汽車輕量化材料及制造工藝研究淺析

陳進(jìn)

[摘要]由于汽車行業(yè)的高速發(fā)展，各類汽車品牌逐漸形成“百家爭艷”之勢，所以如何制造高質(zhì)量、高性能的汽車成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重，而汽車輕量化是制造一臺好汽車的重要因素。當(dāng)前，汽車輕量化采取的兩種主要途徑：一種是采用輕量化材料，如高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等； 另一種是采用先進(jìn)的車身制造工藝，如熱成型、激光拼焊、液壓成型等。文章重點(diǎn)介紹了輕量化材料及先進(jìn)的制造工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述了輕量化領(lǐng)域中新材料、新工藝的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，提出了未來汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢，并指出了各種材料的優(yōu)勢和應(yīng)用過程中遇到的一些技術(shù)問題，通過分析，相信對實(shí)現(xiàn)車身減重輕量化具有重要意義。

[關(guān)鍵詞]汽車行業(yè)；汽車輕量化材料；制造工藝

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.41.040

1 國內(nèi)輕量化材料發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅在2014年我國的汽車產(chǎn)量就達(dá)到了2372.29萬輛，同比增長7.26%，相應(yīng)地，銷量達(dá)到了2349.19萬輛，同比增長6.86%，穩(wěn)居世界第一。同時(shí)，無論從國際市場還是國內(nèi)市場來看，我國的汽車銷量仍然處于上升階段。汽車銷量的不斷增加一方面極大地拉動(dòng)了我國制造業(yè)的發(fā)展，但另一方面也造成了大量的資源消耗和環(huán)境污染，這給我國的建設(shè)增添了新的難題。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車自身重量減少1%就可以減少0.7%的消耗量，減少1L的排放量就可以減少2.5千克的排放量。這一數(shù)據(jù)表明，在控制汽車尾氣排放時(shí)，除了控制排放、提高燃油效率等手段外，還可以通過減輕汽車自重來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

從汽車構(gòu)造來看，車身就占據(jù)了其1/3的重量，因此減輕汽車自重應(yīng)從車身材料的選擇入手。汽車車身材料應(yīng)該滿足以下幾個(gè)原則：①能夠滿足汽車在使用過程中所需的安全性、穩(wěn)定性、舒適性等性能；②能夠進(jìn)行沖壓成型、焊接等，具有良好的工藝性；③具有良好的經(jīng)濟(jì)性，并且可回收。汽車的發(fā)展離不開材料技術(shù)的進(jìn)步，選擇輕量化的車身材料既能夠提高汽車的安全性能，又能夠減輕車身自重從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。當(dāng)前市場上的汽車輕量化材料主要有兩種類型：一類是以高強(qiáng)鋼為主的高強(qiáng)度材料；另一類是以鎂鋁合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料。同時(shí)還有一些如碳纖維等為主的新型材料，這類材料一般應(yīng)用于高端領(lǐng)域，比如法拉利跑車等。本文中所討論的主要是通用型汽車，因此不對這一部分進(jìn)行討論。

1.1 高強(qiáng)度鋼

在汽車生產(chǎn)制造過程中，鋼是使用最多的材料，如果選用高強(qiáng)度鋼則可以有效的保證汽車的強(qiáng)度并減輕汽車重量。隨著近年來制造技術(shù)的進(jìn)步，高強(qiáng)度鋼得到了很大的發(fā)展，在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅在2014年我國的汽車產(chǎn)量就達(dá)到了2372.29萬輛，同比增長7.26%，相應(yīng)的銷量達(dá)到了2349.19萬輛，同比增長6.86%，穩(wěn)居世界第一。同時(shí)，無論從國際市場還是國內(nèi)市場來看，我國的汽車銷量仍然處于上升階段。汽車銷量的不斷增加一方面極大地拉動(dòng)了我國制造業(yè)的發(fā)展，但另一方面也造成了大量的資源消耗和環(huán)境污染，這給我國的建設(shè)增添了新的難題。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車自身重量減少1%就可以減少0.7%的消耗量，減少1L的排放量就可以減少2.5千克的排放量。這一數(shù)據(jù)表明，在控制汽車尾氣排放時(shí)，除了控制排放、提高燃油效率等手段外，還可以通過減輕汽車自重來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

汽車車身使用最多的材料即為鋼，高強(qiáng)度鋼可以有效地減輕汽車重量。按照相關(guān)規(guī)定，低碳鋼的屈服強(qiáng)度小于210MPa，抗拉強(qiáng)度小于270MPa。高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度大于210MPa小于810MPa，抗拉強(qiáng)度大于270MPa小于700MPa。而超高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度大于810MPa，抗拉強(qiáng)度大于700MPa。汽車領(lǐng)域的需求使得高強(qiáng)度鋼的用量和種類都大幅度增加，進(jìn)一步促進(jìn)了鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，上海寶鋼等在鋼材品種和數(shù)量上都實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的增加。

圖1 國內(nèi)某自主品種高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

當(dāng)前汽車領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)度鋼的使用越來越頻繁，但是在使用中仍然存在一些技術(shù)難題。隨著鋼強(qiáng)度的增加，其成型性能和伸長率等都會受到很大影響，材料的成型和焊接性能都不容易控制，使得材料難以加工，工藝性不好。另外，雖然當(dāng)前我國掌握了一些能夠獨(dú)立生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼的技術(shù)，但所生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼在數(shù)量和質(zhì)量上都與世界先進(jìn)水平存在較大的差距。

1.2 鋁合金

相對于鋼而言，鋁合金的比重僅為其30%，為2.68g/cm3。當(dāng)彎曲剛度相等時(shí)，鋁合金的相對厚度為1.43，其減重潛能為49%。當(dāng)彎曲強(qiáng)度相等時(shí)，其減重潛力為38%。相關(guān)研究結(jié)果顯示，若用車身材料選用鋁合金，那么它將在同等情況下比低碳鋼、鑄鐵等每千克可少排放13～20千克溫室氣體。因此，越來越多的汽車開始采用鋁合金來減輕車身重量，在豪華汽車上這一趨勢更為明顯。

隨著我國汽車制造業(yè)的發(fā)展，大量B級車和C級車相繼問世，近年來還出現(xiàn)了一批檔次較高的新型汽車。相關(guān)法律法規(guī)的不斷完善，也使得鋁合金在國內(nèi)汽車市場大量運(yùn)用的條件進(jìn)一步成熟。同時(shí)，鋁合金材料的冶煉技術(shù)推進(jìn)也促進(jìn)了汽車行業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前其主要的應(yīng)用形式有以下幾種：汽車懸架支架、車輪等結(jié)構(gòu)件所用的鋁合金鍛件；車身殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋等模具鑄造件；車身結(jié)構(gòu)等鋁合金基拉拉伸件。車廂、覆蓋件、蓋板等軋制板材；殼體、強(qiáng)度較高的小型鑄造件。

當(dāng)前鋁合金大量使用推廣的主要障礙是，其成本較高并且焊接工藝性差。因此大力改進(jìn)鋁合金的冶煉技術(shù)、降低材料成本、改善成型工藝性對于鋁合金材料在汽車領(lǐng)域的使用推廣極為重要，可以大幅度地推動(dòng)我國汽車輕量化的發(fā)展。

1.3 鎂合金

鎂是當(dāng)前廣泛使用材料中質(zhì)量最輕的金屬，其比重僅為鋼的1/4，為 1.74 g/cm3。因此鎂在同等質(zhì)量下具有較高的強(qiáng)度，其比強(qiáng)度和比剛度都較高，在汽車輕量化中，鎂合金具有更好的效果。另外，鎂由于其自身特殊性，在散熱和減震方面也有著較好的性能，因此被材料界認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘俨牧?。按照不同的制造工藝可以制造出變形鎂合金和鑄造鎂合金兩種合金，后者相對于前者在制造成本上更為低廉，因此其使用更為廣泛。隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前汽車零件制造對于鎂合金的使用已經(jīng)非常廣泛，其儀表盤骨架、座椅骨架等60余種零件都是由鎂合金制造而成。

未來汽車的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為幾個(gè)方面，減輕車身質(zhì)量，改進(jìn)燃燒性能，減少排放，降低成本。當(dāng)前汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢決定了鎂合金未來廣泛的使用前景，目前鎂合金處于廣泛運(yùn)用的起步階段，大量關(guān)于鎂合金生產(chǎn)加工的相關(guān)技術(shù)得到了大量研究人員的關(guān)注。與世界先進(jìn)水平相比，我國在這方面還存在很多的不足，總體技術(shù)水平還有較大的差距，在汽車上的使用更為不足。因此我國當(dāng)前應(yīng)加大對鎂鋁合金在實(shí)際運(yùn)用中技術(shù)的開發(fā)，從而推動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，為進(jìn)入國際市場打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.4 塑料和復(fù)合材料

與金屬材料相比，在原材料的來源上塑料和復(fù)合材料有著極為明顯的優(yōu)勢，并且由于其材料的特殊性，這些材料大多都擁有更低的密度和更高的比強(qiáng)度，成型工藝性能等更為良好。目前市場上比較常見的塑料和復(fù)合材料主要有PP、PVC、PE、纖維復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、熱塑性樹脂復(fù)合材料等。早期主要用于汽車的內(nèi)外裝飾，如今這些材料已經(jīng)應(yīng)用到了汽車的結(jié)構(gòu)件上，為汽車的輕量化做出了巨大貢獻(xiàn)。目前塑料在汽車上的使用主要體現(xiàn)在儀表板、車門內(nèi)板、油箱、風(fēng)扇葉片、擋泥板等基礎(chǔ)構(gòu)件上。其未來的發(fā)展則是朝著研發(fā)機(jī)車結(jié)構(gòu)構(gòu)件上進(jìn)行，通過制造出高性能的塑料來獲得更加可靠的汽車構(gòu)件。

當(dāng)前整個(gè)汽車行業(yè)對于塑料及其復(fù)合材料的使用已經(jīng)非常廣泛，其中使用率最高的是其中德系車單車，其塑料的使用率達(dá)到了22%，為300～360千克。歐美國家的平均水平也達(dá)到了16%，而我國國內(nèi)的單車其塑料使用率僅為8%，與國外先進(jìn)水平差距還非常巨大。因此，國內(nèi)汽車想要在汽車輕量化道路上有更長遠(yuǎn)的發(fā)展，就不得不考慮加強(qiáng)對塑料和復(fù)合材料的研究。

2 先進(jìn)輕量化制造工藝

2.1 激光拼焊板成型技術(shù)

激光拼焊板成型技術(shù)在汽車輕量化中占據(jù)了極為重要的地位，汽車的尾門內(nèi)板、底板、前后縱梁、側(cè)圍、輪罩等汽車零部件的成型都離不開它的使用。激光拼焊板成型技術(shù)在加工板材的過程中可以將不同厚度和材質(zhì)的鋼板焊接在一起，極大地減少了因搭邊等因素而造成的浪費(fèi)，材料使用率較高，因此在制造業(yè)中的使用越來越廣泛。

與點(diǎn)焊等傳統(tǒng)技術(shù)比較而言，激光拼焊板成型技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：①通過將不同厚度的材質(zhì)的材料焊接到一起可以分別發(fā)揮出它們的優(yōu)勢，從而改善車身的理學(xué)性能，在提高汽車強(qiáng)度的同時(shí)減輕質(zhì)量；②減少了加工過程中所需的模具數(shù)量，從而極大地節(jié)約了成本；③減少了搭邊等材料的浪費(fèi)，提高了材料利用率，使零件結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化；④所采用的對接工藝具有良好的工藝性，能夠有效地提高其耐腐蝕性。激光拼焊板成型技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)使其在前后車門內(nèi)板、前后縱梁、側(cè)圍、底板、A/B/C柱、輪罩等構(gòu)件上得到了廣泛的運(yùn)用。

激光拼焊技術(shù)在汽車制造行業(yè)中的使用已經(jīng)日益廣泛，不過當(dāng)前仍然存在著一些問題，主要體現(xiàn)在其關(guān)鍵成型技術(shù)研究不足上。由于其焊接技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)有著較大的差別，并且焊接中焊縫、母材性能等都不盡相同，焊接產(chǎn)生的焊縫移動(dòng)等造成材料塑性破壞和破裂等問題都不能再用傳統(tǒng)的板材沖壓理論去解釋，因此當(dāng)前急需建立起一套理論來解決激光拼焊板沖壓成形過程中所產(chǎn)生的問題。另外，當(dāng)前的激光拼焊板技術(shù)大多都在不同的鋼板或者鋁板等同種材料中使用，而對于不同中板件之間的焊接研究卻嚴(yán)重不足。

2.2 “點(diǎn)焊+粘接”復(fù)合連接技術(shù)

“點(diǎn)焊+粘接”復(fù)合連接技術(shù)在轎車汽車車身結(jié)構(gòu)中的使用已經(jīng)逐漸推廣，并且?guī)啄陙磉€呈現(xiàn)增長的趨勢。寶馬、大眾等轎車都在其生產(chǎn)的汽車中推廣使用了這一技術(shù)，比如大眾AUD IA6的粘接長度從原來的36m增加到122m。這一技術(shù)的使用可以有效地減少材料焊點(diǎn)的數(shù)量，從而減輕車重。比如大眾AUD IA6采用這一技術(shù)后，其焊點(diǎn)數(shù)量從6147個(gè)減少到5102個(gè)，車身重量減少了7千克，而相應(yīng)地其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度卻有所上升。

“點(diǎn)焊+粘接”復(fù)合連接技術(shù)是未來汽車輕量化的重要成果之一，相信不久后將會有突破性的發(fā)展，但是當(dāng)前在國內(nèi)對于此技術(shù)沒有太多的文獻(xiàn)敘述，雖然應(yīng)用趨勢在上升，但是相對技術(shù)還是不夠完善，所以還是有待加強(qiáng)。

2.3 熱成型技術(shù)

熱成型技術(shù)也是汽車輕量化不可缺少的技術(shù)之一，它在汽車的橫梁、加強(qiáng)板等汽車重要零件中得到了廣泛的使用，比如前保險(xiǎn)杠橫梁、中央通道左右B柱加強(qiáng)板等。熱成型技術(shù)主要是通過將鋼材加熱，使其變?yōu)閵W氏體狀態(tài)，然后來對其進(jìn)行加工，這種方式可以有效地改善材料的成型性能，加工出來的零件在強(qiáng)度、延展性上都有良性的變化，并且質(zhì)量更輕，沖壓性能更好。

如圖2所示為其工藝原理。

圖2 熱成形工藝原理

熱成型工藝的加工原理與傳統(tǒng)冷沖壓存在較大的差別，在加工中存在更多的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：①回彈較小，可以使加工出的零件有更高的尺寸精度；②加工的零件更薄，能減輕汽車重量；③延展性和塑性更好，能夠加工出更加復(fù)雜的零件；④板料的變形抗力減小，可以在沖壓時(shí)減小沖壓機(jī)的噸位，從而降低成本；⑤表面硬度更高，能夠達(dá)到50 HRC，比傳統(tǒng)工藝增加了兩到三倍。

我國的熱成型工藝還不夠成熟，無論是生產(chǎn)技術(shù)還是生產(chǎn)規(guī)模上都趕不上國際先進(jìn)水平，無法滿足我國當(dāng)前制造業(yè)的需要，雖然一些企業(yè)開始建立了熱成型生產(chǎn)線，但是大多都是從國外引進(jìn)，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)。隨著我國對這一塊的重視，國內(nèi)各大高校和研究機(jī)構(gòu)開始加強(qiáng)對熱成型工藝的研究，而且近年來的研究成果顯著，這使得我國的熱成型工藝逐漸開始向國際水平靠攏，極大地推動(dòng)了我國汽車行業(yè)的發(fā)展。

3 結(jié) 論

從當(dāng)前汽車的發(fā)展趨勢看來，未來汽車發(fā)展的主導(dǎo)方向必然是輕量化。因此未來汽車生產(chǎn)企業(yè)面臨的主要難題即是如何在低成本的情況下實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，通過合理的選擇材料和加工成型方法充分發(fā)揮出材料的性能，真正地實(shí)現(xiàn)低成本和高性能。

我國汽車行業(yè)起步較晚，因此在輕量化制造工藝和相關(guān)技術(shù)上還趕不上國際先進(jìn)水平，尤其是基礎(chǔ)理論的不完善和關(guān)鍵技術(shù)的限制使得我國汽車輕量化發(fā)展還面臨很多難題。要想實(shí)現(xiàn)快速的發(fā)展就必須加強(qiáng)相關(guān)理論和技術(shù)的研究，通過大量人力財(cái)力的堆積來實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展，尤其是熱成形、激光拼焊等關(guān)鍵技術(shù)更應(yīng)該加強(qiáng)研究力度和推廣力度。當(dāng)前汽車輕量化研究已經(jīng)開始向各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展，正逐步實(shí)現(xiàn)各個(gè)輕量化技術(shù)的復(fù)合。并且也輕量化汽車也必將朝著節(jié)能、精密、柔性、綠色、信息化、智能化、系統(tǒng)化、集成化的方向發(fā)展。

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