汽車輕量化材料及制造工藝研究淺析

陳進

[摘要]由于汽車行業的高速發展，各類汽車品牌逐漸形成“百家爭艷”之勢，所以如何制造高質量、高性能的汽車成為當前汽車產業發展的重中之重，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，如高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、復合材料等； 另一種是采用先進的車身制造工藝，如熱成型、激光拼焊、液壓成型等。文章重點介紹了輕量化材料及先進的制造工藝在汽車輕量化中的應用現狀，綜述了輕量化領域中新材料、新工藝的最新研究進展，總結了目前國內外研究的熱點、難點問題。基于目前的研究現狀，提出了未來汽車輕量化技術的發展趨勢，并指出了各種材料的優勢和應用過程中遇到的一些技術問題，通過分析，相信對實現車身減重輕量化具有重要意義。

[關鍵詞]汽車行業；汽車輕量化材料；制造工藝

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

1 國內輕量化材料發展現狀及趨勢

有關統計數據顯示，僅在2014年我國的汽車產量就達到了2372.29萬輛，同比增長7.26%，相應地，銷量達到了2349.19萬輛，同比增長6.86%，穩居世界第一。同時，無論從國際市場還是國內市場來看，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了我國制造業的發展，但另一方面也造成了大量的資源消耗和環境污染，這給我國的建設增添了新的難題。相關數據顯示，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。這一數據表明，在控制汽車尾氣排放時，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現節能減排。

從汽車構造來看，車身就占據了其1/3的重量，因此減輕汽車自重應從車身材料的選擇入手。汽車車身材料應該滿足以下幾個原則：①能夠滿足汽車在使用過程中所需的安全性、穩定性、舒適性等性能；②能夠進行沖壓成型、焊接等，具有良好的工藝性；③具有良好的經濟性，并且可回收。汽車的發展離不開材料技術的進步，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到節能減排的目的。當前市場上的汽車輕量化材料主要有兩種類型：一類是以高強鋼為主的高強度材料；另一類是以鎂鋁合金、復合材料等輕質材料。同時還有一些如碳纖維等為主的新型材料，這類材料一般應用于高端領域，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行討論。

1.1 高強度鋼

在汽車生產制造過程中，鋼是使用最多的材料，如果選用高強度鋼則可以有效的保證汽車的強度并減輕汽車重量。隨著近年來制造技術的進步，高強度鋼得到了很大的發展，在汽車制造領域應用更為廣泛。有關統計數據顯示，僅在2014年我國的汽車產量就達到了2372.29萬輛，同比增長7.26%，相應的銷量達到了2349.19萬輛，同比增長6.86%，穩居世界第一。同時，無論從國際市場還是國內市場來看，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了我國制造業的發展，但另一方面也造成了大量的資源消耗和環境污染，這給我國的建設增添了新的難題。相關數據顯示，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。這一數據表明，在控制汽車尾氣排放時，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現節能減排。

汽車車身使用最多的材料即為鋼，高強度鋼可以有效地減輕汽車重量。按照相關規定，低碳鋼的屈服強度小于210MPa，抗拉強度小于270MPa。高強度鋼的屈服強度大于210MPa小于810MPa，抗拉強度大于270MPa小于700MPa。而超高強度鋼的屈服強度大于810MPa，抗拉強度大于700MPa。汽車領域的需求使得高強度鋼的用量和種類都大幅度增加，進一步促進了鋼鐵生產企業的發展，上海寶鋼等在鋼材品種和數量上都實現了大規模的增加。

圖1 國內某自主品種高強度鋼的應用

當前汽車領域對高強度鋼的使用越來越頻繁，但是在使用中仍然存在一些技術難題。隨著鋼強度的增加，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，雖然當前我國掌握了一些能夠獨立生產高強度鋼的技術，但所生產的高強度鋼在數量和質量上都與世界先進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。當彎曲剛度相等時，鋁合金的相對厚度為1.43，其減重潛能為49%。當彎曲強度相等時，其減重潛力為38%。相關研究結果顯示，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的發展，大量B級車和C級車相繼問世，近年來還出現了一批檔次較高的新型汽車。相關法律法規的不斷完善，也使得鋁合金在國內汽車市場大量運用的條件進一步成熟。同時，鋁合金材料的冶煉技術推進也促進了汽車行業的發展，當前其主要的應用形式有以下幾種：汽車懸架支架、車輪等結構件所用的鋁合金鍛件；車身殼體、發動機缸蓋等模具鑄造件；車身結構等鋁合金基拉拉伸件。車廂、覆蓋件、蓋板等軋制板材；殼體、強度較高的小型鑄造件。

當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。因此大力改進鋁合金的冶煉技術、降低材料成本、改善成型工藝性對于鋁合金材料在汽車領域的使用推廣極為重要，可以大幅度地推動我國汽車輕量化的發展。

1.3 鎂合金

鎂是當前廣泛使用材料中質量最輕的金屬，其比重僅為鋼的1/4，為 1.74 g/cm3。因此鎂在同等質量下具有較高的強度，其比強度和比剛度都較高，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，因此被材料界認為是一種極具發展潛力的金屬材料。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。隨著汽車制造業的發展，當前汽車零件制造對于鎂合金的使用已經非常廣泛，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。

未來汽車的發展趨勢主要表現為幾個方面，減輕車身質量，改進燃燒性能，減少排放，降低成本。當前汽車技術的發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用的起步階段，大量關于鎂合金生產加工的相關技術得到了大量研究人員的關注。與世界先進水平相比，我國在這方面還存在很多的不足，總體技術水平還有較大的差距，在汽車上的使用更為不足。因此我國當前應加大對鎂鋁合金在實際運用中技術的開發，從而推動汽車行業的發展，為進入國際市場打下堅實的基礎。

1.4 塑料和復合材料

與金屬材料相比，在原材料的來源上塑料和復合材料有著極為明顯的優勢，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合材料主要有PP、PVC、PE、纖維復合材料、金屬基復合材料、熱塑性樹脂復合材料等。早期主要用于汽車的內外裝飾，如今這些材料已經應用到了汽車的結構件上，為汽車的輕量化做出了巨大貢獻。目前塑料在汽車上的使用主要體現在儀表板、車門內板、油箱、風扇葉片、擋泥板等基礎構件上。其未來的發展則是朝著研發機車結構構件上進行，通過制造出高性能的塑料來獲得更加可靠的汽車構件。

當前整個汽車行業對于塑料及其復合材料的使用已經非常廣泛，其中使用率最高的是其中德系車單車，其塑料的使用率達到了22%，為300～360千克。歐美國家的平均水平也達到了16%，而我國國內的單車其塑料使用率僅為8%，與國外先進水平差距還非常巨大。因此，國內汽車想要在汽車輕量化道路上有更長遠的發展，就不得不考慮加強對塑料和復合材料的研究。

2 先進輕量化制造工藝

2.1 激光拼焊板成型技術

激光拼焊板成型技術在汽車輕量化中占據了極為重要的地位，汽車的尾門內板、底板、前后縱梁、側圍、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在加工板材的過程中可以將不同厚度和材質的鋼板焊接在一起，極大地減少了因搭邊等因素而造成的浪費，材料使用率較高，因此在制造業中的使用越來越廣泛。

與點焊等傳統技術比較而言，激光拼焊板成型技術具有以下幾點優勢：①通過將不同厚度的材質的材料焊接到一起可以分別發揮出它們的優勢，從而改善車身的理學性能，在提高汽車強度的同時減輕質量；②減少了加工過程中所需的模具數量，從而極大地節約了成本；③減少了搭邊等材料的浪費，提高了材料利用率，使零件結構得到了優化；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的這些優點使其在前后車門內板、前后縱梁、側圍、底板、A/B/C柱、輪罩等構件上得到了廣泛的運用。

激光拼焊技術在汽車制造行業中的使用已經日益廣泛，不過當前仍然存在著一些問題，主要體現在其關鍵成型技術研究不足上。由于其焊接技術與傳統技術有著較大的差別，并且焊接中焊縫、母材性能等都不盡相同，焊接產生的焊縫移動等造成材料塑性破壞和破裂等問題都不能再用傳統的板材沖壓理論去解釋，因此當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生的問題。另外，當前的激光拼焊板技術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重不足。

2.2 “點焊+粘接”復合連接技術

“點焊+粘接”復合連接技術在轎車汽車車身結構中的使用已經逐漸推廣，并且幾年來還呈現增長的趨勢。寶馬、大眾等轎車都在其生產的汽車中推廣使用了這一技術，比如大眾AUD IA6的粘接長度從原來的36m增加到122m。這一技術的使用可以有效地減少材料焊點的數量，從而減輕車重。比如大眾AUD IA6采用這一技術后，其焊點數量從6147個減少到5102個，車身重量減少了7千克，而相應地其彎曲剛度和扭轉剛度卻有所上升。

“點焊+粘接”復合連接技術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展，但是當前在國內對于此技術沒有太多的文獻敘述，雖然應用趨勢在上升，但是相對技術還是不夠完善，所以還是有待加強。

2.3 熱成型技術

熱成型技術也是汽車輕量化不可缺少的技術之一，它在汽車的橫梁、加強板等汽車重要零件中得到了廣泛的使用，比如前保險杠橫梁、中央通道左右B柱加強板等。熱成型技術主要是通過將鋼材加熱，使其變為奧氏體狀態，然后來對其進行加工，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度、延展性上都有良性的變化，并且質量更輕，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冷沖壓存在較大的差別，在加工中存在更多的優勢，主要體現在：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，能夠加工出更加復雜的零件；④板料的變形抗力減小，可以在沖壓時減小沖壓機的噸位，從而降低成本；⑤表面硬度更高，能夠達到50 HRC，比傳統工藝增加了兩到三倍。

我國的熱成型工藝還不夠成熟，無論是生產技術還是生產規模上都趕不上國際先進水平，無法滿足我國當前制造業的需要，雖然一些企業開始建立了熱成型生產線，但是大多都是從國外引進，沒有自主知識產權。隨著我國對這一塊的重視，國內各大高校和研究機構開始加強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，極大地推動了我國汽車行業的發展。

3 結 論

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

我國汽車行業起步較晚，因此在輕量化制造工藝和相關技術上還趕不上國際先進水平，尤其是基礎理論的不完善和關鍵技術的限制使得我國汽車輕量化發展還面臨很多難題。要想實現快速的發展就必須加強相關理論和技術的研究，通過大量人力財力的堆積來實現跨越式的發展，尤其是熱成形、激光拼焊等關鍵技術更應該加強研究力度和推廣力度。當前汽車輕量化研究已經開始向各個領域發展，正逐步實現各個輕量化技術的復合。并且也輕量化汽車也必將朝著節能、精密、柔性、綠色、信息化、智能化、系統化、集成化的方向發展。

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