變形鋁合金在汽車輕量化中的應用及挑戰
      隨著我國經濟的飛速發展以及人民對于高質量生活的追求，汽車逐漸在人們的生活中變得不可或缺。21世紀以來，國內汽車工業得到迅猛發展，汽車產量及保有量不斷增加，2019年，汽車產銷量均升至一位。汽車工業的發展給經濟帶來增長、人民帶來便利的同時，給能源及環境帶來的問題日益凸顯。
      2021年，《國務院關于完整貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出要將節約能源放在一位，實行節約戰略，持續降低能源消耗和碳排放，力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和，這使得汽車工業不得不聚焦如何提升能源利用效率、減少二氧化碳排放，而汽車輕量化設計是節能減排的有效措施。
       汽車輕量化可以通過3個方面綜合應用來實現，分別是材料輕量化、結構輕量化和工藝輕量化。隨著設計方法和制造工藝的不斷改進與成熟，汽車輕量化正重點向著提高材料輕量化的使用方向發展。本文通過對鋁合金在汽車輕量化應用中的優勢及應用方向進行研究，提出目前鋁合金在汽車輕量化應用中所面臨的技術挑戰，為未來汽車鋁合金輕量化的研究提供參考。
2 鋁合金在汽車輕量化中的應用優勢
鋁在地殼中儲量非常豐富，因其質量輕，比強度高，良好的焊接性、耐蝕性、優良的加工成形性能及可回收再利用等優點，在汽車輕量化的生產制造中有著良好的應用前景。目前，中國單車用鋁量與歐美相比差距較大，但隨著汽車輕量化的發展，未來國內汽車用鋁合金市場前景廣闊。
2.1 有效減重、節能減排
根據美國鋁業學會的報告，汽車中每使用1kg鋁，可以獲得2.2kg的減重效果[1]，且服役期內將減少20kg尾氣排放；鋁合金在汽車中的使用帶來輕量化效果外，又使得制動器等零部件實現減重，即產生二次輕量化，據美國鋁業公司的研究，汽車典型零件用鋁的一次輕量化效果可達30%～40%，二次輕量化效果可提高至50%[2]。
此外，汽車的油耗與整車質量有著很大關系，而二氧化碳排放量與油耗呈正相關。大量數據表明，汽車質量每減輕1%，可節省燃料消耗0.6%～1.0%；自重每降低100kg，每行駛100km可節約0.7L的汽油消耗，二氧化碳排放可減少約5g/km；若整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，尾氣排放將減少5%～6%；當汽車質量減輕50%，二氧化碳排放減少13%的同時，硫化物、氮化物等其他有害物質的排放也會相應減少[3-4]。
2.2 行駛性能、安全性能提高
在汽車上使用鋁合金能夠減輕汽車質量，且其安全性能和行駛性能可以得到提高。據美國鋁業協會研究，鋁合金在汽車中實現25%的輕量化效果，那么汽車加速到96.56km/h的時間就能夠縮短4s[5]。同時，鋁合金的輕量化效果使得汽車動力傳動系統負荷降低，因此在較低的牽引負荷狀態下，汽車就能得到同樣甚至更好的行駛性能。
此外，在同樣設計要求條件下，鋁合金不僅能有效減輕汽車自身質量，而且吸收碰撞的性能比鋼材優良。當汽車發生碰撞時，與鋼材相比，鋁合金材料更容易形成褶皺和變形，會多吸收50%～70%的沖擊力，從而在實現車身輕量化的同時提高了汽車安全性[6]。另外，鋁合金在汽車上使用通常會使得汽車整體重心降低，汽車駕駛的舒適性及穩定性相應得到提高。
2.3 裝配效率高、易回收
鋁合金整體車身只有部分需要點焊，焊點少，加工工序縮短，且不需要做防銹處理，因此可顯著提高汽車的裝配效率。此外，鋁合金熔點低，在使用期間腐蝕率低且程度輕微，因此便于回收利用。由于生產零件采用再生鋁耗能遠低于原生鋁所用能量，因此再生鋁材料在未來汽車上的應用將得到提高。
3 鋁合金在汽車輕量化中的應用
汽車用鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩部分，鑄造鋁合金在汽車發動機、輪轂、變速器等部位廣泛使用，變形鋁合金主要應用在發動機罩、翼子板、頂蓋、車門、后備箱蓋、覆蓋件等汽車車身上（圖1）。研究發現，汽車車身質量約占總質量的40%，因此降低汽車車身質量是整車輕量化的關鍵。
變形鋁合金可分為軋制材、擠壓材及鍛壓材，主要牌號為：2xxx系、5xxx系和6xxx系，其中2xxx系和6xxx系為可熱處理合金。5xxx系Al-Mg合金在Mg元素的作用下，板材晶粒尺寸越大其成形表面質量越差，因此通常用于汽車內板；6xxx系Al-Mg-Si合金不僅具有良好的沖壓性能，而且在烤漆處理后能將強度提高，多用于汽車外覆蓋件；2xxx系Al-Cu合金在汽車車身上的應用較少，因為其耐蝕性差，且自然時效與烤漆強化效果難以協同。
近年來，我國汽車企業關于鋁合金車身板的研究和應用逐漸增多（表1）。東北輕合金有限公司采用5754鋁合金薄板批量沖壓制成了車門內襯，且其成形率高、質量良好；長安汽車公司利用沖壓成形技術將6xxx系鋁合金板材制成了發動機覆蓋件，并實現量產[7]；西南鋁建成了我國第一條汽車鋁合金板材生產線，并成功供應其生產的5182-O態鋁合金板材；奇瑞打造的全鋁車身新SUV純電汽車，續駛里程超過500km；蔚來ES8開發并量產了鋁合金使用率高達96.4%的全鋁車身；東風汽車開發的全鋁車身公交車較同類客車實現了15.2%的輕量化；大眾Golf電動車車身使用了全鋁合金材料，整車質量成功減輕187 kg；江淮汽車在發蓋內、外板上分別使用了1.0mm厚的5180鋁合金、1.2mm厚的6016鋁合金。
4 鋁合金在汽車輕量化中應用的挑戰
4.1 材料參數積累不足
當前，部分汽車制造類企業已經對鋁合金材料相關知識和應用展開了研究，但研究不夠、應用范圍較小，加之汽車用鋁合金材料的生產技術及加工工藝不成熟、生產經驗相對較少，導致汽車用鋁合金數據庫不完整、不系統，特別是對鋁合金零部件的設計、結構計算、加工工藝及使用性能方面的知識、技術嚴重欠缺。此外，對于鋁合金的輕量化表征及測試方法也沒有標準規范。
4.2 連接技術
乘用車車身大部分的工件都是通過焊接連接而成，而鋁材的焊接技術難度遠大于鋼材，因此如何改善汽車鋁合金覆蓋件的焊接性能，提高焊接質量成為了擴大鋁合金在汽車覆蓋件上應用的難點。此外，未來汽車發展朝著多材料結構方向，這就要求對不同種類的材料進行連接（如鋼-鋁、鎂-鋁、碳纖維材料-鋁等）。雖然Yan[9]和Badu等[10]分別通過冷金屬過渡焊接和激光焊接技術在一定程度上實現了異種金屬連接，但都沒有得到廣泛地應用，因為冷金屬過渡焊接時，熔滴一旦接觸到熔池將會發生短路，導致焊接過程不穩定；而激光焊接在焊接時焊縫內氣體不易溢出，焊縫質量不理想。此外，傳統的焊接技術不能滿足異種材料連接時存在的變形和應力、界面硬脆相、電化學腐蝕評價檢測問題，因此探究連接新技術尤為重要。
4.3 涂裝性能
鋁合金材料的涂裝前處理工藝與鋼材基本相同，但傳統的鋼板磷化處理時，磷化液中游離的氟離子含量較低，不能對鋁板進行腐蝕，導致鋁板生成的磷化膜質量不高。正常情況下，板材涂裝后的耐蝕性及附著性與磷化膜質量息息相關，磷化膜質量過厚，板材涂裝后的耐水二次附著力會顯著下降；而磷化膜質量過低，則板材耐蝕性下降[11]。有學者研究發現，銅和鎂的添加能夠改善鋁材的磷化膜質量,但是添加后鋁材的耐腐蝕性能都會變差。此外，鋁合金種類不同時，其磷化膜的大小、質量和附著狀態、電泳漆膜及面漆的外觀、附著力、硬度、光澤、耐水、耐腐蝕、耐沖擊性能都有所區別，需要對其進行測試才能滿足汽車涂裝的性能要求[12]。可見，鋁合金材料涂裝前處理工藝的多樣化和復雜化將成為鋁合金在汽車上應用的一大挑戰。
4.4 沖壓成形技術
汽車車身構件的主要成形方式為沖壓成形，相較于已廣泛研究應用的鋼，鋁合金板材的沖壓成形技術還不成熟，存在著大量問題。鋁板塑性及延伸率較鋼板差，彈性模量也只為鋼的三分之一，在沖壓成形時會因為倒角和間隙偏小使得金屬流動困難，因而板材各處受力不均勻，極易產生裂紋和起皺缺陷，且成形后出現回彈現象，將導致板材成形精度出現偏差[13]。另外，鋁板表面氧化膜較鋼板塑性差、易破碎，在成形過程中不具有潤滑作用，并且鋁合金修邊時料屑難以控制。此外，2系、6系及7系可熱處理合金在室溫放置時不可避免的存在自然時效現象，這將影響板材的成形性能且使得人工時效效果降低[14]。因此，未來應當綜合考慮影響鋁合金板材沖壓成形性能的主要因素，比如工藝參數、圓角大小、材料屬性、壓邊力、摩擦系數、潤滑情況等因素；同時重視對鋁合金加工制造工藝的研究，改善并解決鋁合金的成形缺陷，提高成形鋁的合格率。
5 結束語
隨著我國對能源及環境問題的日益重視，輕量化已成為汽車工業節能減排的重要舉措，而鋁合金以其獨特的優勢成為汽車輕量化的材料。目前，我國已在汽車鋁合金輕量化上取得一定的成果，但在材料參數、連接技術、涂裝性能及沖壓成形技術方面存在挑戰，因此需要汽車類企業加大對汽車鋁合金輕量化的研究。
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