新能源汽车铝合金轻量化零部件生产工艺的应用与发展

龙广鹏

新能源汽车铝合金轻量化零部件生产工艺的应用与发展

龙广鹏

（广西艾盛创制科技有限公司，广西 柳州 545616）

我国新能源汽车的发展如火如荼，其产销数据呈现爆发式增长的态势。然而新能源汽车的续航里程不足容易引发用户的续航焦虑症，并带来出行的不便。因此新能源汽车公司都在努力提升车辆续航里程，使用轻量化零部件替代传统零部件是热门方案之一。铝合金零部件可以兼顾产品性能、成本和工艺性等方面需求，开发应用潜力巨大。文章从铝合金的高压压铸成型、挤压成型和冲压成型3种工艺方向着手，对铝合金在汽车车身零部件中的应用与发展进行综述。

新能源汽车；铝合金；零部件；生产工艺

引言

据中汽协会统计数据，2022年我国新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7万辆，分别同比增长96.9%和93.4%[1]。相较于传统燃油汽车，新能源汽车被广大用户反映最多的问题就是车辆续航里程不足。该问题极容易引起用户续航焦虑，影响用户的车辆使用体验。而且续航里程不足的问题也影响了用户使用新能源车辆进行长距离出行的选择方式，使一部分客户购买新车时被迫放弃选择新能源车。所以车企都在努力提升新能源车辆续航里程或提供相应的续航问题解决方案，解决用户的续航焦虑和远距离出行不便的问题。

使用轻量化材料替代传统普通的钣金材料，减少车辆车身重量，是主流的提升车辆续航里程方案之一。适合汽车轻量化的材料一般有铝合金、镁合金、高强钢和复合材料等。地球上的铝矿资源储量丰富，是重要的有色金属，通过在纯铝材料内添加其他元素生产而成的铝合金材料兼顾了成本、性能和轻量化效果方面的需求，是热门的轻量化零部件材料的应用方向之一。铝合金按生产工艺区分，一般可以分为铸造铝合金和变形铝合金两种，铸造铝合金有高压压铸成型、低压铸造成型、重力铸造成型和挤压铸造成型等方式，其中高压压铸成型是目前各个企业的重点研究方向，特别是车身大型部件一体高压压铸成型工艺，是目前最热门的方向；变形铝合金零件的成型方式主要有两种：一种是挤压成型后机加工，另一种是铝锭辊压成型得到铝板，然后冲压成型。

本文将针对铸造铝合金和变形铝合金在新能源汽车车身零部件中的主流应用，即铝合金高压压铸成型、挤压成型和冲压成型这3种铝合金成型工艺的应用与发展情况进行总结。

1 高压压铸成型技术及其工艺应用

压铸成型是指将压铸室内浇入的液态/半固态铝合金在高压高速下充填进模具型腔内，成型冷却得到铸件的方法[2]。自从2019年新能源车企特斯拉公司宣布一体高压压铸成型后车体部件在Model Y车型成功实现量产后，铝合金一体高压压铸成型工艺迅速在汽车车身零部件生产领域火爆了起来，截至目前这种成型工艺还在呈现爆发式增长的态势。通过一体高压压铸成型工艺，Model Y车型的后车体部件可以由原来的70个零件，减少到1个零件，减重比例达10%，减重效果明显。而且通过一体高压压铸工艺生产后车体部件，可以节约传统冲压模具200套左右、焊接夹具15套左右，生产场地占用减少30%，对比传统后车体总成部件生产节拍，传统冲压焊接的方式需要约2 h/件，一体压铸方案缩短为5～10 min/件。不过这项一体高压压铸工艺的缺点是前期设备、压铸模具等投入成本大，免热处理材料开发、模具设计和压铸生产工艺等技术要求高，行业准入门槛高，但是当某款车型的零部件产量累计达到一定数量后，零部件的平均生产成本可较大幅度分摊降低。同时，一体压铸工艺在汽车车身的前后地板总成、轮罩总成、副车架和电池包壳体等零部件上可拓展应用的潜力巨大，特别是在新能源汽车上的提升空间上限更为广阔。基于一体高压压铸工艺在汽车生产上的零件成本低、生产效率高、轻量化效果明显和可应用拓展上限高等优势，国内外众多主机厂和零部件公司都在加大对铝合金一体高压压铸工艺的研发投入。

在2019年之前，国内鲜有6 000 t及以上吨位的压铸设备，经过几年时间的汽车行业一体压铸技术的应用推广，国内已有多家压铸设备厂家推出了超大吨位一体压铸机，目前一体高压压铸成型设备最大可以做到合模力12 000 t，大型一体高压压铸设备已经走向成熟化。传统压铸铝合金，为了能达到汽车零部件对材料性能的要求，需要对压铸后的零部件进行T5、T6和T7等热处理以提升材料性能，才能满足设计零部件的性能要求。在铝合金压铸工艺高压高速的充填过程中，铝液内部会混入空气，在铸件内部形成气孔，当对零部件进行热处理时，这些零部件内含的空气会膨胀溢出，导致零件表面形成气泡、鼓包和气孔等缺陷；同时，零部件整体加热处理会让零件内部的成型应力释放，导致零件变形，增加零件尺寸不合格率，传统的铝合金铸造材料不能直接应用于一体压铸成型。因此，为了提升产品生产合格率，需要研发免热处理铝合金材料。国外莱茵铝业、美国铝业和特斯拉公司都有对应的免热处理材料，国内的上海交通大学、广东鸿图公司、立中集团和永茂泰集团等也成功研发了铝合金免热处理材料。表1是针对这些主流免热处理材料的牌号及性能汇总。

表1 主流的免热处理牌号及其公开的性能

在实际应用方面，铝合金高压压铸应用较多的部位有后地板总成、前地板总成、副车架、前/后轮罩和塔包等。通常为了兼顾成本，较低成本的车型使用钢铝混合的方式居多，高端车型则会使用全铝零件。由于铝合金材料本身的特性所致，传统钣金车身使用的电阻点焊、凸焊和二氧化碳保护焊等连接工艺不能适用于使用铝合金零件进行车身连接。铝合金零件与其他部件连接的方式有自冲铆（Self Piercing Riveting）连接、流钻螺钉（Flow Drill Screws）连接、胶粘连接和电阻铝点焊连接等。自冲铆连接、流钻螺钉连接和胶粘连接这三种连接工艺技术相对成熟，应用最广。由于大型高压压铸部件远端位置性能与主体位置会有差异，特别是断裂延伸率较差，零件会在铆接时发生母材开裂现象，影响铆接性能。解决铆接开裂问题也是目前压铸工艺的重要研究方向。

2 铝合金挤压成型技术及其工艺应用

铝合金挤压成型是指对放置于挤压筒内的铝锭施加外力，使铝锭从包含特定形状的模具孔中流出，获得特定形状和尺寸的一种塑性加工方法。其生产过程一般包含：熔炼—铸棒—均质处理—热挤压—冷却—拉伸校直—切断—时效处理—机加工—焊接/连接—检查等过程[3]。在新能源汽车中，铝合金挤压成型应用最多的位置是前后防撞梁、门槛梁、电池箱体和副车架等，一般根据性能需要多使用6063-T4/T6、6061-T6和6082-T6等牌号的材料。

挤压设备方面，国内挤压设备的最大吨位已经过万吨，但综合经济效益和应用场景考虑，在汽车行业内仍以2 000～4 000 t范围的挤压机型号为主。挤压铝合金前期主要应用于汽车车身前后防撞梁和副车架位置。近几年，随着新能源汽车的高速发展和碰撞法规要求的提升，挤压铝合金应用在铝合金电池箱体和门槛梁位置日益增多。为满足电池箱体型材扁平化的需求，在常规挤压方案的基础上催化了扁挤压技术在电池箱体领域的应用。对比传统挤压设备，应用扁挤压技术的设备在同等吨位的前提下，可以挤压出更扁但更宽的外接圆截面，同时截面壁厚也能做得更薄，扁挤压设备如图1所示。常规铝合金挤压壁厚1.5～2.0 mm已经是极限，应用扁挤压技术截面壁厚可以减薄至1.2～1.5 mm，对比常规挤压方案，扁挤压技术整体有效减重比例达25%～30%。但由于扁挤压技术的设备和挤压铝棒等通用性不如常规挤压，因而扁挤压技术的应用推广受到限制。

图1 某扁挤压设备

挤压完成后进行的校直、切断、热处理和机加工等工序都已发展成熟。之后的关键工序是零件的焊接/连接，焊接通常是使用冷金属过渡焊（Cold Metal Transfer）、氩弧焊（Melt inert-gas welding）、非熔化极惰性气体钨极保护焊（Tungsten inert-gas welding）、搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）和铝合金电阻点焊等方式，连接的主要工艺是拉铆螺母/螺栓、压铆螺母/螺栓、自冲铆连接、流钻螺钉连接和胶粘连接等。表2是针对这些焊接/连接工艺的优缺点进行的汇总。

表2 铝合金焊接/连接工艺的优缺点

挤压工艺的零部件工艺稳定，生产的零部件产品价格合理，因此该工艺目前应用较多，只是受限于等截面形状的要求，该工艺无法如高压压铸工艺那样灵活应用于造型不规则的汽车零部件上。

3 铝合金冲压成型技术及其工艺应用

铝合金冲压成型与钣金冲压成型原理一样，区别只是将成型的板材由钢板换成铝合金板。一般使用的铝合金板材主要有2XXX系（Al-Cu-Mg）、5XXX系（Al-Mg）和6XXX系（Al-Mg-Si）。这三大系列铝合金都属于变形铝合金，2XXX系和6XXX系可以进行热处理强化，5XXX系不可以进行热处理强化。2XXX系铝合金烘烤后，屈服强度变化不大，多用于车身内板零件；5XXX系主要用于结构复杂、装配孔多的车身内板件上使用，如发动机罩盖内板和车门内板等零件；6XXX系铝合金成形性能不如5XXX系，但在烘烤中具有较高的沉淀硬化能力，因此多用于外观质量要求高、拉延深度小，形状简单的外板零件，如车门外板、车身顶盖和翼子板等[4]。

铝合金冲压成型工艺可以直接借用钣金冲压成型设备，因而对于已经拥有钣金冲压成型设备的厂家而言，开发铝合金冲压成型工艺的前期投入成本压力较小。铝合金冲压成型的工艺难点在于冲压回弹控制。影响铝合金冲压回弹的因素主要有铝合金板材性能稳定性和开发前期针对零件造型、材料的成型过程分析后进行的过程问题补偿方案。冲压原材料方面，铝合金板材由于辊压生产工艺的影响，通常容易出现不同批次甚至同一张板材在不同区域性能差异大的问题，因而实际生产会发生回弹不可控的情况，也就是每一次生产得到的零件尺寸可能都会有所差异，影响零件装车使用。这个问题的解决需要铝合金板材厂家从铝锭浇铸开始到辊压成型整个过程针对性地控制板材各处成分和厚度均匀一致，用于保证板材性能值在一定的合格范围内波动，从而得到合格的铝合金板材。

项目零件开发前期设计规格生产工艺方案时，使用CAE冲压成型分析软件模拟分析整个冲压成型过程（一般可使用Auto Form或者Dyna Form软件进行分析）。针对零件可能出现问题的区域进行优化设计，预防零件生产时可能产生的缺陷，对于容易产生回弹的位置进行模具回弹补偿设计，或者预留模具上可以加工修整的余量，根据实际生产回弹情况进行修正回弹补偿量，从而有效保障铝合金冲压零部件尺寸的合格率。

铝合金冲压成型工艺多用于新能源汽车的外覆盖件，如前后车门总成、发动机罩盖、后备箱盖和侧围等位置，整体工艺相对成熟。部件间适合使用的连接方式有自冲铆、流钻螺钉、铝合金电阻点焊、铝合金包边、胶粘连接、无铆连接、激光复合焊接、拉铆和压铆等。

4 结束语

新能源汽车铝合金生产工艺的不断发展，为新能源汽车产业提供了高性能、轻量化的车身材料，推动了汽车制造业的可持续发展。同时，在节能减排的大环境下，铝合金材料具备良好的轻量化效果，在汽车零部件上的应用潜力大。本文从汽车车身零部件领域，概要总结了铝合金的主流成型方式下常用的铝合金材料牌号发展情况、铝合金零部件工艺应用及发展情况，阐述了在目前的生产条件下各种铝合金连接工艺的生产应用优缺点，为后续铝合金材料在汽车行业的开发应用提供一些指导性意见。

[1] 2022年新能源汽车产量超过700万辆[EB/OL]. https://www.ndrc.gov.cn/fggz/cyfz/zcyfz/202301/t20230131_1348148.html，2023-01-31.

[2] 朱正发. 简述车用压铸铝合金及其模具的设计与制造[J]. 智慧工厂，2022(1): 45-48，53.

[3] 周惦武，刘金水，肖锋，等. 铝合金挤压型材工艺及在汽车中的应用[J]. 金属成型工艺，2004(1): 62-64.

[4] 董家玲，闫巍，徐勇. 铝合金发动机罩外板冲压工艺技术研究[J]. 汽车材料与工艺，2016(11): 8-12.

Application and Development of Production Process for Aluminum Alloy Lightweight Parts of New Energy Vehicles

The development of new energy vehicles in China is in full swing, and their production and sales data shows an explosive growth trend. However, the insufficient range of new energy vehicles can easily lead to user anxiety and inconvenience in travel. Therefore, new energy vehicle companies are striving to increase their vehicle range, and using lightweight components to replace traditional components is one of the popular solutions. Aluminum alloy components can meet the requirements of product performance, cost, and processability, and have great potential for development and application. The article reviews the application and development of aluminum alloys in automotive body components from three process directions: high-pressure casting, extrusion molding, and stamping molding.

new energy vehicles; aluminium alloy; parts; production process

U465

A

1008-1151(2023)11-0063-03

2023-02-13

龙广鹏（1987－），广西浦北人，广西艾盛创制科技有限公司工程师，从事汽车铝合金和复合材料零部件开发工作。