泡沫鋁技術(shù)在車身輕量化中的應(yīng)用

吳海臣 夏文科 王新華 陳穩(wěn)宏 周瑞儉 徐世偉

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

汽車自問世以來，給人們的生活帶來了重大改變。尤其是家用汽車普及的今天，汽車給人們的生活帶來了巨大改變，它不僅改變了人們的生活品質(zhì)、同時(shí)也縮小了人們的生活半徑。當(dāng)今，汽車行業(yè)的發(fā)展更是日新月異，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，汽車產(chǎn)業(yè)正在朝著電動化、智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型。但是，汽車為我們帶來了舒適便利的同時(shí)，也給我們帶來了一些負(fù)面影響。噪音、污染、交通擁堵等問題，給人們帶來了諸多煩惱。在當(dāng)今汽車蓬勃發(fā)展的進(jìn)程中，可持續(xù)發(fā)展、低碳環(huán)保、節(jié)能減排等成為汽車發(fā)展面臨的重大課題。車身輕量化成為目前各大車企熱衷研究的技術(shù)。有數(shù)據(jù)表明，如果整車重量減輕10%，可以減排4%，這對可持續(xù)發(fā)展將大有裨益。

車身輕量化的途徑可以通過新技術(shù)、輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等實(shí)現(xiàn)。其中，輕質(zhì)金屬材料目前普遍使用的有高強(qiáng)度鋼、熱成型鋼、鋁合金、鎂合金等材料。泡沫鋁是一種新型輕質(zhì)材料，因?yàn)樗邆涠喾N優(yōu)良性能而被應(yīng)用到很多行業(yè)，比如航空器、太陽能電池背板、大型車床部件、大型列車車廂、建筑外墻、劇院消音內(nèi)飾等都可以應(yīng)用泡沫鋁。

2 泡沫鋁的特性

泡沫鋁一種以鋁材質(zhì)為主體，具有多個(gè)氣泡型空腔結(jié)構(gòu)的材料。具有質(zhì)量輕、密度低、比剛度、比強(qiáng)度大、吸能能力強(qiáng)、阻尼減震性能好的特點(diǎn)。同時(shí)，泡沫鋁也具有耐腐蝕、耐高溫、易加工的特點(diǎn)。

圖1 泡沫鋁材料

泡沫鋁的密度為0.25～0.6g/cm3，僅為鋁的10%～40%，是鋼的3%～8%。但是，它的抗彎比剛度為鋼的1.5 倍。在車身鈑金件總成中裝配泡沫鋁結(jié)構(gòu)件，可以明顯提升車身總成的強(qiáng)度和剛度。

將泡沫鋁材料與鈑金零件連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板鈑金件作為車身的吸能零件取得更優(yōu)的吸能效果。

泡沫鋁可應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件、電池包殼體等，例如：吸能盒、防撞梁、AB 柱、電池包殼體。

3 泡沫鋁的結(jié)構(gòu)及成分

輕質(zhì)板材的結(jié)構(gòu)通常有整體式、組合式、夾層式，如圖3 所示。

圖2 泡沫鋁汽車零部件

圖3 輕質(zhì)板材的結(jié)構(gòu)

泡沫鋁的夾層式結(jié)構(gòu)由外板、粘合層、夾心材料組成。夾心材料分為均質(zhì)材料和不同結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)。均質(zhì)材料一般是泡沫物填充或多層平鋪填充。不同結(jié)構(gòu)形式分為蜂窩狀結(jié)構(gòu)、圓筒狀結(jié)構(gòu)、波形結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)。

圖4 泡沫鋁結(jié)構(gòu)

泡沫鋁的中間結(jié)構(gòu)主要成分是鎂鋁合金或鋁硅合金。結(jié)構(gòu)相同但密度不同的泡沫鋁材料，抗壓強(qiáng)度各不相同。

圖5 泡沫鋁中間結(jié)構(gòu)

表1 不同密度泡沫鋁的抗壓強(qiáng)度

中間結(jié)構(gòu)與白車身的連接方法主要有螺接、卡接、粘接等。

4 泡沫鋁的生產(chǎn)工藝技術(shù)

泡沫鋁的制備方法有如下兩種：一種是去除法，通過去掉鋁中的雜質(zhì)來制成；一種發(fā)泡法，將鋁融化，在其中生成氣泡來生成泡沫鋁。

以鋁為基材生產(chǎn)出的泡沫材料，是先將融化的金屬注入設(shè)備中，再將氣體注入，從而獲得泡沫鋁，它具有封閉的單元。為了獲得穩(wěn)定性，需要在熔融物中加入細(xì)陶瓷粉或合金元素來生成穩(wěn)定的熔融物。通過上述操作，金屬熔融物中出現(xiàn)的泡沫就會相當(dāng)穩(wěn)定。

在金屬熔融物中形成泡沫的常用方法有：

一、在液態(tài)金屬中注入空氣、氮?dú)狻鍤猓?/p>

液態(tài)金屬中會產(chǎn)生氣泡并均勻分布。再將金屬液體過濾，剩余的部分變成干液體泡沫，最后將其冷卻，由于有陶瓷粉的作用，泡沫將非常穩(wěn)定。冷卻后的泡沫可以直接在鑄機(jī)中使用，也可以通過切割或機(jī)械加工成各種形狀

二、在熔融金屬中加入生氣劑，進(jìn)而讓液體生出氣泡，生氣劑會分解出一種氣體促進(jìn)發(fā)泡。

表2 泡沫鋁生產(chǎn)工藝

三、將金屬粉末和生氣劑混合后，將混合物壓實(shí)，形成密度較高的物質(zhì)。要使生氣劑均勻地嵌入金屬基體中，如果存在殘余孔隙或缺陷，將會影響到接下來的加工效果。混合好后，將混合物熔化，生氣劑釋放的氣體使混合物膨脹，進(jìn)而生成泡沫鋁材料。

5 泡沫鋁在車身輕量化的應(yīng)用實(shí)例

在一輛中型轎車中，約有20%的車身零部件可用泡沫鋁代替，減重27kg 左右。節(jié)能減排、提升燃油效率或電車?yán)m(xù)航里程的同時(shí)，可以有效降低生產(chǎn)成本。下圖是泡沫鋁的應(yīng)用推薦位置，Audi A8 車身在前保險(xiǎn)杠內(nèi)測的前防撞梁應(yīng)用了泡沫鋁。

在汽車設(shè)計(jì)的過程中，泡沫鋁的應(yīng)用一般有兩種形式。

圖6 Audi A8 泡沫鋁應(yīng)用位置

一種是將泡沫鋁填充在兩層板中間，形成三明治結(jié)構(gòu)。這種材料既可以保證有較高的強(qiáng)度，又可以輕量化，同時(shí)還可以減震，一舉多得，這種零件可代替一些冷沖壓鋼板零件。三明治泡沫鋁與車身的連接方式可以通過粘接、螺接、卡接等形式。還有一種技術(shù)是填充將泡沫鋁填充在車身空腔或空管中。

圖7 泡沫鋁特性及其在汽車中的應(yīng)用

我們在公司某車型的研發(fā)中，將B 柱上端的加強(qiáng)件，用泡沫鋁零件代替冷沖壓加強(qiáng)件采用該種泡沫鋁材質(zhì)的填充結(jié)構(gòu)，可以極大地提升車身頂壓強(qiáng)度。白車身頂壓強(qiáng)度在沖壓鈑金方案達(dá)到極限的情況下，應(yīng)用泡沫鋁零件后提升約6.7KN，而泡沫鋁零件的重量僅為0.349kg，強(qiáng)度提升量與重量比高于沖壓鈑金方案。

圖9為泡沫鋁結(jié)構(gòu)的頂壓仿真分析結(jié)果。

圖8 某車型樣車采用泡沫鋁的車身結(jié)構(gòu)

圖9 泡沫鋁結(jié)構(gòu)的頂壓仿真分析結(jié)果

該車型中，泡沫鋁零件與車身其它鈑金件的連接方式為粘接，我們對連接的界面強(qiáng)度按GB/T 7124-2008/ISO 4587：2003 的檢驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的試驗(yàn)，結(jié)果合格。

圖10 泡沫鋁拉伸試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，界面膠合強(qiáng)度較強(qiáng)，失效形式均為泡沫鋁樣片斷裂，說明泡沫鋁通過結(jié)構(gòu)膠與車身連接可以滿足連接強(qiáng)度需求。

6 結(jié)論

目前基于車身輕量化的開發(fā)要求，許多新型材料在逐步取代原有材料應(yīng)用到車身上。泡沫鋁作為一種新型替代材料，因其生產(chǎn)成本原因還沒有廣泛推廣開來。當(dāng)前需要亟待解決的問題是通過異形形狀的模具成型來降低生產(chǎn)成本，來推廣這種材料的使用，從而推進(jìn)車身輕量化的快速發(fā)展。