分发挥被加工金属的塑性，可用来加工轧制、锻造无法加工的难变形金属，也可用来制作各种空心或实心复杂截面构件。（2）由于铝型材几何截面可变，其构件刚度大，可提高车身刚度，降低其NVH特性，提高整车动态控制特性。（3）由于铝型材截面可控，可提高构件功能集成度，减少构件数量，同时可通过截面匹配实现精确的焊接定位。 （4）具有挤压效益的产品，淬火、时效后纵向强度性能（Rm、Rp0.2）比用其它方法加工的同类产品高得多。（5）挤压产品表面色泽好，耐腐蚀性能好，不需要做其它防腐表面处理。（6）挤压加工灵活，工装、模具费用低，设计更改费用低。

2.2 汽车用挤压铝型材应用实例

汽车用铝合金型材的应用有：保险杠防撞梁、吸能盒、车门防撞梁、仪表板支架、前包围、车架主梁、散热器及其支架、油管、滑轨组件、热交换器橡胶管接头等截面均匀、形状复杂的零部件。

目前汽车防撞梁一般采用钢板、钢轧件及铝合金挤压型材。由于铝合金吸能效果好，在合资品牌车型的保险杠防撞梁总成中应用较为广泛，国内自主品牌车型受限于成本等原因，使用较少。湖南大学专家对铝合金防撞梁总成进行了相关研究。研究表明，使用铝制防撞梁比原有钢制防撞梁重量减轻25%，且弯曲强度更高。在低速碰撞试验条件下，铝合金前防撞梁吸能效果比钢制件高45%。

使用铝型材较多的车身结构为组合框架结构，主要用在主车架梁、前围等部位。奥迪A8车身用铝型材比例占车身铝合金的22%，A2车身用铝型材比例约16%。广东豪美铝业有限公司致力于汽车轻量化产品研发，已做了前期研发工作。图1(b)为广东豪美铝业有限公司生产的全铝车身。

3、铝合金的轻量化效果

汽车用铝材料主要有传统铝合金和泡沫铝材料。传统铝合金有铸造铝合金、变形铝合金、锻造铝合金、粉末冶金铝合金等，铸造铝合金目前约占汽车用铝的80%。铝合金可替代的汽车零部件主要有发动机缸体、发动机支架、铝合金轮毂、悬挂系统零件、车身、保险杠、车门、仪表板支架、热交换器等。铝合金替代传统钢铁制造汽车零部件，可使整车减重30-40%。铝发动机可减重30%，铝散热器比同等铜制品轻40%，轿车铝车身比钢铁制品轻40%以上。汽车铝轮毂可减重30%左右，铝发动机支架减重35%。表2为部分车型发动机支架采用铝合金后的减重效果。

表2 部分车型铝合金发动机支架减重效果

铝合金替代传统钢材制造汽车零部件，除了能达到优异的轻量化效果外，还能实现节油减排。汽车每使用1kg铝，可减轻自重2-2.5kg，减重效果高达125%，在汽车整个使用寿命期间，可减少尾气排放20kg。根据世界铝业协会、欧洲铝业协会、美国铝业协会联合委托德国IFEU-海德堡能源与环境研究所的调查研究结果显示，不同类型的汽车在自重减轻10%时，对节油的效果不同。对于乘用车，自重每减轻10%，可节省燃油5.7%；对于轻型商用车，自重每减轻10%，可节省燃油5.7%；对于中型卡车，自重每减轻10%，可节省燃油5.7%； 对于城市公交车来说，自重每减轻10%，可以节省燃油5.6%；对于火车来说，自重每减轻10%，可以节省燃油4%；对于长途客车来说，自重每减轻10%，可以节省燃油2.4%。

对于电动汽车而言，轻量化更是刻不容缓。由于电动汽车动力电池的单位比能量与使用液体燃料的传统汽车有明显区别，电动汽车动力系统（含电池）的重量往往占到整车重量的30-40%。同时，突破电池性能瓶颈是一个世界性难题。因此不少业内人士认为，在高性能电池技术没有重大突破之前，新能源汽车轻量化是提升续航能力的有效途径。石建等[5]通过实验发现，原车体质量为1000kg，装上450kg电池，图中显示了轻量化与续航能力的关系。

铝合金的使用降低了汽车整体重量，可以节省燃油，减少排放。对于燃油车来说，每减轻一定的重量，都可以达到相应比例的节油效果。对于电动车来说，轻量化更加迫切，每减轻一定的重量，都可以不同程度的提高续航能力。

4、铝合金大规模应用的瓶颈

4.1 铝合金车身设计经验不足

据调查，国内大部分汽车厂商和汽车设计公司对铝合金性能的把控还不够好，对全铝车身设计经验较少。即便在国际上，也只有奥迪、捷豹、本田推出了高端全铝合金车型。宝马也设计过钢铝混合车身，但首要难点是如何平衡车身前后重量，提高操控性能，这无疑增加了设计的难度。

4.2折弯、焊接工艺难度大

汽车零部件三维弯曲工艺是铝合金加工中的一道难点工序，特别是复杂截面型材的三维弯曲，一方面要保证安装、焊接精度，另一方面要保持外露部位的表面光洁度。铝型材弯曲主要通过压弯、辊弯、卷绕和拉弯等工艺来实现，其中拉弯是实现型材三维弯曲的便捷方法。型材在拉弯过程中，顶部和底部受到的应力状态不同，顶层受到拉应力，底层受到压应力，对于大截面型材尤其严重，这往往是影响型材拉弯成形极限的关键因素。当弯曲半径过小时，型材底部压应力过大，容易产生起皱，甚至脱模。少量的起皱可以通过施加拉应力来矫正，拉应力会使壁厚和截面变形。 另外，型材三维弯曲加工成本较高也是制约其广泛应用的重要因素。

常见的铝合金连接方法有金属惰性气体保护焊（MIG焊）、铆接、旋接和激光束焊接等。铝合金由于自身特点，焊接难度比钢大：（1）熔点低，熔化时无颜色变化，容易焊透；（2）铝合金的热导率高，是钢的3倍，因此在焊接同等厚度的铝合金与钢时，铝合金焊接需要的热量较大；（3）铝合金受热时膨胀较大，冷却时收缩较大，易在接头处产生应力，接头也容易变形；（4）铝合金易氧化，其氧化膜熔点约为2050℃，会影响焊接质量。由于焊接件的多样性和提高接头性能的需要，在铝合金的连接中都采用了滚压复合焊、MIG激光混合焊和搅拌摩擦焊等技术。例如，奥迪A8和大众辉腾D1的所有车门均采用了激光-Mig混合焊接技术。 马自达 RX-8 的铝制引擎盖和车门采用 FSW 点焊而成。

阻碍铝合金广泛应用的瓶颈不仅仅是前文提到的设计能力不足、成型、焊接等问题，最重要的是铝合金本身的成本高于钢材，同时新产品研发和后续维修维护的时间和成本也是重要因素。

5. 结论

汽车轻量化已成为行业发展的主题。铝合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，是实现汽车轻量化的优良材料。本文结合实际调查数据，介绍了铝合金汽车轻量化的效果、铝型材的特点及其在汽车轻量化领域的应用，同时也指出了阻碍铝合金广泛应用的瓶颈。汽车轻量化已成为行业发展的主题。铝合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，挤压是铝合金的重要加工方法。铝型材具有优良的力学性能，提高了部件的截面刚度，从而提高了车身的刚性，降低了其NVH特性，提高了整车的动态控制特性。同时，由于变截面，可以实现多个部件的复合功能，因此铝型材是实现汽车轻量化的优良材料。 使用铝合金可以同时实现汽车减重、节油减排、提高安全性能，但其广泛应用也存在瓶颈，主要受成本、铝合金车身设计能力不足、折弯加工焊接难度大、后期维修保养困难等因素影响。毋庸置疑，铝合金在汽车上的应用范围越来越广，用量也越来越大。在节能减排、提高安全性能的行业发展趋势下，有理由相信，随着人们对铝合金性能的认识不断深入，以及其应用问题得到有效解决，铝合金在汽车上将会得到广泛的应用。