汽车用铝合金板材的结构设计及应用技术

车身轻量化设计对汽车燃油经济性意义重大，能够提高车身刚度，使车身受力分布均匀，提高材料的利用率。铝合金是目前应用最广的轻量化材料。相比于传统的钢制车身，铝合金车体在设计及应用技术等方面均有其独特性。

轻量化铝制车身及零部件从设计到完成包含结构设计、CAE分析、成型、连接总成、表面处理等五个关键步骤。在钢制车体铝化过程中，会根据现有钢制车身的刚强度及减重的需求进行多轮次结构优化; 同时还要进行成形性分析，确定材料的类型和规格; 开展零件试制，并对模具、工艺进行细致优化，保障成形合格率; 零件制成后，通过机械连接、焊接等多种连接方式进行总成; 对其进行涂装处理，形成最终的产品。

1、汽车板外覆盖件的结构设计及CAE分析

外覆盖件是汽车板的重要应用领域，包括车门内外板、发动机盖内外板等，不同部位的设计及使用要求都有一定的差别。

发动机盖一般由外板、内板和局部加强板组成。发动机盖外板受造型的影响很大，几乎没有优化空间; 发动机盖内板中间部分无安装附件，具有较大的设计自由度。因此发动机盖的结构设计主要集中在其内板上。

发动机盖轻量化通常采用轻质材料和结构优化设计两种方法。目前对铝制发动机盖的结构进行了设计分析研究，但大多的结构设计都基于经验，即通过轻质材料替换或修改断面结构的方式对发动机盖进行优化设计。在发动机盖开发过程中往往出现某些刚度远远超过目标要求，造成材料的浪费和开发成本的增加。

1.1 铝制发动机盖内板结构拓扑优化设计

结构拓扑优化技术是指在给定结构的设计空间内找到最佳的材料分布或者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。结构拓扑优化包含优化变量、约束响应及目标响应三要素。以发动机盖内板为例，考虑到发动机盖内板周边存在铰链、撑杆、锁等安装附件的安装点，将发动机盖内板周边保持不变，选取发动机盖内板中部作为优化变量，如图1所示。约束响应要保证优化后结构的各类刚度不低于原结构刚度。约束响应设置见表1。目标响应设置质量最小化。

经过拓扑优化，得出发动机盖内板的主要传力路径，如图2所示。结合板材成型工艺及制造要求，消除细小的路径，保留重要传力加强筋，重新设计的数据结构如图3所示。

对原钢制发动机盖与拓扑优化后的铝制发动机盖分别进行弯曲刚度、角点刚度、侧向刚度和扭转刚度性能分析，结果见表2。

由表2可见，优化后铝制发动机盖相比钢制的减重30.4%，各刚度均有所提升。另外，相比钢制发动机盖，铝制发动机盖对五种刚度的性能提升更加均匀，说明拓扑优化后设计的铝合金发动机盖结构更加合理。

1.2 铝制发动机盖内板CAE性能分析

铝合金在汽车车身上的应用，逐渐从原来的无条件使用，发展为精细化的计算使用。结构CAE分析对铝材的使用起到了非常关键的作用，它使材料在用量合理化的同时实现了性能最优化。铝合金结构CAE分析主要包括性能CAE分析及碰撞安全性CAE分析。性能CAE分析技术是通过对标原结构与铝合金结构的模态、刚强性能，实现以铝代钢的同时，提升铝合金车身的性能指标。图4为铝合金机盖结构模态CAE分析结果。

图5为铝合金机盖结构刚度CAE分析结果。通过刚度CAE分析确定使用的材料厚度规格，实现满足性能的材料壁厚选取。碰撞安全性CAE分析技术是通过对比原结构与铝合金结构的碰撞性能，使铝合金结构满足碰撞安全法规的要求，如图6所示。通过行人保护碰撞安全性CAE分析，来提取发动机盖内外板的最大吸能量，选取优化的结构及优选材料方案。

2、汽车板的冲压成型工艺

冲压成型技术是板材零部件成形制造的传统技术，国内多家主机厂采用钢板冲压生产线实现了铝合金发动机盖、车门内板等覆盖件的冲压生产。由于铝板与钢板的特性存在较大差异，铝板对冲压工艺、模具具有特殊的要求，主要体现在以下几个方面：

1） 铝板的塑性低于钢板的，极易出现冲压开裂问题。要求零件与模具避免小圆角、急剧过度等形状特征。通过模具表面镀铬处理提高光洁度，降低冲压成型风险。

2） 为减少批量生产时材料性能、模具状态等因素波动对冲压质量造成的影响，冲压工艺设计时必须进行稳健性分析，确认材料屈服强度、抗拉强度、摩擦因数、压边力、板料厚度等变量对成形性的影响。

3） 铝合金的弹性模量小，冲压后回弹大。模具设计前期应通过回弹补偿手段进行优化，冲压工艺设计时要考虑塑性变形程度、变形均匀等因素，避免因回弹导致的零部件尺寸精度下降的问题。

4） 铝合金修冲时容易产生铝屑，铝屑残留在模具表面后会对零件表面造成压伤、划伤等缺陷，降低外观质量。冲压工艺设计取消废料刀、缩小修边冲孔角度、多应用正冲孔技术等手段有助于改善铝板冲压铝屑问题。

5） 相比于机械式压力机，采用伺服压力机可以兼顾成形速度和成形力，在保证成品质量的同时，兼顾了冲压生产效率。

2.1 覆盖件成形用冷冲压技术改进

近年来，为了提高铝合金冲压成型性，降低模具开发成本和风险，国内外围绕摩擦与润滑、精确模拟仿真等技术开展了重点研究，极大地提高了铝合金汽车板的成形性。

1） 通过润滑处理改善摩擦特性是提高汽车铝板成形性的有效途径。铝板冲压用润滑剂分为液体润滑剂和固体润滑剂两种。相关研究发现采用固态润滑剂可以取得比液态润滑剂更好的摩擦效果，典型案例如M.Meiler在宝马Z8系列的车用铝板上使用固态干膜E1润滑剂冲压，避免了液态润滑剂条件下冲压的开裂和颈缩缺陷。

2） 大量研究发现材料表面形貌对摩擦与润滑特性存在显著影响。因此，表面织构化成为铝板冲压成型领域的热门研究，主要包括表面织构减摩作用机理、织构形状优化设计、摩擦特性等方面。

3） 模拟仿真技术被广泛应用于冲压模具设计开发，用于代替传统反复试错法，以减少模具调试次数和降低模具开发成本与风险。国内外学者对铝合金汽车板在复杂冲压条件下的宏观力学特性、摩擦特性开展了持续研究，提出了系列硬化模型、屈服准则和摩擦模型，以实现铝合金汽车板冲压过程的精确模拟。

2.2 高强件采用热成形技术

随着汽车轻量化的推进，对高强铝合金构件的需求越来越急迫，但是由于高强铝合金室温下成形性能差，无法成形复杂的汽车零部件。为了满足汽车高强铝合金构件的成形性需求，帝国理工大学的林建国教授提出了铝合金热冲压成型技术。该技术的典型工艺流程： 首先将高强铝合金板材进行固溶处理，然后快速转移到模具中进行成型淬火，通过人工时效处理获得高强铝合金零件。该技术可以满足高强铝合金构件成型性的要求。英国Impression Technologies Ltd（ ITL） 公司将该技术率先在全球进行了产业化推广，建立了批量生产线，并已为莲花汽车、阿斯顿·马丁等主机厂开发出来高强铝合金构件，如图7所示。

我国在高强铝合金热成形技术方面开展了大量研究，主要集中在铝合金热成形性能、铝合金热成形强化工艺与机制、热冲压数值模拟以及热冲压零件性能评价等方面。华中科技大学王义林等通过热成形生产线试制了某汽车B柱，材质为7075高强铝合金，力学性能检测结果如图8 所示，抗拉强度范围为557 MPa～578 MPa，伸长率约为6.7%～10.1%。

蔚来汽车在其量产的全铝车身中，使用了500 MPa级的7×××铝合金B柱内板。据了解，该材料是由西南铝业集团有限责任公司独家供货。该高强热冲压铝合金零件的应用在行业内起到了良好的示范作用。目前中国第一汽车集团有限公司、东风汽车集团有限公司、广州汽车集团股份有限公司等主机厂已开展铝合金热成形技术储备。

3、汽车铝合金零部件的连接技术

3.1 铆接

自冲铆接（SPR）是一种快速连接两层或者多层板材的冷成型工艺，它将铆钉刺入上层板，并使其刺穿后，在一定模具作用下，铆钉的腿部向下层板材料周围扩展而不冲裁下层板，最后形成机械互锁结构。HENROB 在1993年首先发明了该技术，并将该技术成功用于奥迪A8全铝汽车车身的总成制造，提高了连接点强度及可靠性，克服了连接点疲劳性能不足、钢铆钉和铝材的接触腐蚀等问题。

SPR技术为典型的机械连接结构，连接过程无冶金反应，可有效避免异种材料焊接过程因导电、导热的差异形成的焊接变形、内应力等，克服了铝合金、镁合金等轻金属难以采用传统点焊连接方法的限制。该技术不仅可用于同种材料之间的连接，而且能够实现铝/镁、铝/钢、铝合金/镁合金/高强度钢等金属材料和高分子材料/复合材料的异种材料连接，同时连接过程能耗低，无热效应，不会破坏防腐涂层。

半空心铆钉SPR工艺过程如图9所示，包含四个阶段： 压紧阶段，冲裁阶段，扩张阶段，冲铆完成。

目前，SPR技术已应用在奥迪、捷豹、宝马、通用、福特等公司白车身制造中，形成了广泛的应用市场。该技术广泛应用于国内新能源铝合金及钢铝混合车身总成连接，具有不可替代的地位。国内奇瑞、捷豹路虎、上汽大众等车身普遍采用的连接工艺就是SPR技术，典型应用如图10所示。

SPR主要的研究有三个方面： 自动化铆接设备、铆接工艺开发及铆接质量检测。

目前国外已有成熟的SPR自动化铆接设备，如Henrob、Bollhoff、Emhart，但是国外知名的SPR设备价格普遍较高，企业对白车身总成生产线进行替换代价太大，推广受阻。同时由于关键技术封锁，引进设备存在技术壁垒，很难在国内得到普遍应用。近些年来国内在SPR技术推广及设备开发方面也取得了重大突破，形成了国内自主品牌，并在国内汽车制造中得到了广泛应用，如深圳一浦莱斯、苏州斯旺西、上海固极等，均可提供相关硬件设备及集成方案。

对SPR工艺及技术开发，国外已开展了较为系统的研究，并取得了系列成果，但是出于技术垄断和技术封锁的目的，国外研究机构及设备供应商仍然对该工艺的核心设置了技术屏蔽。相比之下，由于对该技术的研究时间有限，国内高校及研究机构尚未对SPR工艺开展全面系统的深入研究，未形成系统的成套解决方案。因此，开展轻量化材料SPR工艺技术的研究对推动SPR技术的发展十分重要。

3.2 点焊

电阻点焊是钢制车身最重要的连接方式，在车身总成及零部件的焊装中均有大量应用。随着汽车轻量化的推进，电阻点焊也开始广泛应用于铝合金零部件的连接。在奔驰SL-Ｒ231、奥迪TT、凯迪拉克CT6、福特F150 皮卡等车身装配中均大量采用了铝合金电阻点焊工艺。

铝合金电阻点焊的技术难点有以下两方面：

1） 焊接时铜电极与铝基体发生粘连作用，铜电极的连续打点性能差。主要原因是铝合金表面存在组织致密、熔点极高、导电性能极差的氧化膜，焊接过程中产生很大的接触电阻，电阻热会形成高温，使铝与铜形成低熔点（548 ℃）的化合物，使铜电极与铝合金的表面发生强烈粘连导致铜电极烧损严重。

2） 铝合金电阻点焊接头力学性能较差。原因有三点： 一是焊点热影响区组织软化（ 晶粒长大和过饱和固溶体等） ; 二是接头的熔核处易形成缩松和气孔，热影响区易形成液化裂纹; 三是铝合金热膨胀系数较大（ 约为钢的2倍） ，点焊熔化时的热膨胀较大，易在工件接触面间造成喷溅、电极与工件间造成飞溅，继而带走部分熔化金属和热量，影响熔核直径的大小。

针对当前铝合金电阻点焊的应用情况，目前的研究进展主要包括以下几个方面：

1） 表面特性及接触电阻优化

铝合金的表面状态对电阻点焊的力学性能有很大影响。铝合金表面形成的Al2O3膜在铜电极和铝制工件的界面间会产生高电阻，这些不导电且难熔化的氧化膜会导致铝合金焊点的质量和电极寿命明显下降。目前工业上主要通过对铝合金板进行清洗或者钝化来去除氧化层，降低接触电阻。在接触电阻优化方面，Luo et al．提出应用小电流预热处理抑制氧化层的影响。如图11所示，当在原有焊接工艺基础上施加一个电流为8 kA，时间为50 ms的预热时，可以显著降低AA5052 铝合金界面处的接触电阻，从而显著提高焊接质量。

2） 外加磁场对焊点性能的改善

在相同的焊接工艺参数条件下，外加磁场对焊点熔核位置组织及性能有明显的影响。Yang Li等在开展AA5052铝合金点焊时发现，外加磁场施加的电磁力可以明显细化柱状晶粒，因此采用外加磁场制备的接头在柱状晶和粗晶区具有较高的硬度（添加和不添加外部磁场的粗晶区晶粒尺寸分别为9.3 μm和16.7 μm） ，如图12所示。

3） 电阻点焊焊接工艺的优化

焊接工艺的优化内容一般包括三个主要参数：焊接电流、焊接时间和电极压力。其中焊接电流与焊接时间对熔核位置热效应的影响趋势相同，焊接电流越大、时间越长，焊接的热效应越显著。电极压力则主要通过对接触电阻和接触面积的影响来影响接头性能，当电极力不足时，接触电阻高，产生过多的热，易于发生飞溅，从而导致接头质量差; 当电极力过大时，熔核直径和接头强度均呈减小趋势，这主要是由于接触面积增大、电流密度减小和散热增加所致。

3.3 冷金属过渡焊接（CMT）

熔化极气体保护焊具有成本低、效率高等优点备受主机厂青睐，但该种焊接方式在应用过程中，存在飞溅大、变形量难以控制等问题，在铝合金薄板上很难得到广泛推广，尤其对于1 mm 左右的薄板是该种焊接工艺的“禁区”，而轻量化汽车用铝合金板厚度多为1 mm 左右。汽车白车身铝合金工件状况见表3。为获得高质量、高精度的轻量化车身零部件，对焊接技术提出了更高要求。

Fronius公司通过精准协调送丝及实时监控，创造性地提出了新型熔化极气体保护焊———冷金属过渡焊接工艺，该工艺的主要原理为当熔滴与熔池接触发生短路时，短路信号反馈给数字化处理器，焊机马上停止输出电流，处于“冷”阶段; 随后，焊丝回抽、进给，重新引弧并给予材料热量，处于“热”阶段。这样往返循环实现了焊接过程“冷”和“热”的交替。图13为CMT焊接过程。

CMT焊接工艺通过精准控制热输入从而使自动化焊接1 mm 左右的超薄铝合金成为可能，同时该工艺具备较强的搭桥能力，可降低白车身装配要求，满足轻量化车身连接需求。表4为CMT技术在白车身领域焊接适应性。

CMT焊接工艺已在国内外众多主机厂得以成功应用，尤其是在车门、顶盖等外观要求高的部位，但车身骨架等中厚板（3 mm以上） 运用CMT工艺时，其焊接过程能量输入低并具有上限值，往往产生未焊透等焊接缺陷，可采用CMT复合脉冲（CMT+P）焊接工艺，能有效避免焊接缺陷的产生。这种工艺兼顾CMT低的焊接热输入的特点，同时与电弧脉冲复合，使焊接过程热输入量可以自由调控，实现了对焊接热输入的精确控制，该种工艺适用于车身骨架、车体下结构等对连接强度有一定要求的部位。图14为CMT焊接工艺车身焊缝改善对比。

采用CMT冷金属过渡技术是轻量化汽车焊接技术的发展方向，CMT工艺以多变的模式、精准的控制被各大主机厂广泛认可。CMT、CMT+P和变极性控制技术将被广泛应用到汽车覆盖件、汽车骨架及汽车增材制造领域中。

3.4 胶接

胶接是指使用规定的粘接胶将两个以上金属或非金属零件粘结起来的技术措施。胶接技术具有应用范围广、载荷分布均匀、变形小、物理性能好、工艺简便，成本低等特点，在车身连接中获得了广泛的应用。

按照强度，粘接胶可以分为高结构（high-structural）粘接胶、柔性结构（flexible-structural） 粘接胶、弹性（elastic） 粘接胶以及密封胶（sealants） 四类。四类粘接胶的可逆弹性变形以及剪切模量如图15所示。剪切模量以及断裂时的伸长率如图16所示。

高结构粘接胶一般由环氧、丙烯酸以及聚氨酯组成，可以分为室温两组份体系以及热固化单组份体系。焊装车间所用粘结胶一般为热固化类型的，其中含有硬化剂在加热条件下与环氧树脂反应并固化，从而得到最终的产品。焊装车间进行的胶装一般先进行预固化，随后再随车身进行整体的磷化、电泳涂装工序，从而在电泳烘烤阶段完成胶的最终固化。在焊装车间的胶接类型主要包括隔振胶、折边胶、点焊密封胶、结构胶等。不同类型胶的连接方式如图17所示。

隔振胶主要用于机盖、行李箱盖、顶盖和车门等内外板之间。隔振胶的主要作用为减振，膨胀率范围100%～300%。隔振胶的使用位置如图18所示。涂隔振胶时一般分为条状胶和点状胶。条状胶的断面形状为直径约8 mm 的半圆弧，每段长度约60 mm～80 mm，段与段的间隔约40 mm; 点状胶的直径约为20 mm（ 视板件之间距离进行调整） ，相邻胶点的间隔一般大于50 mm。

车身钣金件折边结构的粘接胶统称为折边胶，是用于车身钣金件折边结构的粘接胶的通称，主要用于机盖、车门、前翼子板等位置。折边胶的应用位置如图19所示。采用折边方式连接内、外盖板，可有效提高车身的外观质量，减少焊接凹坑。折边胶施工方式有机械手自动涂胶和手动涂覆，折边后应确保内、外板之间的间距在0.1 mm～0.4 mm之间，施工压力一般控制在12 MPa～16 MPa 之间。

点焊密封胶是焊装工艺过程中常用的重要胶种之一，多用于前后围、侧围及地板等处密封，主要起密封、防漏、防腐蚀以及防止灰尘进入等作用，一般在焊接前在车身钣金件之间使用，要求其经焊接、涂装固化膨胀后具有一定粘接强度。点焊密封胶的断面形状为直径约3 mm～5 mm 的半圆弧，圆心离边界7 mm。

4、汽车板零部件的涂装工艺

铝合金汽车零部件的涂装主要包括前处理及涂装工序： 前处理方式主要包括磷化及薄膜化处理; 涂装工序主要包括电泳、中涂、色漆、清漆的喷涂等。

4.1 涂装前处理

磷化前处理方式在汽车行业应用最为普遍，钢制车身大量采用磷化处理方式。对于含铝车身而言，由于铝合金的特性，磷化方式与钢制车身存在一定差异。铝合金构件表面存在一层氧化铝（Al2O3）膜层，需要在磷化槽液中添加氟离子（F－），一方面促进铝合金表面氧化膜溶解，另一方面与槽液中游离态的铝离子（Al3+） 反应生成AlF3、AlPO4、K2NaAlF6等沉淀物，减少Al3+对磷化的影响。典型铝合金磷化后表面形貌如图20所示。

此外，含铝车身在磷化过程中产渣量要大于钢制车身的，需要根据现场情况对除渣系统进行适当调整。一般而言，在铝合金表面积比例不超过20%时，可以采用钢铝共线磷化的方式进行磷化处理; 在铝合金表面积比例超过20%时，可以采用两步法或者薄膜前处理工艺。两步法磷化其要点在于钢铝混合件中的钢件和铝件分别进行磷化和钝化处理，通过在磷化液添加遮蔽剂，使铝合金在磷化液中不反应，钢件先进行磷化，随后有钝化工序对铝合金进行钝化，确保钢件、铝件均制备良好的前处理保护膜层。

铝合金表面积比例超过20%时，可以采用两步法或者薄膜前处理工艺。两步法磷化其要点在于钢铝混合件中的钢件和铝件分别进行磷化和钝化处理，通过在磷化液添加遮蔽剂，使铝合金在磷化液中不反应，钢件先进行磷化，随后有钝化工序对铝合金进行钝化，确保钢件、铝件均制备良好的前处理保护膜层。

4.2 涂装工序

汽车涂装工序主要包括电泳、中涂、色漆、清漆的喷涂等。水性免中涂B1B2工艺，是近年来研发的一种环保性涂装工艺，由于不再设置中涂工序，降低了涂料自身的实际应用量，减少了涂装过程能量耗损及运行成本投入，降低了有害物质的排放量。免中涂涂装工艺路线由于减少了中涂工序使得涂料总体厚度下降，且由于薄膜前处理的大量使用，对于铝合金板材的表面质量的要求越来越高，板材的表面粗糙度会发生传递行为，影响最终的涂装效果。为了满足涂装后表面长波、短波以及鲜映性等指标，要求铝材严格控制平均粗糙度、峰密度和波纹度等性能指标。

结束语

本文作者对汽车用铝合金板材的结构设计及应用技术进行了系统性的概述，分别从结构设计、CAE分析、冲压成型技术、零部件的连接技术及涂装技术五个方面介绍了轻量化铝合金板材的应用现状。目前，车身中的铝合金汽车板的设计开发与生产应用已得到国家的重视和支持，汽车工业也已瞄准国际先进水平，未来对汽车用铝合金板材的结构和应用技术工艺将进行更深入的研究开发：

1） 在结构设计及仿真方面，以拓扑优化分析方法作为研究手段，对汽车用铝合金板材进行正向设计开发。

2） 在材料成形方面，充分研究铝合金的材料特性，加大对汽车车身板材用铝合金的研究力度，完善冲压模拟精度，提升冲压件表面质量。

3） 在材料连接方面，加大对连接设备及工艺的研发投入，提升铝板的连接质量、效率，降低连接成本。

4） 在零部件涂装方面，加强环保型涂装前处理工艺、免中涂短流程涂装工艺的研究，实现钢铝零部件的混合涂装和应用

审核编辑 ：李倩