汽車沖壓板材鋁合金的應用

謝朋飛 宋貴鋒 路東東

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

隨著現代汽車工業的發展及我國在能源、環保和安全三方面越來越嚴厲的要求下，由于提高汽車的輕量化能夠有效節約油耗和減少排量，鋁合金板材在汽車制造領域的應用范圍也越來越廣泛[1]。鋁具有密度小、質量輕、成型加工性好、可以重復回收利用、節能環保等優點，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、減少排放和減輕對環境的污染有顯著的作用，因此，鋁合金被公認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用

目前，全世界耗鋁量的12%～15%以上用于汽車工業，有些發達國家已超過25%。2002年，整個歐洲汽車工業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用于汽車傳動系制造，另外有42.8萬t用于制造汽車行駛機構和懸掛機構[2]。可以看出，汽車制造工業已成為最重要的鋁材料消費大戶。沖壓鋁制板材在汽車車身上的應用，如圖1所示。

圖1　鋁板材在汽車車身上的應用

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

經調研，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[3]

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

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

3）表面容易氧化，不可露天放置，必須進行特殊管理（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，然后形成一個具有一定抗拉和抗剪強度的內部鑲嵌連接點。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，是使用沖鉚設備，將沖鉚鉚釘壓入被連接材料，形成一個穩定、牢靠、美觀的連接點。

圖2　沖鉚連接過程

沖鉚連接工藝的特點：

1）高強度，鎖鉚連接點的抗剪、抗拉動態疲勞強度，抗沖擊性能都高于或等于點焊連接點的強度；

2）可以目測連接質量。鉚釘完全打入工件中，同時在連接工件的另一側形成了一個凸出的接點，即認為是合格；

3）被連接材料無需事先鉆孔，工藝簡單；

4）連接點是密封的，不會進入氣、液，造成材料腐蝕；

5）對金屬、非金屬，不同材質、不同厚度、不同強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，且在極短的時間內融化母材金屬而形成熔池，焊點迅速冷卻形成連接，產生鋁鎂粉塵的可能性極小。產生的焊接煙塵大多是金屬表面和表面雜質的氧化物顆粒。焊接過程中都配有工位局部排風，能及時將這些顆粒通過風筒排到大氣中，基本不會產生鋁鎂粉塵的沉積。

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，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，能夠產生顆粒度較小的鋁鎂金屬顆粒，并飛濺到工作環境中，形成鋁鎂粉塵的沉積，存在鋁鎂粉塵爆炸的危險性，需要做粉塵爆炸的預防及處理工作。

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別很大，鋁的韌性不如鋼，在壓合的時候壓合力不能過大，壓合速度相對較慢，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）鋁合金壓合對溫度要求：在20℃室溫下進行，剛從冷庫中取回的零件不宜馬上進行輥邊壓合。

5　鋁合金沖壓板件輥邊形式及特點

5.1　鋁合金沖壓板材輥邊形式

1）普通壓合分為首次預壓合、二次預壓合、終壓合3步。通常運用于沒有特殊強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，分為首次預壓合、二次預壓合、終壓合、歐式壓合4步。通常運用于長邊壓合，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

鋁件壓合設備的底模和鑲塊，用800～1200#的砂紙，定期對底模和鑲塊進行拋光保養，保證表面不會有鋁屑。

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反應，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產生影響，為了提高膠與焊縫的附著度，需要借助化學工藝保持其表面的長效粘合連接和電阻穩定，實現更好焊接。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

水洗鈍化設備由脫脂區、工業水洗區、鈍化區、清水清洗區、烘干區和進排氣系統組成。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，零件被槽內所有的工作溶液反復沖刷。所有槽均配有循環泵及噴嘴，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℃的時間約7min，膠硬化的最短時間為20min。

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

8　結語

現代汽車正朝著輕量化、高速、安全舒適、低成本、低排放與節能的方向發展,汽車工業的發展是與能源、環保和安全三方面緊密聯系在一起的。隨著環保意識的增強，鋁合金板材在成本、制造技術、機械性能、可持續發展等方面具有其他輕量化材料無可比擬的優越性,因此，鋁合金將成為汽車工業中的首選輕量化材料[4]。