鋁合金用于新能源乘用車車身輕量化及經濟性分析

劉頔，朱成

（中國汽車技術研究中心，北京 100070）

1 新能源乘用車輕量化意義及要求

汽車輕量化是改善燃油經濟性、減少污染物和碳排放的重要措施，整個汽車行業為此做了諸多努力，也取得了很多成果。與傳統汽車相比，新能源乘用車對輕量化的要求更為迫切。因為新能源乘用車目前能夠使用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距巨大，動力系統（主要是電池）通常占整車總質量的30%～40%.這就決定了新能源乘用車在與傳統汽車同等排放量的單位能耗（電耗量/100 km）下，不能像傳統汽車那樣靠一次補充能量實現長距離的行駛。因此，新能源乘用車必須在電氣化的同時采取比傳統意義上的輕量化技術更先進的技術。

1.1 輕量化是增加續駛里程的重要措施

對某一新能源汽車車型建模仿真分析，結果表明，整備質量每減重100 kg，在無制動能量回收的情況下，NEDC工況百公里耗電量將下降5.5%，續航里程增加5.5%.因此，輕量化是提高新能源汽車續駛里程的重要措施之一。整車質量與NEDC工況續駛里程、能量消耗率的關系如圖1所示。

圖1 整車質量與NEDC工況續駛里程、能量消耗率的關系

1.2 輕量化增加傳統汽車成本

在傳統汽車上應用輕量化的目的是降低油耗，實現減排。但經過研究，同樣的結構件，如果由鋼材料調整為塑料材料降重100 kg，按降重1/2的比率計算，材料成本增加約260元； 同樣的結構件，如果由鋼材料調整為鋁合金材料降重100 kg，按降重1/3的比率計算，材料成本增加約2 400元。因此，雖然傳統汽車輕量化技術的應用降低了使用成本，但是，增加了車輛成本。不同的材料價格如表1所示。

表1 不同材料價格（單位：元/t）

1.3 輕量化可以降低新能源汽車動力電池成本

對某一新能源汽車車型建模仿真分析，結果表明，整備質量每減重100 kg，電池電量約減少1.1 kW·h，按1 500元/kW·h計算，成本減少1 650元。對于新能源汽車，在保持相同續駛里程的前提上，應用輕量化技術可以降低車輛裝載動力電池的成本。新能源汽車不同整備質量需裝載電池能量如表2所示。

表2 新能源汽車不同整備質量需裝載電池能量（單位：kW·h）

2 新能源乘用車輕量化技術途徑

整車輕量化的重點在于車身和底盤的輕量化，且它們之間有效集成。新能源乘用車整車輕量化技術途徑如圖2所示。

2.1 鋁合金車身

目前，世界各大汽車公司都在積極推進車身、車體主要部件的鋁材化，圖3為全鋁車身框架。比較常見的車身框架鋁合金材料一般為經熱處理的6000系、5000系鋁合金和7000系（Al-Mg-Zn-（Cu）系）鋁合金。7000系鋁合金是以Zn、Mg為主要合金元素的熱處理可強化型鋁合金；Al-Zn-Mg合金具有優異的熱變形性能、較高的強度、良好的焊接性能和較好的耐腐蝕性，是一種高強可焊的鋁合金；Al-Mg-Zn-Cu合金則是在Al-Mg-Zn合金的基礎上通過添加Cu元素而得到的一種超高強鋁合金，其強度高于2000系鋁合金。鋁合金型材件、鋁合金沖壓件、鋁合金鑄造件三者的對比情況如表3所示。

圖2 新能源乘用車整車輕量化技術途徑

圖3 鋁合金車身骨架

表3 鋁合金型材件、鋁合金沖壓件、鋁合金鑄造件的對比情況

2.2 鋁合金底盤

對于鋁合金底盤，要求其具有強度高、耐腐蝕和沖擊、疲勞性能優異等特點。鋁合金底盤如圖4所示。鋁合金底盤主要使用鍛造件6082-T6鋁合金，它屬于6XXX系變形鋁合金工藝。傳統的鋁合金制造工藝是：擠壓—輥鍛—模鍛—固溶淬火—人工時效；先進的鋁合金制造工藝是：擠壓鑄造—模鍛成形—固溶淬火—人工時效。

2.3 碳纖維增強復合材料（CFRP）車身覆蓋件

選擇汽車材料時需要考慮一系列因素，比如力學性能、輕量化、材料穩定性、材料的可設計性和可加工性等。每一個因素都會對汽車的設計、生產、銷售、使用等產生不可忽視的影響。近年來，碳纖維增強聚合物基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP）以其獨有的性能特點，成為頗受關注的汽車新材料。碳纖維車身質量輕、強度大，比鋼質車身輕50%，比鋁車身輕約30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化取得突破性進展，整車減重效果可以達到50%以上。碳纖維增強復合材料車身覆蓋件如圖5所示。

圖4 鋁合金底盤

圖5 碳纖維增強復合材料車身覆蓋件

3 鋁合金車身連接工藝

3.1 點焊

鋁的點焊工藝是在電極壓力下，靠電阻熱熔化鋁材，將其連接到一起的工藝，主要用于鋁合金同質材料之間的連接。鋁點焊設備控制器要求控制準確、穩定，控制器焊接時間設置毫秒控制，焊接輸出電流10 ms達到穩定狀態。鋁點焊一般采用復合電極來提高壽命，電極帽表面采用特殊的圓環式設計，可以在鋁材表面產生不同的應力區，破壞氧化膜，以得到可控制的電阻。鋁點焊的優勢是可以實現多種厚度材料組合的連接，工藝柔性好，而且鋁點焊的靜態強度和疲勞強度高，單步工藝時間可控制在3 s以內。點焊焊接如圖6所示，焊接位置如圖7所示。

3.2 自沖鉚接

圖6 點焊焊接

自沖鉚接是通過電機提供的動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材中，當鉚接板材在鉚釘的壓力下與鉚釘發生塑性形變并成型后，充盈于鉚模之中，從而形成一種全新的板材連接技術。鉚釘技術具有較高的抗疲勞強度和較強的靜態緊固力，這意味著運用該技術打造的車型車身剛性更強，當面對撞擊時，采用鉚釘技術的車型能承受更劇烈的撞擊，盡可能地保證車內人員的安全。自沖鉚接（SPR）工藝如圖8所示。

圖7 焊接位置（淺灰色線條）

圖8 自沖鉚接（SPR）工藝

3.3 螺栓連接

螺栓連接是通過高速旋轉使板料熱變形后攻絲鉚接的冷成型工藝，其原理如圖9所示。螺栓連接的優缺點如表4所示。

圖9 螺栓連接（FDS）

3.4 結構膠技術

由于鋁合金材料對熱比較敏感，如果采用傳統焊接工藝連接車身部件，存在材料強度下降的問題；再加上鋁合金材料受熱易變形，全鋁車身拼合尺寸精度不易控制。所以，全鋁車身以鉚接來代替點焊，并且采用膠合工藝提高各部件的連接強度。同時，采用膠合工藝有助于提升車體的密封性。結構膠連接如圖10所示。

表4 螺栓連接的優缺點

鋁與不同材料連接時，還可采用黏膠連接技術，它在汽車行業的應用也非常廣泛。

4 鋁合金車身連接工藝對比分析

車身各零部件的連接，是指骨架與骨架、蒙皮與骨架、鋼件與鋁件、車門與骨架、內飾與骨架等各零部件之間的有效連接。對于全鋁車身結構來說，重點在骨架與骨架、蒙皮與骨架之間的連接。從汽車輕量化的輕量準則角度講，焊接連接工藝最輕，其次是鉚釘連接工藝，螺栓連接工藝最重；從疲勞強度可靠性的角度講，螺栓連接工藝和鉚釘連接工藝最佳，其次是焊接連接工藝；從生產成本核算的角度講，焊接連接工藝最省，螺栓連接工藝最貴。

5 鋁合金材料用作車身的經濟性分析

以某一A0級乘用車為例，其前防撞梁總成采用輕量化技術，對原鋼板總成數據進行CAE分析，獲取模態、剛度、強度等計算數據，在這些數據的基礎上進行鋁合金防撞梁的設計，采用6系鋁合金材料制造前防撞梁總成，具體如表5所示。用鋁合金材料制作的前防撞梁，與鋼板總成相比，質量減輕，但生產成本有所上升。鋼板前防撞梁總成零部件原材料、沖壓、焊裝、涂裝和工裝投入費用預算如表6所示。

由仿真計算可知，鋼板前防撞梁總成零部件材料凈重合計（鋼板總成件質量）6.2 kg。經預算，在單件產品的總成本中，原材料費約為80元，批量生產鋼板前防撞梁總成單件成本為370元（不含模具分攤）。雖然模具生產能夠滿足大批量生產的要求，但是，模具費一次性投資比較大，為330萬元。如果考慮模具10萬次攤薄壽命，將費用分攤到產品價格中，為33元/件。如果帶模具分攤，單件產品的成本約為400元。經過市場調研，向供應商詢價，目前，各種汽車鋁合金材料防撞梁在市場上的使用量越來越大。

經統計，6系鋁合金的強度高、可加工性比較好，可焊接性中，尤其近年來，鋁合金的焊接技術發展迅速，鋁合金焊接成本下降，原材料價格基本穩定，鋁合金防撞梁的市場價格逐漸降低。經市場分析，大批量采購鋁合金防撞梁的價格估計為450元/件（不包括產品開發費用），而且價格有下降趨勢。因此，對前期開發費用的估算是：一次性投入20～30萬元，即可獲得產品模具（采取委托加工的方式），從而達到降低單件采購價格的目的。由此可以預測，未來鋁合金前防撞梁的市場價有更大的下降空間。由上述分析可知，鋁合金前防撞梁比鋼板前防撞梁減重3.4 kg，成本增加約120元，整車續駛里程增加0.39 km，能耗降低約0.032 kW·h。在同樣續駛里程下，綜合成本增加72元。鋼板前防撞梁總成與鋁合金前防撞梁總成的對比情況如表7所示。

圖10 結構膠連接

6 鋁合金用作車身的發展趨勢

近年來，世界性的能源和環境問題受到了人們的高度重視，這就要求汽車生產廠商必須盡可能地減輕汽車自重，減少能源消耗，從而減少汽車工業對環境造成的不利影響，減少對傳統能源的依賴。而用鋁合金材料代替傳統的鋼材，將其應用于汽車制造行業，可以顯著降低汽車自重，提高能耗經濟性。目前，美國、歐洲國家、日本的眾多汽車品牌均大規模使用了鋁合金材料，比如奔馳、奧迪、寶馬、大眾、福特和豐田等。鋁合金用作車身的發展趨勢如圖11所示。

在材料方面，鑄造鋁合金大多為共晶和亞共晶的鋁硅合金，少數零件使用傳統的過共晶鋁硅合金材料。因為過共晶鋁硅合金材料的鑄造性能和機加工性能比較差，近年來有改用低硅或中硅的亞共晶鋁硅合金的趨勢。針對汽車零部件的不同，相對應的鋁合金材料研發的側重點也不同。

表5 防撞梁各部件所用材料

表6 鋼板前防撞梁總成零部件原材料、沖壓、焊裝、涂裝和工裝投入費用預算

表7 鋼板前防撞梁總成與鋁合金前防撞梁總成的對比情況

開發低成本的鋁合金制造和加工技術，以及鋁合金的回收再生技術，是降低鋁合金材料生產和使用成本的有效手段，也是鋁合金材料的又一發展方向。未來將大力發展多材料結構汽車，要求連接不同類型的材料（比如鑄鐵—鋁、鋁—鎂、鋼—鋁等），所以，異種材料的連接技術以及對材料的表面處理技術的研發，也是今后擴大鋁合金在汽車上應用的重要發展方向。新材料的發展，高性能材料的需求，促使新型材料連接技術的發展，使各種材料的連接成為可能，以保證材料的性能。但是，相關人員不僅要開發出新型材料連接技術，獲得高性能的材料，還要保證新型材料連接技術高效、節能、環保。同時，隨著智能化技術的發展，未來材料連接在智能化方面的研究也會不斷深入。

圖11 鋁合金用作車身的發展趨勢

［1］杜坤，劉峰.鋁合金連接技術的輕量化應用［J］.汽車制造業，2017（06）.

［2］雷步芳，岳峰，李永堂，等.鋁及鋁合金擠壓工藝及設備［M］.北京：國防工業出版社，2014.