铝合金车身板材在汽车轻量化中的应用贺少龙

铝合金车身板材在汽车轻量化中的应用贺少龙

贺少龙朱研

（长城汽车股份有限公司河北保定071000）

摘要：近年来，随着社会的发展，我国对汽车的需求不断增加，汽车制造产业有了很大进展。本文分析了汽车轻量化的意义，铝合金车身板材的生产工艺，并且重点阐述了铝合金车身板材在汽车生产中的应用，进而分析总结出我国汽车轻量化进程中所面临的主要难题，为汽车轻量化的加速发展提供良好的借鉴和参考。

关键词：汽车轻量化；铝合金车身板；生产工艺；应用；发展

引言

电动汽车的轻量化是世界上从事电动汽车生产的厂家必须考虑的重要课题，也是核心竞争力之一。轻量化能够节能降耗，提高电动汽车的续航里程。此外，轻量化还能很大程度促进对整车的操控性能提升。车身轻量化材料使用是车身轻量化的主流，主要分为：采用高强度钢等材料；轻质材料如铝/镁合金、工程塑料、碳纤维及多种复合材料等。

1汽车轻量化技术发展的背景及意义

据2005—2017年中国汽车市场销量及增长走势，2017年我国汽车产量达到2888万辆，同2016年相比增加了30%，成为世界第一大汽车生产国。截至目前，我国汽车保有量达到2.32亿辆。汽车轻量化，是在确保汽车安全行驶的条件下，保证汽车各部位的受力强度，通过优化汽车整体重量提高汽车行驶的高效动力能力，促使动力能源与执行机构减小，减少燃料消耗，降低排气污染。当今我国汽车燃油价格不断上涨、新能源电池的价格水涨船高，车体轻量化已成为整个汽车行业的发展趋势。当前，汽车行业发展面临三大问题：汽车燃油消耗，尾气排放是否符合国家环保标准要求，汽车受外力的强度能否确保汽车行驶安全。对这些问题，全球都在重视并制定了相应的能源和环保法规，并针对出现的问题不断提出优化改进措施。轻量化技术研究通过减轻汽车整体重量降低燃油消耗、减少排放。有关数据研究表明，若汽车整体重量减少20%，汽车燃油效率可提高12%～16%；若车桥、变速器等联合滚动机构阻力减少20%，汽车燃油效率可提高7%。此外，车辆每减重100kg，CO2排放量可减少5g/km。因此可见，汽车轻量化技术的特点就是降低燃油消耗，这对于节约能源、减少废气排放、实现我国汽车工业可持续发展十分重要。汽车白车身重量占整车重量的38%，汽车空运行状态下，约72%的燃油消耗都用在白车身重量上，因此汽车轻量化减重，对提高经济、环保、安全等因素至关重要。轻量化在车辆行驶及操控的稳定性意义上的碰撞与安全性能上的提升相当满意。轻量化铝合金材料对冲撞能量的吸收，又提高了汽车行驶碰撞的安全性。以降低能源消耗、降低排放污染等为出发点，汽车轻量化研究技术一直为创新冲压工艺、制造技术而不断探索。

2铝合金材料的特点及性能优势

铝合金是地壳中含量最多的金属元素，它具有一系列的优良性能，比如低密度、高比强度、良好的成型性能及工艺性能等，更重要的是铝合金的回收再利用性非常好，具有较高的回收率。低密度让铝合金比合金钢更具优势。铝合金在强度和刚度方面明显要低于钢板，但是铝合金可以通过加厚和优化设计来提高强度和刚度，最终达到与钢板一样的水平。由于铝合金的密度要远远低于钢铁，所以即使增加厚度，铝合金构件的减重效果仍然非常明显。数据资料显示，同刚度下，铝合金减重效果可达50%。目前，随着汽车保有量的不断增加和人们环保意识的逐渐增强，报废汽车的回收和再生越来越受到关注。铝制品的性能优势决定了铝具有较高的回收价值率，可达到80%左右，并且铝材是对环境完全无害的绿色材料。优越的性能决定了铝合金材料在汽车轻量化领域中的重要地位。

3铝合金车身板材在现代化汽车生产中的应用

3.1铝合金冲压工艺CAE应用分析

CAE(ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程分析)是对白车身冲压件的设计、分析、数据管理、模拟试验、冲压运行仿真及制造的工艺设计过程。针对冲压产品的性能进行设计和优化评价，以便在多个方案中找到最佳设计。汽车白车身冲压件开裂、反弹、起皱、回弹补偿、拉伸变薄等分析是冲压模具工艺设计数据的重要来源。反弹、变薄、起皱、拉裂是模具冲压件生产过程常见的缺陷，尤其在零件冲压拉伸深度深与机床压边力大小失控时出现。因此在产品冲压之前的模具设计、CAE工艺分析尤为重要。通过产品冲压CAE应用工艺分析，不但能准确计算出材料拉伸成型时的板料流动情况、材料分布变薄的数据，还能判断产品冲压件的开裂与变薄，生产中降低报废率。传统零件的成型性分析只能依靠设计人员的经验、评估来判断产品冲压模具设计及生产的可行性，造成后续开发过程中会出现很多问题。可通过ECR设计优化更改产品的型面转角来消除开裂、变薄。新能源汽车冲压模具的设计，CAE冲压可成型性分析对工艺方案的确定非常重要，直接关系到后续模具的开发，也是缩短模具开发周期的关键。

3.2轻量化铝合金车身的连接技术

（1）自冲铆连接（SPR）。在铆枪的压力下，将SPR钉穿透上层零部件，在底模的作用下，SPR钉变形，形成机械自锁，达到连接两层或多层零部件的目的。可用于不同材料的连接，冷连接无飞溅。SPR铆接失效模式有钉头处拉脱、钉脚处拉脱、材料撕出开口槽。（2）FDS连接工艺。FDS工艺是通过螺钉高速旋转软化待连接板材，并在巨大的轴向压力作用下挤压并旋入待连接板材，最终在板材与螺钉之间形成螺纹联接。其优点为无需钻孔、单向攻入、接空间小、适用空腔结构、还有涂胶结构、多重材料连接、可拆卸等；工艺难点：①因需要钻穿下层板，接头的防腐能力会降低。②螺钉较长，会增加车身自重。③单面施工，对工件和机器人的冲击力大。解决方案：①采用优质涂层。②优化设计。③采用负载能力大且稳定的机器人，夹具设计时对工件有足够支撑，避免在薄板上使用。（3）铝点焊技术。在电极压力下，靠电阻热熔化铝材，将其连接在一起。工艺难点：铝合金熔点低、线膨胀率高、导电率高、表面易氧化。解决方案：采用大电流焊机，焊装工装需防磁，且焊枪结构牢固可靠，并配备特殊电极头解决铝合金表面氧化问题。铝点焊常用部位为侧围、发舱、地板及闭合件。（4）冷金属过渡技术（CMT）。CMT是一种全新的MIG/MAG焊接工艺，可以焊接薄至0.3mm的板材，并可以实现钢与铝的异种连接。CMT是将送丝与熔滴过渡过程进行数字化自动协调，通过焊丝的回抽将熔滴同焊丝分离，实现了近乎无电流状态下的熔滴过渡。所以CMT工艺可以很好地实现钢与铝的焊接。

4我国汽车轻量化发展所面临的主要难题

目前我国汽车轻量化技术在理论研究方面和实际应用方面均与国外存在明显差距，技术发展面临如下难题。（1）轻量化技术的研究是综合多学科知识体系所进行的系统性、创新性的应用研究，切忌只注重某单项技术的研发。（2）汽车轻量化技术涉及众多技术领域，其关键、核心技术的研发突破必须要由国家级的研究机构进行战略性和前瞻性的超前部署，然而目前此类机构尚未建立。（3）产、学、研结合不够紧密，基础研究和技术开发研究未能很好地衔接起来，技术人才缺乏，工艺技术水平落后。

结语

综上所述，随着新能源汽车不断的推广应用，对汽车车身轻量化的要求会越来越高，车身采用铝合金的厂家会越来越多，对于铝合金车身板材工艺及技术会被很多厂家掌握并应用。

参考文献

[1]王祝堂，张新华.汽车用铝合金[J].轻合金加工技术，2011,39（2）：1-13.

[2]张毅，连昌伟.铝板在车身覆盖件冲压生产中的关键技术[J].锻压技术，2015,1（40）：48-51.

[3]王茵，张海文.金属基复合材料在汽车工业上的应用[J].贵阳金筑大学学报，2004，（2）：120-122.