新材料与工艺手册

[轻量化材料] 汽车轻量化铝合金研究进展

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发表于 2020-12-25 10:41:49 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】汽车轻量化铝合金研究进展
来源:期刊-《云南冶金》;作者:李家奇1,杨 钢2,陈俊宇1,3,吴 凡1,3,江佳阳1,3,邱哲生1,严继康3
(1.云南铝业股份有限公司;2.昆明冶金研究院有限公司;3.昆明理工大学材料科学与工程学院)

摘 要:汽车轻量化日益成为时代的发展趋势,铝合金具有密度小、成形性好、耐腐蚀性能优良等特点,成为汽车轻量化的重要途径。通过铝合金用材轻量化、汽车零部件轻量化以及焊接技术在铝合金汽车轻量化的应用三个方面进行阐述,分析了不同的焊接工艺对铝合金汽车稳定性的影响,不同的铝合金材料对提升汽车安全性能,节能减排降耗、汽车减重等等方面的影响,在交通工具回归自然的大趋势下,开高性能、轻质、节能、环保的铝合金材料以及新的焊接技术将会得到更多的实际应用。
关键词:铝合金;焊接技术;汽车轻量化

随着经济的发展,需要越来越多性能优异的材料[1]。在铝合金轻量化的发展主要为:大型整体化[2]、复杂精密化[3]和高强高韧化[4]。为应对国民汽车拥有量的快速增加所导致的环境和能源压力,汽车轻量化是一个重要的发展趋势。目前汽车部件的轻量化发展迅速,在油管、发动机、轮毂和散热器等方面已经广泛运用铝合金材料。其中汽车总质量的40%为汽车车身,因此车身的轻量化对整车的轻量化有着重要的作用[5]。如图为2019年欧洲车身会议(EuroCarBody 2019) 资料,在部分高端车型宝白车身(车身未涂装但是已经完成焊接)的一半以上实现了铝合金材料的应用[6]。如阿斯顿·马丁(Aston Martin) DB11高达86.1%应用铝合金 [7];在第2代本田 NSX(Acura NSX)中,应用量达79.0%[8];在第 5代路虎 (Land Rover Discovery中,达到62.9%[9]。但是目前在普通车型车身上应用铝合金比较少。达科国际(Ducker Worldwide) 的分析数据显示:2015年,在汽车车身应用铝合金的比例只有4%[10]。到目前为止,汽车行业的全铝车身制造仍旧是行业中的前沿技术,目前只有在部分高端车型上有所应用。各大汽车制造商仍把车身轻量化作为一项重要的技术攻关。变形铝合金和压铸铝合金是汽车用合金的主要类型,其中压铸铝合金约占66%左右。轧制板材(18%)[11],挤压型材 (11%)[12]及少量锻压件(5%)[13]构成了变形铝合金的应用。在2016年,车用铝合金的仍旧主要运用的是铸造铝合金,但是与2012年相比,下降了8%。与之形成鲜明对比的是,随着车身轻量化的发展,与2012年的13%相比,2016年增加到了18%[14]。但是锻压件和挤压型材的比例变化不大[15]。虽然在汽车轻量化方面,铝合金发挥着重要的作用,但是也面临着一定的挑战。汽车轻量化的发展是追求实现减重与车辆的安全、性能和成本的协调发展。成本的居高不下仍是车用铝合金全面应用的最大障碍,这也是在经济车型中运用较少,而在高端车型中运用较多的直接原因[16]。由于性能限制,铝合金的发展也受到制约[17]。钢铁材料制备的构件仍无法完全被替代。同时连接技术方面,铸铁、钢、镁等材料与铝合金的异型材料的连接也制约着铝合金的应用[18]。
奥迪全新A8、D5[19]采用了重量可观的高强钢代替了应用了二十余年的全铝车身,与上一代车型相比[20],虽然车身重量增加了51 kg,但是在抗扭刚性方面,提升了24%,车身的安全性得到大幅增强[21]。成本得到了大幅降低。2004~2009年,欧盟曾在第六框架计划下组织9个国家和地区的38家单位,合作实施了超轻车身联合研发项目(SuperLight-Car)[24-27]。项目研究表明:生产新技术的发展和新型高性能合金的研发是车用铝合金的发展重要方向,组成由汽车制造商[28]、材料供应商[29]、零部件制造商[30]和科研机构[31]进行协调研发,有利于资源的整合和先进轻量化技术的探索,有利于整个产业链的建立和优化就,见图1。
本文铝合金副车架轻量化研究进展主要从两个个方面体现:铝合金汽车轻量化应用现状,包括材料轻量化、结构轻量化以及焊接技术的轻量化应用;铝合金汽车轻量化趋势分析,包括铝合金用材趋势分析、轻量化焊接技术的趋势分析。总体分析了铝合金汽车的性能及轻量化设计,并从材料、结构、工艺三个方面对副车架本身的性能和强度特性进行分析评估并以此为参考依据,最后展望了铝合金汽车的轻量化设计的总体趋势。


图1 2019年与2012年欧洲汽车用铝种类对比图[32]
Fig.1 The comparison diagram of European automotive aluminum alloy type in 2012 and 2019

1 铝合金汽车轻量化应用现状
1.1 用材轻量化铝合金具有优良的比强度和比刚度,可以很好的运用在汽车轻量化中,因此不断开发新型铝合金基体材料具有十分重要意义。目前,铝合金在汽车领域之中主要是应用于车架,车身,车门和顶盖等汽车部件,主要使用的铝合金铸件为A356,目前能达到280 MPa屈服强度和340 MPa的抗拉强度,已经相当于一些高强度钢;锻件为6061,屈服强度能到350 MPa以上,抗拉强度能达到400 MPa以上[33],半固态铸造铝合金为ZL201,ZL116等,强度也在不断提高。铝合金铸件A356目前主要是用于汽车轮毂铸造行业[34],传统汽车轮毂主要是使用钢材料制造[35],钢铁合金制造工艺简单,成本较低,抗金属疲劳强度也较高,结实耐用,但是其制备的轮毂相对于铝合金轮毂而言,具有很大的质量,由于是钢铁材料,因此不易加工,所以外形不佳[5]。有着惯性阻力大,散热性不好,能源浪费相对较大等缺点[36]。A356铝合金材料虽然同样是使用铸造制的,但是其目前广泛使用的是低压铸造[37],铸造过程相对而言更加容易,铝合金塑韧性也更好,因此材料具有更优良的加工性能,在保证屈服强度和抗拉强度的前提下,A356铝合金相比于钢铁合金而言,可以减轻轮毂30%以上的重量,实现轻量化的目标[38]。同时A356铝合金具有更好的抗腐蚀性,因此制备的轮毂更美观整洁。
铝合金锻件6061目前主要是用于板材等汽车零部件的生产,相比于以前钢铁板材而言,6061不仅能达到高强度钢的强度,同时具有更优良的加工性能和塑韧性,因此其具有更好延伸率,能达到6%以上。在整个汽车板材使用中,使用6061铝合金可以一次减重35%以上,同时也可以产生二次减重效果,使得整个汽车承重件减轻10%以上,综合起来减重效果十分明显,轻量化目标可以进一步实现[39]。
半固态铸造铝合金目前主要使用的ZL101,ZL201,ZL205A等主要是使用在汽车副车架等汽车部件[40-43],其目前能达到250 MPa左右的抗拉强度和200 MPa左右屈服强度,而且目前性能也在不断提升,具有广阔前景。相比于传统的钢铁合金制备的副车架,使用ZL201制备的副车架保持了高强度的同时,具有更优良的加工性和塑韧性,重量也降低30%以上。总而言之,使用铝合金材料有利于汽车行业轻量化的发展,是汽车轻量化的重要实现途径之一。使用铝合金材料,可以使汽车减重达到40%以上。
1.2 零部件轻量化1.2.1 轮毂
轮毂主要使用A356铝合金[44],此类合金的屈服强度和抗拉强度可以达到高强度钢的的强度,同时具有耐腐蚀,强塑韧性,高密度的优良性能,使得轮毂在强度达标的情况下,具有更加优良的性能。目前轮毂的主要制备方法有三种,重力铸造,锻造,低压精密铸造。其中低压精密铸造是目前最常用的方法[45],其具有高成品率,能达到9成以上,这是其他方法远远达不到的成品率,并且这种制备方法制备的轮毂,成型性好,轮廓清晰,材料性能均匀,同时表面由于是铝合金,也光滑平整。

1.2.2 加强板
铝合金制备加强板材料,主要使用了铸件铝合金,锻件铝合金等作为加强板,相比于普通的钢铁合金加强板,铝合金在具有优良屈服强度和抗拉强度的条件下,同时具有较好的延伸率,可以达到6%以上,这对于加强板而言,可以使其在承受巨大冲击的同时,不易于断裂,提高了抗冲击的能力。同时由于其优良的强韧性能,在受到弯曲应力和扭曲应力时,能更好的避免应力集中等导致的开裂和变形[46]。

1.2.3 转向节
转向节是汽车重要安全结构件,国外铝合金转向节已有报道[47],而在国内的相关研究开发仍处于空目前汽车转向节主要是球墨铸铁铸造成形。而国外正进行采用精确铸造成形方法生产铝合金汽车转向节的研究与开发,进行转向节由现有的铸铁件、锻造件向铝合金精确铸造新产品的升级换代,以实现转向节产品的轻量化、高性能化和低成本化。早在上世纪90年代中后期,国外已经在铝合金转向节生产中取得重要的进展。已经能实现大批量生产挤压铸造铝合金乘用车转向节,年产量达到150万只。而在1997年时,福特汽车公司已成功在Taurus、Mercury Sable等车型上使用挤压铸造生产铝合金转向节替代球墨铸铁转向节[48]。而在我国,关于铝合金汽车转向节的研究报道很少。

1.2.4 副车架
近几年来,汽车轻量化的发展已成为时代的潮流,是应对汽车保有量快速增长所带来的能源和环境问题的有效措施。铝合金具有密度小、成形性好、耐腐蚀性能优良等特点,成为实现汽车轻量化的重要途径[49]。而铸造铝合金和变形铝合金在汽车车身、底盘和动力总成上早已得到大量应用,如底盘中的副车架。副车架作为底盘系统重要的承载元件,与车身和悬挂系统相连,主要作用是提高悬挂系统的连接刚度,减小路面震动的传入,从而带来良好的舒适性[50]。其主结构形状多为 U型结构,如图2所示,副车架上方可支撑发动机,其振动由副车架传递到整车身。要实现副车架轻量化,对铝合金铸件的要求也随之提高,首先表现在成型精度要求高;其次是组织均匀,要求获得细小均匀的组织;最后是要求性能满足要求[51]。

1.2.5 传动轴
目前为止,传动轴主要是由刚钢材、铝合金材料和碳纤维强化复合材料组成的。而从轻量化的角度来考虑,钢是最重的,其次是铝合金[52-53]。同样尺寸的铝制传动轴质量仅仅是钢制传动轴的一半,但是其强度要比钢制传动轴低,那么,我们就必须解决铝合金的强度问题才能实现铝制传动轴的使用。为此美国Dana零部件公司通过电磁脉冲设备来实现了6061-T6铝合金/中碳钢的电磁脉冲焊接,成功将铝钢一种金属结合在一起,实现了高质量的铝钢传动轴[54-55]。


图2 铝合金零部件示意图 [56-60]
Fig.2 The schematic diagram of aluminum alloy parts
1.3 焊接技术在铝合金汽车轻量化的应用汽车轻量化、环保、节能和高效运输重要途径之一是采用铝合金轻质结构,而目前为止在轮船、飞机、高速列车等方面使用的铝合金结构件都是以焊接结构件的形式存在,因此,我国在铝合金汽车轻量化方面的研究关键还是在于焊接技术方面。铝合金的种类繁多,主要用于焊接的变形铝合金按照合金元素的种类大致分类如表1。

表1 常用焊接铝合金
Tab.1 The common welding aluminum alloy

铝合金应用于汽车轻量化的焊接件常用的几种传统方法有接触焊[68]、无极氩弧焊(TIG焊)[69]和熔化极氩弧焊(MIG焊)[70],这些熔焊都分别应用在不同的场合,另外双丝双弧焊以及激光MIG复合焊接也是新起的两种铝合金熔焊方法。而目前应用最广泛的则是搅拌摩擦焊,可用于焊接可焊性较差的2000系以及高强度的7000系铝合金,且焊接效果极佳。

2 铝合金汽车轻量化趋势分析
2.1 铝合金用材趋势分析目前,国外,铝合金在汽车领域的使用量,已经在不断提高,尤其时汽车非承重件,使用铝合金比例已经超过50%[71]。全球各大汽车生产厂家已经在不断提高和发展铝合金汽车零部件的制备工艺,并且已经大量使用铝合金铸件,锻件,冲压件来代替原有的钢合金等。例如日本早在09年时,针对电动汽车,大量使用铝合金,个别车身只有180 kg左右,减重40%[72],像美国沃尔玛等汽车高端品牌,汽车车身使用铝合金比例已经达到90%以上,凯迪拉克新款CT系列汽车,使用铝合金车身,减重90 kg[73]。但是目前国内,乘用车的铝合金使用量却十分低,国内大部分乘用车铝合金使用比例只有8%上下,主要在汽车的覆盖件和保险杠上使用。造成这种原因,主要时国内生产铝合金技术还不够完善,在一些关键技术上还需要突破,并未形成产业化阶段,还需进一步努力和发展。
铝合金相比于镁合金而言,具有相对更好的强度,同时塑韧性等不比镁合金差,同时镁合金目前应用最广的是Mg-Al系合金,因此铝合金目前看来是具有更好的应用前景的。铝合金易加工,同时又具有良好的减震性,可焊性和防腐性等,是一种优良的轻量化材料 [74]。使用铝合金代替钢铁材料制备相同部件,一次可以减轻该部件的30%~40%的重量。同时由于某些部件的重要减轻,对于承重件而言,同样可以进行减重,最终车身减重可以达到50%,大大减少了由于汽车自重所带来的能源损耗。因此铝合金在未来必将是汽车轻量化发展的重要一环,同时也是一种汽车行业发展的趋势。
当能源问题日益严峻,节能减排就是重中之重。铝合金由于其优秀的综合性能,必将在汽车行业起着举足轻重的作用。未来铝合金在汽车行业发展主要还是要往非承重件等方面发展,如果能研究出高强度铝合金,并不是不可以代替钢铁材料在承重件的地位。目前钢铁材料能达到1 000 MPa以上的屈服强度和抗拉强度,这种超高强度钢的强度是目前铝合金远远无法达到的,也就是说铝合金在未来几年主要在乘用车和快递商业车等领域发光发热,尤其是乘用公交车,小汽车领域。随着铝合金的不断发展和绿色环保理念贯彻,未来铝合金用材量将不断提高,铝合金发展趋势良好。
2.2 焊接技术在汽车轻量化的应用趋势分析现目前,经过国内外多方面的研究,采用铝、镁等轻质高强度材料结合高强度钢的复合使用是实现汽车轻量化最为经济和有效的途径,而如何最好地实现异种金属之间的焊接,深入开展轻量化材料和多种轻量化材料的连接的研究工作就显得尤为重要[75]。
与传统的焊接工艺技术相比,激光焊,激光电弧复合焊、自冲铆接技术、冷金属过渡焊接技术(CMT),搅拌摩擦焊等几种焊接技术是目前为止效果最好的轻量化先进焊接技术[76]。其中激光焊效率比较高、热影响区比较小且焊接变形也比较小,但是焊接时焊缝内气体不易逸出;自动铆接技术铆接质量比一般电焊来说要高很多,且铆接过程比较清洁,但是存在抗拉强度小,能量消耗多且铆扣突出等缺点;冷金属过渡焊接技术(CMT)焊接过程中几乎无飞溅,但是CMT焊接熔滴接触到熔池发生短路时,焊接电流瞬间降为零,因此焊接时不稳定;相比较而言,采用搅拌摩擦焊能够妥善解决熔化焊出现裂纹、气孔和氧化倾向性打、接头效率低等问题,为汽车用高强铝合金轻量化提供了技术保证,被广泛应用于船舶、汽车、压力容器和高速列车等方面,不断优化摩擦搅拌焊接工艺技术,也是今后铝合金轻量化焊接技术发展的方向[77]。


3 结语
铝合金具有密度小、成形性好、耐腐蚀性能优良等特点,成为实现汽车轻量化的重要途径。另外,通过不同的焊接工艺进一步提高铝合金汽车的稳定性。汽车用材料的更新换代对提升汽车安全性能,节能减排降耗有着重要的意义,在交通工具回归自然的大趋势下,开高性能、轻质、节能、环保的铝合金材料将会得到更多的实际应用。我国汽车工业的持续高速发展,研制高性能汽车用铝合金对提高汽车工业的国际竞争力具有举足轻重的作用。铝合金材料是汽车工业现代化的首选材料,以及相关焊接技术的研究开发也将得到越来越多的重视。


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