世界有金属 2008年第5期
前言
Preface
在世界汽车工业日益重视节能、环保的迫切形势下，减轻汽车自重以降低能耗、减少废气排放、提高效率，改成为各大汽车企业提高竞争力的重要方向；而使用铝合金代替钢铁材料则是各国汽车制造商采用的主要减重手段之一。因为，汽车质量每减轻1%，可节省燃料消耗0.6% 1%。轿车每降低100kg重量，100km 可减少汽油消耗0.48L。 汽车白车身约占汽车总重的30%，在汽车内外板上用铝合金板代替传统使用的钢板可使白车身减重约40
% 50%；如采用铝合金覆盖件可使整车减重10% 15%，可见采用铝合金车身板的减重效果十分显著。2007年，国内自主品牌B级车、C级车以及轿跑车的相继研发和上市，为铝合金在汽车轻量化应用方面提供了很好的应用基础和市场前景。随着更多国产中高级轿车投放市场，必然为铝合金汽车覆盖件的应用带来更大机遇，同时也对国内铝合金制造成型技术等提 出了新挑战。汽车车身用铝合金板材介绍
Introduction of aluminum alloy for auto body
工业合成氨
目前，国外采用全铝车身的大多为中高级轿车，如亨利·福特Model T型汽车、福特Pr o d i g y、J a g u a r new XJ、法拉利360赛车、Daimler-Chrysler Prowler、VW 3L Lupo、奥迪A2、A8以及本田混合动力轿车（the Honda Insight）、Honda NSX等均采用铝制车身，其他车型则主要用铝合金生产引擎盖、车门、挡泥板和行李箱盖等零部件。
铝合金车身主要由铝制车身构架和车身内外板组成，车身构架可分
为整体式和组合空间式两种。整体式采用85%铝板和15%铝型材焊接而成，Honda NSX、福特Prodigy以及Jaguar new XJ皆采用这种设计方式；组合空间车架则采用高强度铝结构支撑，空间构架由铝型材和真空压铸接头组成，铝合金板材在这种车身构架中约占50%，奥迪A8采用的就是这种设计方式，见图1。 2000系（Al-Cu合金），5000系（Al-Mg合金）和6000系（Al-Mg-Si）的铝合金板材都曾被用于制造汽车车身板。由于2000系合金的抗蚀性和强度相对差一些以及6000系合金的研发，近年来2000系合金在车身覆盖件方面的用量在减少；5000系铝合金因勒德斯线和桔皮效应以及无法进行热处理强化，在一定程度上限制了其应
铝合金汽车覆盖件的
生产和相关技术 进展
Application of aluminum alloy in auto panel and research development of related technology
路洪洲 马鸣图 游江海 李志刚/Lu Hongzhou Ma Mingtu You Jianghai Li Zhigang
(a) (b)图1 全铝车车身结构：(a)整体式，(b) 组合空间车架式
WORLD NONFERROUS METALS 2008.5
用。近年来，5000系合金只做车身内板使用。为得到相对低的初始T4（固溶处理+时效强化）状态下的成型性以及较好的烤漆处理效果，欧美以及日本都相继使用热处理性能好的6000系铝合金板做车身
外板，以满足车身外板的性能需要。20世纪70年代，美国研制的AA6009和AA6010铝合金汽车车身板，其塑性好，成形后经喷漆烘烤可实现人工时效强化，获得了更高的强度（自时效作用可将其屈服强度提高近100%：6009合金板可达241MPa，6010合金板则可达310MPa），被广泛用于汽车的内外板。通过对AA6009-T4、AA2036-T4和AA5182-T4合金板进行拉伸和时效强度比较，可看出AA6009合金板加热后强度明显提高，而AA2036-T4和AA5182-T4合金板则降低。AA6005合金则比较适合制造车身覆盖件。
目前，北美国家汽车企业主要使用AA6111、AA6022系铝合金，其数量也在不断增加。欧洲汽车企业主要使用AA6016系铝合金。日本汽车厂家则主要使用AA6016和AA6022系铝合金，同时也使用部分AA6111系合金。内部面板材料的主要要求是深冲成型性和装配性能(焊接和连接)好，因而主要使用5000系合金和部分成型性能好的6000系合金。AA6111和AA5082是两种典型的车身板用铝合金，其成型极限，见图2。
应用铝合金汽车板材存在的问题
Problems in the application of aluminum alloy sheet in auto body
车身覆盖件一般作为汽车一部分或车身的一部分存在，因而车身覆盖件材料的选择就必须考虑汽车使用性能及其工艺性能、车身零件性能、材料本身性能和加工工艺性能。
1、汽车使用性能及其工艺性能：采用铝合金板材作为汽车板的替代材料，必须满足抗扭刚度、弯曲刚度以及喷漆烘烤硬化指标（即强度要求），NVH要求、吸能、抗撞击、低成本、成型装配、废汽车可回收等性能指标要求。通过结构设计和优化构件、材料性能等途径，可达到这些要求。
2、车身零件性能：主要指凹痕阻抗(覆盖件的抗凹性能)、构件间连接、零件的成型工艺、零件的扭转刚度、弯曲刚度、表面光洁度等性能要求。
3、材料本身性能和工艺性能：主要指材料的焊接、涂装、成形、热处理、耐腐蚀和可回收等性能。
同钢板相比，用铝合金板材制造轿车发动机罩、行李箱盖、翼子板及车门等构件仍存在不少问题。归纳起来，这些问题及解决方案如下：(1)、成型性差：可通过提高成型性或改善成型工艺解决；(2)、强度、抗凹陷性低：可通过预处理工艺，提高合金
材料的强度和烘烤硬化性能来解决；(3)、焊接性能低、结合部位抗腐蚀性能差：可通过改善焊接工艺，提高铝合金焊接性能，进而提高和改善抗腐蚀性能；(4)、成本高：可通过推进成型工艺和焊装工艺的发展，努力降低铝薄板制造成本等途径来解决。
因此，在应用铝合金板材制造汽车覆盖件的过程中采用先进的成型和焊装技术是解决上述(1)(3)(4)问题、扩大铝合金汽车覆盖件应用范围和降低成本的主要手段。
生产铝合金汽车车身的相关技术进展
Research development of related technology in the application of aluminum alloy for auto bodymvr蒸发浓缩
1、先进的成型技术
(1)热力液压成形技术
液压成型是提高极限深冲比的一种成型方法，即在冲压时，材料被压入充满液体的模腔内成型。热态液力成型是将加热到一定温度的专用耐热油充入到经过预热的模具型腔，然后按照设计的加载路径对铝合金板材进行冲压成型。
德国纽伦堡大学的M1·Geiger 等人，在文献中介绍了他们用铝合金(AA6016，AA5182，AA5754，AA5454)做车身板的高温材料性能研究情况，认为铝合金板材的适宜成型温度为150℃~300℃。密歇根大学的Daoming·Li等，在文献中介绍了他们通过单向拉伸和双向拉伸对3个系列铝合金板在200℃ 350℃时力学性能的研究，认为铝合金板的延伸率随着温度升高而提高，随着应变速率的提高而降低，应变速率的敏感性则随着温度升高而增加，说明高温可以
(a) (b)
图2 两种典型车身板用铝合金的成型极限图：(a) 6111T4PD， (b) 5082O
世界有金属 2008年第5期
提高材料的塑性。荷兰的P·J·Bolt 等人，在文献中介绍了对铝合金温拉深性能进行研究的情况，认为随着温度升高，材料的拉深高度可显著提高。当温度从室温增加到170℃时，拉深高度从35mm仅增加到38mm；当250℃时，拉深高度可增加到60mm。目前众多汽车制造商都在采用此技术，如丰田汽车公司所用板材液压成型机的成型力已达40000kN，能成型平面尺寸为1300mm×950mm，加工零部件的重量可达7kg。另外结合多点压边系统，热力液压成型还可以大大提高成型极限和成型质量。
热态液力成型技术较为成熟，应用也较多，其优点为：①、可提高成型极限；②、成型零件的回弹性小；③、模具结构简单；④、可以加工形状复杂的零件。由于液压技术的运用，使得板材成型有着摩擦保持、溢流润滑等特点。这种方法提高了铝合金板材的极限深冲比，可用此方法生产车外板以及前挡泥板等。但是，该技术需要解决材料的高温力学性能，热态介质的选择、加热、传输、摩擦与润滑等方面存在的问题。热态液力成型技术在生产车身覆盖件方面将具有十分重要的经济及战略意义。随着技术研发的不断推进，该技术将有可能使铝合金车身覆盖件的规模化应用成为可能。
（2）超塑性成型技术
金属在一定的组织、结构等内部条件和变形温度、变形速率等外部条件下，如其应变速率敏感指数m值大于0.3时，金属将显示出特大延伸率，这一性能被称作超塑性。在适当温度(T>0.5Tm，Tm为溶化温度)，适当应变速率(10-1~10-4/s)条件下，对某些经过特殊处理的铝合金材料进行冲压成型，即为超塑性成型，见图3。
日本和瑞士等国的汽车公司曾研究用超塑成型方法生产大型铝合金覆盖件，为超塑成型技术在汽车工业中的应用开辟了广阔前景。目前，超塑成型周期已降到10min以下，成型表面质量也可以达到“A级”。美国摩根汽车公司在生产Aero8型车的铝制外覆盖件时，即采用了超塑成型与手工成型相结合的工艺。福特公司生产的Ford GT型全铝结构车，几乎所有覆盖件都是用超塑成型技术生产的。
铝合金汽车覆盖件的超塑成型研究已经成为当前的一大热点，近年来的SAE论文中有很多相关文章。超塑成型的优点是能产出符合空气动力学形状要求的零部件，使用的模具成本较低，超塑成型能把多个零件整合为一个零件，减少了连接和装配的步骤，降低了生产成本。铝合金塑性较大，在超塑性状态下成型零件不会出现回弹，克服了铝合金在冷冲压变型时存在的不足。
但是，超塑成型技术亦有不足。尽管使用的模具成本较低，生产的细晶铝合金超塑成型覆盖件的总成本仍较高。目前，细晶超塑铝合金板材价格为普通铝合金板材的10倍左右，其原因是铝合金细晶板材的制备成本较高。不仅如此，不同成分的铝合金超塑性差异很大，如AA7575、AA5083、AA8090、AA2090等有较好的超塑性，而AA6016的超塑性能则很低，从
而限制了该技术在生产车身覆盖件方面的应用。因此，国内的铝加工和汽车工业部门还需进一步努力，加大研发力度，才有可能使超塑成型技术在汽车覆盖件的生产中得到广泛应用。
（3）电磁复合冲压成型技术
电磁复合冲压成型是把传统的冲压成型与局部电磁成型结合在一起进行复合加工，该技术在汽车覆盖件成型时，需要特殊结构形状的电磁线圈，用来完成对复杂曲面壳体特殊部位的成型。
美国俄亥俄州立大学的Vohnout 等人，对汽车铝合金门内板的电磁复合冲压成型进行了研究，完全达到了钢板成型的效果。另外，该大学还与以列的PULSAR公司合作研究，并用复合冲压成型技术做出了铝合金车门样品，外观和强度基本达到了使用要求。利用传统冲压模具及润滑方法，在不致破裂情况下铝合金板最高可成形4.4cm；而在相同的成型设备上安装电磁成形线圈后，完成一次冲压，可使铝合金板的成型极限提高近47%。J·Imbert等通过对AA5474板的电磁成型研究，摸清了提高铝合金板成型极限的规律。经过对无凹模电磁自成型、40度锥形凹模和45度锥形凹模复合成型数据的比较，认为模具和铝合金板材间的相互作用是成型性增加的主要原因，见图4。
图3 典型的超塑性成型工艺
图4 不同成形参数的电磁成形
电磁复合冲压成型周期短，冲裁时间只需10-3~10-4秒，一次成型周期可控制在5s钟以内，如果能够实现自动化装卸料，电磁冲压的效率极高，可以适用于汽车制造业的批量生产。电磁成型技术可明显提高铝合金板的成型极限，提高其成型性，改善冲压成品的缩颈、撕裂及起皱现象。但是，现在该技术还处于实验室研究以及试制阶段，在铝合金板材成型的产业化应用方面尚需进一步做工作。
2、先进的焊接技术
铝合金材料具有氧化能力强、热导率高，焊接能耗比钢板显著，线性膨胀系数大，对光和热的反射能力强，热裂纹倾向性大等特点，焊接过程中容易形成氢气孔，出现高温强度和塑性较低，合金元素易蒸发烧损等问题。因此，在生产过程中必须采取相应的焊接工艺和措施来减少变形与缺陷，以维持焊缝合金的组织与机械性能。对于铝合金车身而言，常用焊接方法为点焊、MIG焊、氩弧焊以及激光焊等。但是，铝合金对各种焊接方法的适应性有所不同。
（1）激光焊接及激光-MIG复合焊接技术
激光焊接采用激光作为焊接热源，机器人作为运动系统。MIG焊是通过电弧热作为热源，熔化填充的焊丝金属，把母材连接到一起的过程。激光复合焊接则是两种方法同时作用于焊接区，见图5。
激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊接的性能。激光复合焊接可以结合两者的优点，既能获得所需的焊缝形貌，又能在焊接速度较高的前提下，充分利用电弧焊的稳定性。另外，铝合金对可见光和红外线都具有较高的反射率（约达90%）。因此，单独的铝合金激光焊接需要更大功率
的激光器，激光复合焊所产生的电弧
热则可使激光焊机的功率相应减小。
奥迪A8的车门[28]和大众Phaeton D1
的所有车门，都采用了激光——MIG
复合焊。BMW5系列的铝合金隔板也
采用了这种激光混合焊接技术。
MIG——激光复合焊为汽车工业
提供了一种全新的焊接技术，激光热
源具有能量密度高、加热集中、焊接
速度快、焊接变形小等特点，可实现
薄板的快速连接。因此，可以焊接较
厚的焊缝。该技术不仅具有宽广的应
用范围，同时还可减少投资成本、缩
短生产时间和提高生产效率。采用氩
气保护的MIG——激光复合焊，具有
更好的电弧稳定性。另外，双焦点激
光焊接技术在焊接铝合金材料方面也
车载硬盘有很好的应用前景，BMW公司甚至
已开始用该技术大批量生产铝合金汽
车覆盖件。
（2）搅拌摩擦焊接技术
搅拌摩擦焊(FSW)是靠摩擦产生
的热量进行焊接，具有显著的节能效
果，其焊接原理，见图6。
用电阻点焊进行铝合金板焊接，
会遇到严重的焊嘴磨损(tip wear)问
题。近年来搅拌摩擦焊大多应用于挤
压型材和厚板材，近期才开始研究如
何将该技术应用于薄板焊接。日本富
士重工业公司已开始应用FSW焊接
技术进行1mm左右的铝合金薄板对
接。通过夹具控制，可以实现高精度
位置配合，通过设定与接合面相接触
工具的最佳转速，能够稳定实施铝合
金薄板结构的高质量摩擦搅拌焊接。
MAZDA的RX-8的铝制引擎盖和后
车门均采用了FSW点焊技术。搅拌摩
擦焊可进行汽车蒙皮与骨架的点焊。
由于不需要常规点焊那样的大电流，
进而可以节约成本。对于1.5mm的铝
合金板（AA5754）的焊接研究表明，
焊接过程的能量输入对焊接机械性能
有重要影响。
K·O k a m o t o等科研人员使
摄像机标定用A A6022-T4板材进行了搅拌摩
擦点焊(F S S W)、搅拌摩擦缝合焊
(Stitch-FSW)以及搅拌摩擦摆动焊
(Swing-FSW)的研究。假设上板和
下板厚度分别为0.8mm和1.5mm，
模拟汽车覆盖板的焊装。通过对这
几种技术的焊接强度以及疲劳性能
的比较，K·Okamoto等认为搅拌头
的形状是影响搅拌摩擦焊效果的主
要因素，见图7。
从图7可见，搅拌摩擦摆动焊
（S w i n g-F S W）的静强度值明显
高于后两种方法，特别是电阻点焊
图5 MIG-激光复合焊技术
图6 搅拌摩擦对焊的示意图
WORLD NONFERROUS METALS 2008.5
世界有金属 2008年第5期
（RSW）方法，其循环疲劳强度的比较如图7(b)。在低循环条件下，搅拌摩擦摆动焊（Swing-FSW）
的疲劳强度最高，电阻点焊（RSW）的疲劳强度最低；在高循环时，三种方法的循环疲劳强度相差不大。
A·R a u t 等研究了1.66m m 和1.06mm 厚AA 5754-O铝合金板的焊接疲劳性能，认为使用搅拌摩擦焊接后，焊接屈服强度得到了提高，但拉伸强度变化不大，且拉伸率还有所降低。显示疲劳性能的S-N曲线表明，无预应变的AA5754-O薄板焊接与未焊接疲劳强度差异不大；有预应变的AA5754-O薄板（60%和80%），使用搅拌摩擦焊的疲劳强度低于未焊接薄板的疲劳强度，两者的疲劳裂纹源都是弥散颗粒。通过对准静态和循环条件下搅拌摩擦点焊失效和疲劳机制的研究，认为在准静态载荷条件下，疲劳强度与显微组织、焊缝几何形状等有关。而在循环条件下，除与显微组织和焊缝几何形状有关外，还与载荷幅度有关。
搅拌摩擦焊是一种前沿技术，已经引起国外众多研究者和企业的重视，近年SAE有大量论文报道相关的科研成果。该技术有节能、无焊头磨损以及焊缝机械性能与板材接近等优点，应用潜力很大。尽管马自达汽
车公司已经应用此技术进行工业化生产，但搅拌摩擦焊在铝合金车身板上的广泛应用仍需更进一步研究。
汽车用铝合金板材的制造工艺开发
D e v e l o p m e n t o n p r o c e s s o f manufacturing aluminum alloy sheet for auto body
如前所述，应用铝合金汽车板仍存在着薄板制造成本高的问题，而使用薄板坯连铸技术则可以有效降低Al-Mg系合金板坯的生产成本。所谓薄板坯连铸技术，就是将铝合金液连续铸造成约6mm的薄板坯，再经轧制而得到铝片，可省去5~6道工序，进而达到降低制造成本的目的。将液态铝合金铸成20mm厚的铝板，再连轧到1.5mm厚的热轧带卷，其直接生产成本仅为0.1美元/kg，远低于现存任何一种工艺的生产成本。该工艺的主要技术难题已被解决：有效的诊断监测手段；采用感应加热法改善铸模板带的表面状况；采用惰性气体控制氧化和热传输速度；采用大功率感应加热系统控制板带的平整度等。有代表性的哈氏铸造机已经生产出相当数量AA5754和AA6111系铝合金板带，供汽车制造商试用，并已得到其
用户的认可。
从我国汽车工业发展的需要看，加大自主研发力度或引进该技术，则是降低国产铝合金车用板材成本的重要途径。
结论和展望
Conclusion and prospect
聚乙烯醇树脂1、用铝合金板带生产的汽车覆
盖件存在着成型性差、强度和抗凹陷性低、可焊接性比钢板低、接合部位抗腐蚀性能不理想、生产成本高等问题，其中成型加工与焊装技术以及生产成本是制约铝合金汽车覆盖件应用的关键因素。因此，降低铝合金板材的生产成本，改进和研发成型、焊装工艺是促进铝合金汽车板应用的重要发展方向。
夜来香精油2、采用连续铸造板坯技术，可以改进和降低铝合金薄板的制造成本；在加工方面，应该积极推进和进一步完善热力液压成型、高塑性成型以及电磁复合冲压成型技术；在焊接方面，应采用激光—MIG复合焊接技术，并进一步开发搅拌摩擦焊技术；应用密封绝缘剂与铆接、卷边等方法解决与钢板等异型材的结合问题，同时还要提高铝合金车身板的耐腐蚀性能。
3、应积极消化吸收国外已经成熟的铝合金车身生产工艺，如奥迪A2的铝合金车身技术。相信随着铝合金汽车覆盖件的相关技术，如制造技术、成型技术、焊接技术以及喷漆烘烤硬化预处理技术的发展，铝合金汽车覆盖件的应用规模将会越来越大，未来的国产中高级轿车性能也将得到进一步提升。
（作者单位：中国汽车工程研究院、西南铝业（集团）有限责任公司）
(a) (b)
图7 搅拌摩擦摆动焊（Swing-FSW）， 搅拌摩擦点焊（FSSW）和电阻点焊（RSW）的静强度比较（a）以及疲劳强度比较（b）
（本栏目责任编辑：殷建华）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议