汽車沖壓板材鋁合金的應(yīng)用

謝朋飛 宋貴鋒 路東東

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展及我國在能源、環(huán)保和安全三方面越來越嚴(yán)厲的要求下，由于提高汽車的輕量化能夠有效節(jié)約油耗和減少排量，鋁合金板材在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也越來越廣泛[1]。鋁具有密度小、質(zhì)量輕、成型加工性好、可以重復(fù)回收利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，加上可以提高汽車行駛性能和安全舒適性能、降低燃油的消耗、減少排放和減輕對(duì)環(huán)境的污染有顯著的作用，因此，鋁合金被公認(rèn)為是未來汽車的理想材料之一。

1　鋁合金在汽車車身上的應(yīng)用

目前，全世界耗鋁量的12%～15%以上用于汽車工業(yè)，有些發(fā)達(dá)國家已超過25%。2002年，整個(gè)歐洲汽車工業(yè)1年消耗了150萬t以上的鋁合金，其中約25萬t用于車身制造，80萬t用于汽車傳動(dòng)系制造，另外有42.8萬t用于制造汽車行駛機(jī)構(gòu)和懸掛機(jī)構(gòu)[2]?？梢钥闯?，汽車制造工業(yè)已成為最重要的鋁材料消費(fèi)大戶。沖壓鋁制板材在汽車車身上的應(yīng)用，如圖1所示。

圖1　鋁板材在汽車車身上的應(yīng)用

2　鋁合金沖壓板材在沖壓上的工藝要求

2.1　鋁合金板材成型及模具工藝要求

經(jīng)調(diào)研，鋁合金的成型工藝與普冷板一致，可以通過增加工序減少廢料刀使用量，降低鋁屑產(chǎn)生，但其模具要求與普冷板存在差異，表1示出沖壓鋁板材對(duì)模具的特殊要求。

表1　鋁板模具要求

2.2　鋁合金板材長期保管注意事項(xiàng)[3]

1）鋁板材失效硬化的后屈服強(qiáng)度上升，包邊加工性降低模具制作時(shí)，考慮使用滿足規(guī)格要求的上限材料，生產(chǎn)前進(jìn)行可行性確認(rèn)；

2）用于生產(chǎn)的拉延油/防銹油容易揮發(fā)，板料包裝打開后應(yīng)立即使用，或在沖壓前進(jìn)行清洗涂油；

3）表面容易氧化，不可露天放置，必須進(jìn)行特殊管理（包裝）。

3　鋁合金沖壓板件在焊接上的工藝要求

焊裝鋁合金車身過程中的主要工藝有電阻焊、CMT冷過渡焊接、鎢極氬弧焊、鉚接、沖連及打磨拋光等[3]。

3.1　鋁合金板件無鉚連接工藝

鋁板件無鉚連接是通過壓力設(shè)備和專用模具將2層或多層金屬板件冷擠壓成型，然后形成一個(gè)具有一定抗拉和抗剪強(qiáng)度的內(nèi)部鑲嵌連接點(diǎn)。連接板件厚度可以相同或不同，可以有膠粘層或者其他中間層，材質(zhì)可以相同或不同。連接效果好，不需要輔助連接件。

3.2　鋁合金件沖鉚連接工藝

鋁板件沖鉚連接，如圖2所示，是使用沖鉚設(shè)備，將沖鉚鉚釘壓入被連接材料，形成一個(gè)穩(wěn)定、牢靠、美觀的連接點(diǎn)。

圖2　沖鉚連接過程

沖鉚連接工藝的特點(diǎn)：

1）高強(qiáng)度，鎖鉚連接點(diǎn)的抗剪、抗拉動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度，抗沖擊性能都高于或等于點(diǎn)焊連接點(diǎn)的強(qiáng)度；

2）可以目測(cè)連接質(zhì)量。鉚釘完全打入工件中，同時(shí)在連接工件的另一側(cè)形成了一個(gè)凸出的接點(diǎn)，即認(rèn)為是合格；

3）被連接材料無需事先鉆孔，工藝簡單；

4）連接點(diǎn)是密封的，不會(huì)進(jìn)入氣、液，造成材料腐蝕；

5）對(duì)金屬、非金屬，不同材質(zhì)、不同厚度、不同強(qiáng)度的金屬都可以連接。

3.3　電阻焊接

目前，鋁合金的電阻焊一般采用中頻或高頻電阻焊工藝，該種焊接工藝只在焊鉗電極直徑大小范圍內(nèi)，且在極短的時(shí)間內(nèi)融化母材金屬而形成熔池，焊點(diǎn)迅速冷卻形成連接，產(chǎn)生鋁鎂粉塵的可能性極小。產(chǎn)生的焊接煙塵大多是金屬表面和表面雜質(zhì)的氧化物顆粒。焊接過程中都配有工位局部排風(fēng)，能及時(shí)將這些顆粒通過風(fēng)筒排到大氣中，基本不會(huì)產(chǎn)生鋁鎂粉塵的沉積。

3.4　CMT冷過渡焊接和氬弧焊

這2種焊接工藝，由于有不活潑氣體的保護(hù)，在高溫下，其融化金屬與氧氣的接觸不充分，在電弧的射流作用下，能夠產(chǎn)生顆粒度較小的鋁鎂金屬顆粒，并飛濺到工作環(huán)境中，形成鋁鎂粉塵的沉積，存在鋁鎂粉塵爆炸的危險(xiǎn)性，需要做粉塵爆炸的預(yù)防及處理工作。

4　鋁合金沖壓板件在輥邊上的工藝要求

1）鋁合金輥邊壓合與普冷板輥邊壓合區(qū)別很大，鋁的韌性不如鋼，在壓合的時(shí)候壓合力不能過大，壓合速度相對(duì)較慢，一般為200～250 mm/s,每次壓合角度不能大于30°，不可V形壓合[1]；

2）鋁合金壓合對(duì)溫度要求：在20℃室溫下進(jìn)行，剛從冷庫中取回的零件不宜馬上進(jìn)行輥邊壓合。

5　鋁合金沖壓板件輥邊形式及特點(diǎn)

5.1　鋁合金沖壓板材輥邊形式

1）普通壓合分為首次預(yù)壓合、二次預(yù)壓合、終壓合3步。通常運(yùn)用于沒有特殊強(qiáng)度要求和外板法蘭邊角度正常的情況下；

2）歐式壓合，如圖3所示，分為首次預(yù)壓合、二次預(yù)壓合、終壓合、歐式壓合4步。通常運(yùn)用于長邊壓合，如前蓋和后蓋。為了減輕或消除表面缺陷也可以運(yùn)用歐式壓合。

圖3　歐式壓合包邊工藝

5.2　鋁合金沖壓板材輥邊特點(diǎn)

鋁件壓合設(shè)備的底模和鑲塊，用800～1200#的砂紙，定期對(duì)底模和鑲塊進(jìn)行拋光保養(yǎng)，保證表面不會(huì)有鋁屑。

6　鋁件輥邊造成缺陷的各種原因

鋁件輥邊造成缺陷的各種原因，如表2所示。

表2　鋁件輥邊造成缺陷的各種原因

7　鋁合金沖壓板件在涂裝上的工藝要求

7.1　鋁合金沖壓板件水洗鈍化原理與作用

水洗鈍化指在脫掉鋁件表面自然形成的氧化膜及油污，并通過鋁合金與酸性溶液之間的化學(xué)反應(yīng)，在工件表面包裹一層致密的氧化膜。沖壓后鋁件表面的氧化膜、油污焊接及涂膠均會(huì)產(chǎn)生影響，為了提高膠與焊縫的附著度，需要借助化學(xué)工藝保持其表面的長效粘合連接和電阻穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)更好焊接。因此，凡是需要激光釬焊、冷金屬過渡焊接（CMT)等焊接的零件都需要進(jìn)行水洗鈍化。

7.2　鋁合金沖壓板件水洗鈍化工藝流程

水洗鈍化設(shè)備由脫脂區(qū)、工業(yè)水洗區(qū)、鈍化區(qū)、清水清洗區(qū)、烘干區(qū)和進(jìn)排氣系統(tǒng)組成。需處理的鋁零件被裝入清洗籃，固定后降入水槽，在盛有不同溶劑的槽內(nèi)，零件被槽內(nèi)所有的工作溶液反復(fù)沖刷。所有槽均配有循環(huán)泵及噴嘴，這是為了保證槽液能均勻地沖刷所有零件。水洗鈍化工藝流程為：脫脂1→脫脂2→水洗2→水洗3→鈍化→水洗4→水洗5→水洗6→烘干，鋁鑄件可省略水洗2。

7.3　鋁合金沖壓板件水洗鈍化烘干工藝

1）零件溫度從室溫升到140℃的時(shí)間約7min，膠硬化的最短時(shí)間為20min。

2）鋁件由室溫升至保溫溫度約10min，鋁的保溫時(shí)間約20min，鋁件自保溫溫度到零件溫度100℃的冷卻時(shí)間約7min，保溫結(jié)束后，冷卻至室溫，因此，鋁件整體的烘干過程為37min。

8　結(jié)語

現(xiàn)代汽車正朝著輕量化、高速、安全舒適、低成本、低排放與節(jié)能的方向發(fā)展,汽車工業(yè)的發(fā)展是與能源、環(huán)保和安全三方面緊密聯(lián)系在一起的。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，鋁合金板材在成本、制造技術(shù)、機(jī)械性能、可持續(xù)發(fā)展等方面具有其他輕量化材料無可比擬的優(yōu)越性,因此，鋁合金將成為汽車工業(yè)中的首選輕量化材料[4]。