1 前言

節能降耗、減少排放、提高安全性能成為汽車行業發展方向，汽車輕量化技術是解決節能環保的重要措施。可通過結構優化設計、輕量化材料應用及多種制造技術集成應用而實現產品輕量化。鋁合金由于其密度小、成型性好、吸能效果好及耐腐蝕性能好等原因被廣泛應用于輕量化汽車中。據記載，汽車制造企業于1896年開始使用鋁合金制作曲軸箱^[1]，發展到現在，鋁合金已使用到汽車各部位，如發動及缸體、儀表臺及發動機支架、鋁合金車輪、懸掛系統零件、保險杠防撞梁及吸能盒、車門及熱交換器等，甚至是全鋁車身。現在國際上已有不少全鋁合金車身車型在售，包括Honda的超級跑車NSX，Audi的A2、A8、R8以及Jaguar XJ。其中Jaguar XJ是鋁合金技術輕量化技術發揮到極致的車型，不僅車身重量大幅度下降，而且車身零件總數從5189個降至2761個，車身剛性提高了48%。據資料所示，鋁合金在汽車的使用量逐漸增加，從1990年平均50kg/車，發展到現在已達平均150kg/車以上。

2 鋁型材特點及其應用

2.1 鋁型材特點

擠壓是鋁合金重要的成型方法，鋁合金擠壓成型是一種熱加工成型方法，并且在整個生產過程中，鋁合金均處于三向壓應力狀態下成型。整個生產過程可這樣描述：首先，把鋁及其他合金熔煉鑄造成所需要的鋁合金鑄棒；然后，把預熱后的鑄棒放進擠壓設備內進行擠壓，鋁合金坯料在主缸擠壓作用下，通過模具的型腔成為所需的型材；最后，為了提高鋁型材的力學性能，在擠壓過程或擠壓后進行固溶處理，隨后在進行時效處理。時效處理后的力學能能根據不同的成分及時效制度各異，表1為汽車用擠壓鋁型材與普碳鋼的性能對比。

表1 汽車用擠壓鋁型材與普碳鋼的性能對比

項目	擠壓鋁型材	普碳鋼
抗拉強度σb /MPa	310-572	370-660
屈服強度σ0.2 /MPa	260-503	230-350
延伸率δ/%	8-30	<20
硬度HB	90-150	100-160
密度g/cm3	2.7	7.8
彈性模量E/105MPa	0.7	2-2.1

鋁合金擠壓產品較其他成型方式，具備以下的特點：（1）在擠壓過程中，被擠壓金屬在變形區內獲得比軋制、鍛造更為強烈和均勻的三向壓縮應力狀態，因此擠壓可充分發揮被加工金屬的塑性，可用于加工軋制鍛造無法加工的難變形金屬，同時可用于制作各種空心或實心的復雜截面構件；（2）由于鋁型材幾何截面可變，因而其構件的剛度高，可提高車身的剛性、降低其NVH特性、提高車輛動態控制特性；（3）由于鋁型材截面可控制，可提高構件的功能集成程度，降低構件數量，同時通過截面匹配還可實現焊接精確定位；（4）具有擠壓效益的產品，在淬火時效后，縱向強度性能（R_m，R_p0.2），遠比其他方法加工的同類產品要高；（5）擠壓后產品表面色澤好，耐腐蝕性能好，不需要做其他防腐性的表面處理；（6）擠壓加工靈活性大，工裝模具成本低，設計變更費用低。

2.2 汽車用擠壓鋁型材應用實例

汽車用鋁合金型材應用有：保險杠防撞梁、吸能盒、車門防撞梁、儀表盤支架、前圍、車架主梁、散熱器及其支架、油管、滑動軌元件、熱交換器的橡膠管接頭等截面一致且形狀復雜的構件。

現在汽車防撞梁一般使用鋼質板件、鋼質滾壓件以及鋁合金擠壓型材，由于鋁合金吸能效果好，廣泛應用于合資品牌車型的保險杠防撞梁總成，國內自主品牌車型局限于成本及其他原因，使用較少。湖南大學專家^[2,3]對鋁合金防撞梁總成做了相關的研究，研究表明：使用鋁質防撞梁后較原鋼質防撞梁質量減輕了25%，具有較高的抗彎曲強度，低速碰撞試驗條件下，鋁合金前防撞梁較鋼質件系統吸能效果提高45%。圖1（a）為保險杠防撞梁總成。

使用鋁型材較多的車身結構是，組合車架式結構。主要是車架主梁，前圍等部分，Audi A8鋁型材件使用占車身鋁合金比例的22%，A2車身約鋁型材使用比例16%^[4]。廣東豪美鋁業股份有限公司致力于汽車輕量化產品開發，現已做了前期的研發工作，圖1（b）是廣東豪美鋁業股份有限公司制作的全鋁車身。

3 鋁合金輕量化效果

汽車用鋁材的主要類型為傳統鋁合金和泡沫鋁材。傳統鋁合金有鑄造鋁合金、變形鋁合金、鍛造鋁合金、粉末冶金鋁合金等多種類型，鑄造鋁合金目前大約占汽車用鋁的80%。可用鋁合金代替鋼材的汽車部件主要有發動機缸體、發動機支架、鋁合金車輪、懸掛系統零件、車身、保險杠、車門、儀表盤支架、熱交換器等等。鋁合金代替傳統的鋼鐵制造汽車零部件，可使整車重量減輕30～40%，鋁制的發動機可減重30%，鋁質散熱器比相同的銅制品輕40%，轎車鋁車身比鋼材制品輕40%以上，汽車鋁車輪可減重30%左右，鋁質發動機支架減重了35%，表2為一些車型的發動機支架采用鋁合金后減重效果。

表2  一些車型采用鋁合金發動機支架減重效果

車型	發動機支架重量	采用鋁合金后的重量	減重效果
A520	7.5kg	4.5kg	40%
紅旗	8.2kg	5.0kg	40%
CV11	6.5kg	4.7kg	27.7%
CG-2	6.0kg	4.2kg	30%

鋁合金代替傳統的鋼鐵制造汽車零部件，除了可得到優秀的輕量化效果外，還可以實現節油降排的作用。汽車每使用1kg鋁，可降低自重2-2.5kg，減重效應高達125%，在汽車整個使用壽命內，可減少廢氣排放20kg。根據世界鋁業協會、歐洲鋁業協會、美國鋁業協會聯合委托IFEU ——德國海德堡責任有限公司能源與環境研究所的調查、研究結果可得：不同類型的汽車減輕10%自重，對節油效果有不同效果。乘用車每減輕自重10%，對應能節油5.7%；輕型商用車每減輕自重10%，對應能節油5.7%；中型貨車每減輕自重10%，對應能節油5.7%；城市客車每減輕自重10%，對應能節油5.6%；汽車列車每減輕自重10%，對應能節油4%；長途客車每減輕自重10%，對應能節油2.4%。

對于電動車而言，其輕量化工作更為迫切^[5,6]。因為目前電動汽車的動力電池的單位比能量與傳統汽車使用液體燃料的單位比能量差異較大，電動汽車的動力系統（包括電池）的重量往往占整車重量30-40%，同時突破電池性能瓶頸是世界難題，因此不少業內人士認為，在高性能電池技術沒有重大突破前，新能源汽車輕量化是提高續航能力的有效途徑。史踐^[5]等人試驗得出，原車身總成質量為1000kg，安裝有450kg的電池，其輕量化減重質量與續航里程的關系，見下圖2所示。

鋁合金的使用，使得汽車整體重量得到減少，可得到節油減排的效果。對于燃油汽車來說，每減重一定質量，可獲得到相應比例的節油效果。對于電動汽車來說，輕量化更迫切，每減重一定質量，續航能力得到不同程度的提高。

4 鋁合金廣泛使用瓶頸

4.1 鋁合金車身設計經驗不足

據調查，國內大多數汽車制造企業及汽車設計公司對鋁合金性能并不能很好的掌控，對全鋁車身設計經驗較少，即便是全世界也僅有Audi、Jaguar和Honda推出過定位高端的全鋁合金車款。BMW也做過鋼鋁混合的車身設計，但首要的困難是怎樣基于平衡車身前后的重量以提高操控性能，這又無疑增大了設計的難度。

4.2 彎曲加工與焊接技術難度高

汽車部件的維彎工序是鋁合金加工難度較大的工序，尤其以復雜截面型材3維彎曲難度最大，一方面，要保證安裝及焊接精度，另一方面還需保持外露件的表面光潔度。鋁型材的彎曲主要是通過壓彎、輥彎、繞彎和拉彎^[7-8]等方式實現。其中拉彎是可實現型材3維彎曲便捷方法，在型材拉彎成形過程中，頂部與底部承受應力狀態不一，頂層受拉應力，底層收壓應力，大截面型材尤其嚴重，這往往是影響型材拉彎成形極限的關鍵因素。當彎曲半徑過小時，型材底部壓應力過大，容易出現起皺現狀，甚至脫模，少量皺褶可通過施加拉應力進行校正，這會對壁厚及截面變形。另外，型材3維彎曲成本高也是制約其廣泛使用的重要因素。

常見的鋁合金連接方式有：金屬惰性氣體焊接（MIG焊接）、鉚接、螺接及激光束焊接等方式。鋁合金由于自身特性造成其焊接難度較鋼大：（1）熔點低且融化過程中沒有發生顏色變化，容易焊穿；（2）鋁合金熱導率大，是鋼的3倍，因此焊接相同厚度的鋁合金和鋼，鋁合金焊接需要的熱量更大；（3）鋁合金受熱膨脹及冷卻過程的收縮明顯，容易在接頭處出現應力，接頭也容易發生變形；（4）鋁合金容易被氧化，其氧化膜熔點約2050℃，這會影響焊接質量。由于被焊件多樣性及接頭性能需提高，滾摺粘結、MIG激光復合焊接及攪拌摩擦焊接均應用于鋁合金的連接中，如Audi A8，大眾phaeton D1所有車門均使用激光-Mig復合焊接技術。Mazda的RX-8的鋁制引擎蓋和車門均使用FSW點焊接^[9]。

阻礙鋁合金廣泛應用的瓶頸并不單只上述的設計能力欠缺、成型及焊接問題，最主要的是本身鋁合金的成本比鋼材高，同時新產品開發時間及費用以及后期的修復維護也是重要因素。

5 總結

汽車輕量化成為行業發展的主題，鋁合金具有質輕、比強度高、耐腐蝕性能好等優點，是實現汽車輕量化優秀的材料。本文結合了實際調查數據，介紹了鋁合金汽車輕量化的效果、鋁型材的特點及其在汽車輕量化領域中的應用，同時還指出了阻礙鋁合金廣泛使用的瓶頸。汽車輕量化成為行業發展的主題，鋁合金具有質輕、比強度高、耐腐蝕性能好等優點。擠壓是鋁合金重要的加工方式，鋁型材具備優秀的力學性能，使得部件的截面剛度提高，因此提高車身的剛性、降低其NVH特性、提高車輛動態控制特性。同時由于截面可變，可實現多部件功能的復合，因此鋁型材是實現汽車輕量化優秀的材料。鋁合金的使用，可同時實現汽車減重、節油減排及提高安全性能效果。但其廣泛應用存在瓶頸，主要是成本、鋁合金車身設計能力不足、彎曲加工及焊接難度大及后期修復維護等因素。毫無疑問，鋁合金于汽車上應用范圍越來越廣，用量也日漸增加。在這節能減排、提高安全性能的行業發展潮流中，有理由相信，隨著人們對鋁合金的性能了解深入及鋁合金應用問題有效解決，鋁合金將廣泛應用于汽車。