6000系铝合金短时效在汽车制造中的不利影响及应对策略

文/张晓蕾，郎庆东，高志纯·一汽-大众汽车有限公司

6000系铝合金短时效在汽车制造中的不利影响及应对策略

文/张晓蕾，郎庆东，高志纯·一汽-大众汽车有限公司

张晓蕾，材料规划主管，主要从事汽车车身材料技术管理规划、材料认证等相关工作（包括钢板与铝板），完成了一汽-大众的铝板供应商引入以及国产化铝板认证等工作，获得一汽-大众材料降成本TOP C奖励以及MKR优秀项目奖。

本文通过分析和解决白车身生产制造过程中铝板的自然时效带来的材料冲压成形、包边性能等变差的一系列问题，并提出未来解决6000系铝合金自然时效不利影响的可行性方案，这对未来汽车制造商解决生产难题具有指导性意义。

一汽-大众车身铝板使用情况介绍

如今，气候变化、能源消耗等问题日益严重，这些问题给汽车工业的发展带来了巨大压力，车身轻量化的需求变得越来越迫切。在众多的轻量化方法中，使用如铝材这种轻质化材料是一种被普遍采用或希望采用的解决方法，并被认为是目前相对有效且性价比较高的解决方案。

一汽-大众外覆盖件铝板方面的应用从奥迪车型如Q5等开始，后随各项设备、生产工艺的逐步完善，于2010年正式开始实现汽车覆盖件铝板零件的国产化工作。目前，一汽-大众工厂可完成铝卷的开卷剪切、冲压、焊接及涂装等工艺，成为国内铝板材料年使用量最大的汽车制造商。

一汽-大众奥迪各车型上的铝板冲压件主要分布在发动机罩总成、行李厢盖总成、门总成、翼子板及部分结构件。厂内制造零件只采用6000系铝合金，供货状态为T4（即铝合金固溶热处理后自然时效至基本稳定的一种状态）。铝合金的广泛应用使总成各部件的重量降低了35%～50%，有效地实现了车身的轻量化。有的车型因大量采用铝合金件，百公里油耗降低约15%。

6000系铝合金时效特征

6000系铝合金材料为Al-Mg-Si合金，其主要应用于对成形及外观质量要求较高的零部件中，最大的特点之一为：热处理之后，材料会在人为或自然的作用下，随着时间变化而发生变化，材料强度增加，而材料塑性下降，即所谓的自然时效和人工时效。其时效产生的机理为6000系铝合金固溶热处理之后，铝合金中过饱和固溶体中析出相弥散并聚集长大的晶粒产生的强化作用。

汽车厂将铝板冲压后，再经过专业工艺设计的涂装合理烘烤之后借由人工时效（时效强化），铝制零件强度可提高100多兆帕，满足了车身覆盖件对板料强度的需求。

由于物流运输、仓储等原因给自然时效带来影响，导致铝板机械性能等方面的变化，进而对冲压成形等产生影响，使得后续冲压、焊装过程中很容易产生一系列问题，这是制造过程中需要克服的一项重大难题，也是汽车制造商亟需解决和关注的重点问题。

6000系铝合金主要材料性能随着时间的变化规律可以通过试验证明：材料屈服强度、抗拉强度都会随时间而增长，而延伸率、n值、r值随时间变化不明显，但材料的包边性能下降较大。

针对主机厂提出的材料标准，要求供应商所提供的6000系铝合金的材料性能保障生产品质的时间至少为六个月。

生产制造过程中铝合金时效带来的影响及解决方法

冲压不利影响分析及相应策略

T4状态的6000系列铝合金由于其机械性能变化区间较大，如屈服强度0～6个月变化范围通常约为15～40MPa，材料成形性能差异很大，因而材料使用的阶段不同，冲压件品质就会相差较大。甚至部分性能变化区间会超出模具的裕度，造成冲压件开裂等质量问题。同时，材料性能的变化会导致零件尺寸的波动，从而造成一系列零件匹配问题，甚至需要频繁调整模具。具体状态视零件的复杂程度、模具状态而定。

图1所示为轿车翼子板因材料性能波动产生的开裂，最终通过模具的可逆调整解决了问题。

在新车型调试阶段，鉴于铝合金的时效期问题，根据模具调试周期，一汽-大众一般调试料会分2～3批次进行采购，并具体规定材料的热处理时间，保障了新车型调试按期进行。

为保障冲压生产顺利进行，减小时效期铝板性能变化的影响，汽车厂应尽量提高模具的成形裕度，以适应更宽范围的材料性能变化，减少冲压生产的敏感性和零件废返品率。

在冲压工艺设计方面，虽然各种模具结构设计的原理没有太大区别，但是铝合金冲裁间隙较钢板大；模具圆角比钢件大；回弹控制方面难度较大，技术要求高；铝制模具对表面的要求更高。一汽-大众通过系统的冲压工艺策略，使铝件达到几乎与钢件相同的生产稳定性。

焊装不利影响分析及相应策略

6000系铝合金时效期内材料性能变化对焊装工艺的影响主要有两个方面：

⑴包边性能。

根据包边性能试验的结果显示，铝合金包边性能随时间变化逐渐变差。在实际生产中，不同时间的铝合金材料，在其他生产条件相同时，包边状态也会有不同。

图1 翼子板冲压开裂

图2 发罩外板压合开裂

图2为发罩外板压合开裂示意图。铝板材料经过热处理时间接近6个月后再进行生产时，发罩外板的包边就发生了大范围的边部开裂。更换其他材料后，边部开裂消失。

铝合金自然时效的效果对零件的包边状态影响很大，但并不是唯一决定最终零件状态的因素。通过合理的包边工艺设计或减少冲压时材料的预变形可以有效减少铝板在时效期对零件包边的影响。

在包边压合设计时，尽量不要使压合角过于尖锐或变形量过大；在包边压合工艺方面，可以降低压合速度、优化压合模具或者滚边压合的工艺；必要时，可以提升材料的变形能力，如采用包边性能优化的材料，即在车身设计时，对有包边要求的零件，选用包边系数小的铝合金，等到压合时零件就不容易开裂。

⑵零件尺寸。

铝合金的连接方式除了包边压合之外，还有激光焊、铆接、粘胶等其他焊接方式。其中，激光焊工艺对零件的尺寸精度要求极高。由于自然时效使铝板性能波动从而造成零件尺寸波动时，对总成激光焊质量也会产生影响。实际生产时，汽车厂需要采用有效的检测和监控方法来对批量焊接质量进行控制，以保障正常连接强度和刚度。

温度对铝合金时效期的影响及策略

试验证明，铝合金的时效反应与温度的关系也极大，温度越高，材料性能变差得越快，对生产越不利。因此在必要时，当温度过高，如海运温度超过45℃时，建议供应商采用恒温冷藏运输。在南方夏季温度过高的环境下，对铝板进行恒温仓储（最有利于保障铝合金成形性能的适宜温度为15～20℃）。该措施实施后，经反复试验证明在很大程度上缓解了铝合金自然时效性能加速变差而导致的质量问题。

其他不利影响分析

经过专业分析和试验，铝合金时效对其他工艺影响较小。如对于涂装，通过对油漆附着力、耐腐蚀性能等试验，发现即使对超过6个月时效期的材料试验时仍然满足要求。一汽-大众各企业也在持续积累相关方面的经验。

另外，目前不同的供应商提供的6000系铝合金在化学成分、合金配比、制造工艺、材料机械性能等方面的差异较大，其时效期的特点和变化范围也不同。因而在选择供应商时，要充分考虑其差异性。可能的影响包括冲压、焊装、涂装等。不同厂家及不同合金的化学成分比较如图3所示。

图3 不同厂家及不同合金的化学成分比较

图4为铝板供应商变换时，进行零件试冲之前采用新供应商材料数据进行的网格试验分析，对试冲工作提供理论指导。

图4 变换供应商进行网格试验

铝板自然时效对汽车厂生产管理效率也提出了较高的要求，诸如有效的物流组织、更短的仓储周期以及先进先出库存管理方面。这些都需要汽车厂尽量优化，材料供应商也应与客户建立严格的预警机制，对仓储时间过长的材料进行预警和提醒使用。此外，铝板的近地和国产化供应也是有效的方法之一。

未来铝板时效期问题解决的思考

铝合金自然时效对白车身生产制造的不利影响是使用6000系铝合金必然要面对和解决的问题，未来对材料方面应从两点着手开展研究：

⑴铝板供应商进一步研发新的铝合金或通过新的铝合金生产工艺，使铝合金性能不随着时间变化或变化较小，不会产生大的生产制造问题。

⑵铝板供应商提供设备和工艺，保障铝合金在卷料状态下，可重新回到铝厂进行再处理，从而将材料性能恢复到第一次热处理时候的性能和状态。

未来研究该方向需要解决大致三个问题：一是机械性能的恢复；二是材料表面状态的恢复，包括固态润滑剂的清除和二次涂覆以及对Ti/Cr涂层的处理；三是材料宽度在轧制过程中的变化对冲压生产的影响。

结束语

随着汽车轻量化需求日益加剧，铝合金越来越受到青睐，但铝合金的时效期问题为汽车制造商带来了不少的技术困难和成本损失。如果汽车制造商能够熟悉、提前预防并最大程度地减少铝板时效期内对材料品质造成的影响，将为他们节省很多成本。若材料供应商能够通过技术创新，使6000系铝合金的自然时效性能变化减小或使铝卷可回厂进行再次热处理恢复至出厂时的T4热处理状态，势必会从根本上解决铝合金材料大规模用于车身制造之中产生的困难，这将对铝合金大规模应用起到极大的促进作用。