高性能擠壓型材的汽車鋁合金副車架

王立忠

（上海友升鋁業(yè)股份有限公司，上海 201702）

1 前言

當(dāng)前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃發(fā)展，新能源汽車為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的動能。2020年11月2日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》指出，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。開展高性能鋁合金材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是新能源汽車基礎(chǔ)技術(shù)提升工程[1]。而高性能擠壓型材鋁合金副車架將推動新能源汽車與能源的融合發(fā)展。

2 高性能鋁合金原材料

2.1 高性能鋁合金化學(xué)成分配方及熔鑄

可熱處理強(qiáng)化6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系，Mg2Si相為強(qiáng)化相[2]。該合金具有中等強(qiáng)度、耐腐蝕性高，無應(yīng)力腐蝕破裂傾向，焊接性能好，成型性和工藝性能良好等優(yōu)點，具有良好的綜合性能。該合金廣泛用于制造中等強(qiáng)度、塑性和抗腐蝕要求高的飛機(jī)零件、大型結(jié)構(gòu)件以及常溫下工作的交通運(yùn)輸和結(jié)構(gòu)工程工業(yè)。材料的配方對性能的影響至關(guān)重要，6082鋁合金成分具有2個主要特性[3]：含有適量的Mn和Cr，Mg、Si含量相對較高。通過合理設(shè)計合金成分及生產(chǎn)工藝，使6082鋁合金達(dá)到較高的綜合性能要求。高性能6082鋁合金的化學(xué)成分控制范圍如表1所示。

表1 6082鋁合金化學(xué)成分控制范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

熔煉溫度控制在750～760℃，取樣前均勻攪拌2次以上，保證金屬完全熔化、溫度準(zhǔn)確、成分均勻。攪拌后在鋁液深度的中部、爐膛左右兩側(cè)各取1樣進(jìn)行分析，分折合格后即可轉(zhuǎn)爐。澆鑄時鋁液溫度控制在680～715℃,鋁液流速控制在50～60 mm/min。加大冷卻速度，利于消除晶內(nèi)偏析現(xiàn)象。冷卻水溫控制在15～35℃，水壓控制在0.1～0.3 MPa。6082鋁合金變形抗力大，為了保證后續(xù)合金擠壓性能和擠壓效應(yīng)，需要進(jìn)行均質(zhì)退火處理改善合金組織，充分固溶解Mg2Si相，消除晶內(nèi)偏析，并細(xì)化含F(xiàn)e相粒子[3]。均質(zhì)溫度控制在470～580℃，均質(zhì)時間控制在4～16 h。冷卻方式為風(fēng)冷+水冷[2]。

2.2 高性能鋁合金型材擠壓

汽車零部件開發(fā)的過程中，成本與性能、不同的性能之間常常存在著一定的聯(lián)系與矛盾，此時在以輕量化為目標(biāo)的前提下，擠壓工藝可制造出各種不同厚度截面，不規(guī)則截面的零部件，能較好的平衡重量、成本、性能之間的關(guān)系[4]。實現(xiàn)鋁合金輕量化的應(yīng)用。

擠壓過程工藝參數(shù)設(shè)置[2]如下。

鑄錠設(shè)定加熱溫度值（擠壓過程鑄錠加熱溫度）：460～470℃；

擠壓筒設(shè)定溫度（擠壓過程擠壓筒設(shè)定溫度）：（450±10）℃；

擠壓桿前進(jìn)速度（擠壓過程擠壓桿前進(jìn)速度，適當(dāng)調(diào)節(jié)，滿足出口溫度范圍）：（2.0±0.2）mm/s；

淬火溫度（即固溶溫度：型材入淬火系統(tǒng)溫度）：500～520℃；

冷卻方式：強(qiáng)風(fēng)冷；

交貨狀態(tài)：6082T4鋁合金型材。

經(jīng)自然時效后，停放72 h后，6082T4鋁合金型材測得的性能狀態(tài)如圖1所示?？估瓘?qiáng)度Rm=260 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2=156 MPa，延伸率A50=24%。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6892—2015[5]《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》要求抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，延伸率分別為205 MPa、110 MPa、12%。經(jīng)過本文提及的成分配方及擠壓工藝后，6082T4鋁合金型材的各項性能均高于同等國家標(biāo)準(zhǔn)要求的25%以上。

通過擠壓成型工藝，制造出各類不同截面型材來滿足副車架的整體設(shè)計。另外根據(jù)力學(xué)傳遞及CAE分析，有針對性地強(qiáng)化必要部位的結(jié)構(gòu)，而不必整體加大厚度從而導(dǎo)致重量的大幅增加[4]，實現(xiàn)高性能鋁合金副車架的型材性能與成本處于最佳水平。

3 高性能鋁合金副車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 鋁合金副車架鑲嵌式結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋁合金副車架的成形工藝可分為鑄造成形、沖壓成形+焊接、液壓成形、擠壓成形+焊接及鋁鋼連接5大類[6]。其中“擠壓成形+焊接”是實現(xiàn)高性能鋁合金副車架的有效途徑。擠壓型材之間的連接方式直接影響著副車架的焊接接頭形式，通常的焊接接頭形式為對接、角接、搭接及T形接頭。

鋁合金型材裝配的焊接接頭形式將直接決定副車架的綜合性能。鋁合金副車架零部件采用“鑲嵌式”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配時部件彼此的嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計使副車架各部件之間連接更加牢固，不僅確保部件之間的裝配公差，而且實現(xiàn)盡可能多的搭接接頭。還可以加長焊縫的有效長度，避免角焊接的應(yīng)力集中情況，在保證焊縫性能的同時，還提高了副車架的整體焊接強(qiáng)度和剛度。

1種高性能的鋁合金副車架鑲嵌結(jié)構(gòu)，包括左右設(shè)置的左后縱梁2以及右后縱梁3、前后設(shè)置的發(fā)動機(jī)懸置安裝支架18以及后橫梁1，后橫梁1的左右兩端均設(shè)有鑲嵌式插接口，后橫梁1的左端的插接口與左后縱梁2插接并焊接，后橫梁1的右端的插接口與右后縱梁3插接并焊接；發(fā)動機(jī)懸置安裝支架18的左右兩端均設(shè)有鑲嵌式插接口，發(fā)動機(jī)懸置安裝支架18的左端的插接口與左后縱梁2插接焊接，發(fā)動機(jī)懸置安裝支架18的右端的插接口與右后縱梁3插接，并焊接相連；左前縱梁、右前縱梁、發(fā)動機(jī)懸置安裝支架18以及后橫梁1圍成口字形框架[7]。

其它單件彼此均采用鑲嵌式結(jié)構(gòu)，此處不一一列舉。

由圖2可以看出各零部件彼此均為“鑲嵌式”連接，保證焊接定位效果的同時，還可以保證各個部件連接處強(qiáng)度，提高產(chǎn)品在使用過程中的形變等問題。所有設(shè)計的主要目的是提高副車架的整體機(jī)械性能。

通過鑲嵌方式將零部件完成拼裝，再由弧焊方式將其焊接為總成，如圖3所示。

4 高性能鋁合金副車架的CMT焊接

4.1 CMT工藝原理

冷金屬過渡(Cold Metal Transfer，CMT)工藝原理是[8]采用數(shù)字式焊接控制系統(tǒng)（圖4）感知電弧生產(chǎn)的開始時間，電弧引燃，熔滴向熔池過渡，熔滴進(jìn)入熔池，系統(tǒng)自動降低焊接電流直到電弧熄滅，并調(diào)節(jié)脈沖式的焊絲輸送，這種脈沖式焊絲輸送系統(tǒng)主動回抽焊絲促進(jìn)熔滴的脫落。在熔滴從焊絲上滴落之后，數(shù)字控制系統(tǒng)再次提高焊接電流，并進(jìn)一步將焊絲向前輸送，之后又重新生成焊接電弧，開始新一輪的焊接過程。詳細(xì)焊接技術(shù)過程示意如圖5所示。此過程不斷重復(fù)，便形成了冷、熱循環(huán)。精確的熔滴過渡及分離控制保證了每個過渡周期內(nèi)過渡到焊縫的填充金屬量都是一致的。

CMT技術(shù)具有優(yōu)異的電弧穩(wěn)定性，精確的能量輸入控制，優(yōu)異的不同類焊接接頭的能量輸入，根部焊道也可以獲得很好的背面成型[4]，更快的焊接速度實現(xiàn)鋁合金的低能耗、無飛濺、高效率、高品質(zhì)的焊接。

4.2 高性能鋁合金副車架的CMT焊接

4.2.1 鋁合金副車架的焊接過程分序鋁合金副車總成由多個單零件組成，為保證焊接質(zhì)量及控制焊接變形。必須對焊接過程進(jìn)行分序，先焊接簡單接頭及短焊縫，后焊接復(fù)雜接頭及長焊縫。簡單接頭即在1個平面即可完成焊接的接頭，復(fù)雜接頭即在多個平面不同焊接角度才能完成焊接的接頭。需要對焊縫長度進(jìn)行計算，目的是控制產(chǎn)能節(jié)拍，合理的分布節(jié)拍實現(xiàn)效率的最優(yōu)化。節(jié)拍計算過程見表2。

表2 焊接節(jié)拍計算過程

基于分序原則及焊接節(jié)拍數(shù)據(jù)，本文提及的副車架總成的焊接過程分為4序，每1序?qū)?yīng)1套焊接工裝（1序簡稱OP10，2序簡稱OP20，3序簡稱OP30，4序簡稱OP40）。1臺旋轉(zhuǎn)工作站包括2序。

節(jié)拍生產(chǎn)時間為556.7 s。

分總成OP10主要是將小件焊接成1個分總成。分序細(xì)節(jié)如圖6所示。

分總成OP20將分總成OP10焊接好的零部件與后橫梁及發(fā)動機(jī)懸置安裝支架拼裝成框型結(jié)構(gòu)。保證副車架的穩(wěn)定性，減小焊接變形對副車架的影響。OP20分序細(xì)節(jié)如圖7所示。

分總成OP30將焊接好的分總成OP20的框型結(jié)構(gòu)與左右控制臂安裝支架及定位銷焊在一起，如圖8所示。

總成OP40將焊接好的分總成OP30與左右后連接支架、中間左右安裝套管及轉(zhuǎn)向器后安裝支架焊接一起，完成鋁合金副車架的焊接，如圖9所示。

4.2.2 鋁合金副車架的焊接工裝夾具設(shè)計

完成分序后，需要設(shè)計焊接工裝夾具。每1序由1副焊接夾具來實現(xiàn)。焊接夾具主要是保證定位準(zhǔn)確、防錯、控制因焊接引起的熱變形。每個單零件必須在夾緊固定的情況下才能開始CMT焊接。夾具設(shè)計盡量避免工裝夾塊干涉焊槍，對焊接軌跡運(yùn)行做充分的避讓，目的是實現(xiàn)1條焊縫在焊接過程中不停電弧，焊縫的連續(xù)性為鋁合金副車架的高性能提供保障。

焊接工裝夾具必須能沿Y軸自由翻轉(zhuǎn)。在360°翻轉(zhuǎn)范圍內(nèi)可實現(xiàn)任何角度停靠。目的是盡量避免特殊位置的焊接，通過翻轉(zhuǎn)來保證焊接位置最佳。避免橫焊、立向上焊、立向下焊等對鋁合金焊接不利的位置。

工裝夾具的避位。CMT的焊槍運(yùn)行軌跡依據(jù)接頭的形式運(yùn)行，因此在夾具的空間設(shè)計上必須留足夠的空間間距，為焊槍的運(yùn)行軌跡避位，實現(xiàn)同一條焊縫一次焊接完成，減少再次起弧焊接引起的焊接缺陷風(fēng)險。

工裝夾具安裝傳感器，避免工件裝不到位或裝錯。尤其是帶定位基準(zhǔn)的單件，裝不到位將導(dǎo)致后續(xù)的工作前功盡棄，因此必須安裝傳感器來避免風(fēng)險。同時副車架為左右對稱，左右零部件都為對稱件，容易裝錯，傳感器或限位塊的設(shè)計就顯得尤為重要，是防錯的重要手段。

OP10、OP20、OP30分總成焊接工裝及OP40總成焊接工裝分別如圖10、圖11、圖12和圖13所示。

經(jīng)過OP10至OP40的連續(xù)焊接，完成副車架總成的焊接過程。

5 總成鋁合金副車架的人工時效

5.1 總成鋁合金副車時效強(qiáng)化

時效處理可分為自然時效和人工時效2種。自然時效是將工件放在室外等自然條件下，使工件內(nèi)部應(yīng)力自然釋放從而使殘余應(yīng)力消除或減少。人工時效是人為的方法，一般是加熱或是冰冷處理消除或減小淬火后工件內(nèi)的微觀應(yīng)力、機(jī)械加工殘余應(yīng)力，防止變形及開裂。穩(wěn)定組織以穩(wěn)定零件形狀及尺寸。人工時效具體方法是將工件加熱到一定溫度，長時間（5～20 h）保溫后隨爐冷卻，或在空氣中冷卻[9]，比自然時效節(jié)省時間，殘余應(yīng)力去除較為徹底，但相比自然時效應(yīng)力釋放不徹底。

人工時效是在高于室溫的某一特定溫度中保持一定時間以提高其機(jī)械性能的操作。人工時效又可分為完全時效、不完全時效及過時效、穩(wěn)定化時效等。完全時效獲得的強(qiáng)度最高，達(dá)到時效強(qiáng)化的峰值；不完全時效的時效溫度稍低或時效時間較短，以保留較高的塑性，與完全時效相比較，強(qiáng)度的降低由塑性下降較少來補(bǔ)償；過時效則相反，時效程度超過強(qiáng)化峰值，相應(yīng)綜合性能較好，特別是抗腐蝕性能較高；穩(wěn)定化時效的溫度比過時效溫度更高，其目的是穩(wěn)定合金的性能及零件尺寸[9]。

因此時效是型材達(dá)到力學(xué)性能的最后1個環(huán)節(jié)，合理的時效制度既要保證產(chǎn)品的性能，又要考慮生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本。結(jié)合試驗研究，本高性能擠壓型材的汽車鋁合金副車架采用完全人工時效。主要目的有2點，一是為得到高性能的產(chǎn)品，二是為消除焊接過程的殘余應(yīng)力，防止因過大的殘余應(yīng)力二開裂。此產(chǎn)品設(shè)置的時效工藝參數(shù)為170～180℃，保溫6～7 h，空氣中自然冷卻。得到的材料狀態(tài)為T6，鋁合金副車架的硬度基本穩(wěn)定在15～18 HW之間。

圖14為時效后測得的力學(xué)性能測試結(jié)果。

由試驗數(shù)據(jù)可得經(jīng)過完全人工時效成型后的鋁合金副車架的抗拉強(qiáng)度Rm≥353.29 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥330 MPa，延伸率A50≥13%。

5.2 總成鋁合金副車架的CNC加工

焊接過程會導(dǎo)致型材有所變形，對副車架時效強(qiáng)化后再進(jìn)行CNC加工，既保證了所有尺寸的安裝精度，也減少了鋁屑粘刀。整體加工主要目的是保證和車身安裝過程的基準(zhǔn)一致，時效后副車架內(nèi)部的焊接應(yīng)力已經(jīng)去除，因此副車架不會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象?？孜患俺叽缇瓤梢缘玫骄_控制，從而生產(chǎn)出高性能高精度的鋁合金副車架。

為保證副車架的基準(zhǔn)與車身安裝基準(zhǔn)一致，將副車架固定了可旋轉(zhuǎn)的定位工裝上。基準(zhǔn)A作為支撐面，支撐起4個車身安裝孔的底面，限制Z方向上下的自由度?；鶞?zhǔn)B為后車身安裝孔，防止副車架前后及左右移動，限制住X、Y方向的自由度。基準(zhǔn)C為右側(cè)定位銷，為輔助基準(zhǔn)。裝車時起導(dǎo)向作用。正面為6個旋轉(zhuǎn)氣缸，從正面方向?qū)⒏避嚰苎豘方向向下壓緊。然后CNC加工對副車架進(jìn)行孔位加工。圖15為CNC加工裝夾示意。

最終成品經(jīng)過第三方實驗室國家鋼鐵材料測試中心（鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司）檢測，測試溫度為常溫23℃，抗拉強(qiáng)度Rm=347 MPa，屈服強(qiáng)度Pp0.2=328 MPa，延伸率A50=16.0%。均超過目標(biāo)值要求。獲得認(rèn)可并批量生產(chǎn)，2020年月產(chǎn)量為10 000臺份，2021年月產(chǎn)量為15 000臺份。

6 結(jié)束語

設(shè)計和開發(fā)了高性能擠壓型材鋁合金副車架，從6082原材料配方開始，到結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再到CMT焊接，均保持在T4狀態(tài)?？偝山?jīng)過T6完全人工時效熱處理后副車架的抗拉強(qiáng)度≥330 MPa，屈服強(qiáng)度≥310 MPa，延伸率≥13%，硬度基本穩(wěn)定在15～18 HW之間。