鋁合金防撞梁設計及生產工藝研究

摘要：鋁合金防撞梁作為汽車車身碰撞安全的關鍵組件，發揮著至關重要的防護作用。文章通過行業對標分析，參照某車企前防撞橫梁的設計流程，并基于原鋼制橫梁的設計空間，進行了鋁合金前防撞橫梁的結構設計。 在確保碰撞安全性能優于原鋼制橫梁的前提下，以壁厚尺寸為優化設計變量，采用計算機仿真技術對鋁合金前防撞橫梁進行多目標優化，以提升其輕量化水平。測試結果顯示，該設計在實際碰撞測試中符合《乘用車正面碰撞時的乘員保護》（GB 11551—2003）標準。同時，總結了鋁擠壓、彎曲、沖壓及焊接工藝中的常見問題，并提出針對性的改進措施，旨在優化生產流程、提升生產效率。

關鍵詞：防撞梁；工藝設計；生產流程

中圖分類號：U466" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）09-0102-06

0 引言

現代交通工具在設計與制造過程中，安全性占據了核心地位。汽車、火車、船舶等交通工具在碰撞事故中往往導致重大的人員傷亡和財產損失，因此防撞梁作為關鍵的被動安全特性，其重要性不言而喻。鋁合金防撞梁憑借其輕量化、高強度和優越的抗腐蝕性能，正逐漸獲得市場的廣泛認可。其主要功能在于碰撞時有效吸收并分散能量，從而保護車內乘員安全。相較于傳統的鋼制防撞梁，鋁合金材質不僅重量輕，而且耐腐蝕性更強，并在推動輕量化設計、節能減排方面展示出獨特優勢。在針對鋁合金防撞梁設計的研究中，申丹鳳等［1］提出采用擠壓鋁合金壓彎補償方法，對壓彎模具上、下模型面進行獨立補償，并將薄板沖壓成形及回彈分析方法應用于擠壓鋁合金壓彎工藝仿真，得出仿真回彈值的平均誤差為8.63%，回彈分析精度滿足工程應用要求；陳靜等［2］通過正交試驗確定吸能盒結構的最優方案，并運用基于 Kriging代理模型加點策略的多目標粒子群算法，對吸能盒厚度進行了多目標優化，優化后的吸能盒在仿真與臺車低速碰撞測試中的位移結果吻合良好，驗證了設計的可行性；肖罡等［3］以壁厚為設計變量，以碰撞安全性能優于原鋼制橫梁為約束條件，采用遺傳算法對鋁合金前防撞橫梁進行設計及多目標優化，實現了鋁合金前防撞橫梁總質量的減重；成海飛等［4］以總吸能量、峰值載荷、壓縮位移為評價指標，構建了截面形狀為正六邊形的鋁合金吸能盒模型，并在吸能盒內腔加焊加強肋板，通過仿真分析探討了肋板布置形式對吸能特性的影響，得出了綜合特性較優的方案。

綜上所述，采用鋁代鋼，并結合拓撲和尺寸優化，是實現汽車前防撞橫梁輕量化設計的有效途徑。 本文參照某車企前防撞橫梁的設計分析流程，基于原鋼制橫梁的設計空間，開展鋁合金前防撞橫梁的結構設計研究，旨在通過深入分析鋁合金防撞梁的生產案例，為其設計及生產制造提供實用的指導。

1 鋁合金防撞梁設計方案

鋁合金防撞梁主要由主梁、吸能盒、安裝底板及拖鉤套筒組成（見圖1）。主梁為核心結構，負責在碰撞中吸收并傳遞能量，其強度設計高于吸能盒，以確保在有效吸收碰撞能量的同時，避免過度變形，從而保護車身結構和乘客安全。吸能盒在強烈碰撞時優先發生潰縮，通過可控的塑性變形過程，形成穩定的壓潰路徑，吸收并傳遞剩余的碰撞能量至后縱梁，旨在減輕對車身及乘員的沖擊傷害。安裝底板負責將防撞梁固定安裝至車身，起連接作用。拖鉤套筒則具備車輛牽引的輔助功能。

1.1 設計原則

鋁合金防撞梁作為汽車的重要安全裝置，其設計需嚴格遵循相關法規，具體要求如下。

（1）前防撞梁的高速碰撞性能需符合《乘用車正面碰撞時的乘員保護》（GB 11551—2003）標準。

（2）設計初期應充分考慮焊接工藝需求，為吸能盒與周邊組件預留充足空間，確保CMT（冷金屬過渡）等焊接技術實施時焊槍能順利通過。主梁與吸能盒的焊接邊緣距離不小于5 mm；吸能盒與拖鉤筒的距離需保持20 mm或以上（見圖2）。

（3）吸能盒作為實現潰縮功能的關鍵部件，其結構設計需特別注重促進潰縮效果。可通過預設潰縮孔以及結合縱梁剛度與CAE（計算機輔助工程）分析來優化內部腔體結構。

1.2 材料選擇

材料選擇對鋁合金防撞梁設計至關重要，需綜合考慮強度、韌性和腐蝕性等因素，以滿足其在不同工況下的要求。常用的鋁合金材料包括6系和7系鋁合金，兩者各具特性和使用范圍。6系鋁合金通常具有良好的焊接性和耐腐蝕性，適用于防撞梁的擠壓成型和焊接工藝；7系鋁合金則具有更高的強度和硬度，但擠壓工藝性能和抗應力腐蝕能力較差，一般用于航空領域及高強度防撞梁制造。在6系鋁合金中，6082、6063和6061為常用的材料牌號，均屬于鋁-鎂-硅系合金，但成分和性能差異顯著。根據主梁強度需高于吸能盒的設計原則，主梁、安裝底板和拖鉤套筒一般選用6082-T6或6061-T6材料，而吸能盒則傾向于6063-T4或6063-T6材料。

1.3 斷面選擇

主梁和吸能盒的斷面設計直接影響抗彎曲能力和碰撞吸能性能。通過行業對標分析，可快速確定防撞梁常用的截面形狀、尺寸及材料厚度的合理范圍。在擠壓鋁合金防撞橫梁設計中，雖然截面形態多變，但是“日”字形與“目”字形截面因結構優勢而被廣泛采用。這些截面的基礎材料厚度通常設定在2.0～3.0 mm。對標鋁合金防撞梁基礎總成斷面圖見圖3。

1.4 防撞梁設計

1.4.1 基礎設計

參考現有車型鋼制防撞梁邊界圖（見圖4），根據對標分析及鋁代鋼設計原則，在保持鋼質防撞梁邊界基本不變的前提下，搭建鋁合金防撞梁斷面初版數據模型（見圖5）。結構設計初步建議如下：鋁合金防撞梁總成參考對標車型，吸能盒內部結構采用“日”字或“口”字形設計，防撞梁本體采用“目”字形截面。材料選擇上，鋁合金防撞梁本體及吸能盒背板均選用AL6063-T6材料。此設計方案旨在實現輕量化、高效吸能及成本控制的綜合目標，同時保持原鋼質防撞梁邊界框架的優化設計。基礎設計方案中，防撞梁本體截面為常用的“目”字形，吸能盒為“口”字形截面。

1.4.2 吸能盒結構優化設計

吸能盒設計主要考慮壓潰吸收能量的能力，根據壓潰性能評估分析結果，吸能盒優化方案見圖6，吸能盒優化方案參數見表1，吸能盒壓潰區間吸能特性分析結果見表2。

對表2中的數據進行分析，得出以下總論：①鋁合金基礎狀態的單位長度吸能低于鋼制防撞梁，添加隔板后鋁合金的單位長度吸能顯著提升。②case03狀態的單位吸能與鋼制防撞梁總成相近，并且單位質量吸能最高。③綜合考慮重量與單位長度吸能，建議吸能盒采用內置1.8 mm隔板的結構設計。

1.4.3 防撞梁結構優化設計

防撞梁結構優化設計成常用的“目”字形（見圖7），防撞梁優化方案參數見表3。

防撞梁碰撞力—變形量曲線對比見圖8，分析結論如下：①在20～140 mm變形量區間內，鋁合金防撞梁基礎狀態的碰撞力下降幅度較鋼制防撞梁更明顯。②通過優化厚度設計，case03狀態下的碰防撞梁撞力與鋼制防撞梁較接近，因此建議采用case03方案進行防撞梁的結構設計。根據分析結果，確定鋁合金防撞梁結構總成最終斷面圖（見圖9）。最終設計方案的防撞梁性能仿真試驗數據（采用國際選定的非國際單位制單位）見表4。根據表4可知，鋁合金防撞梁總成的抗彎性能優于鋼材防撞梁，滿足開發要求。

將量產車輛的鋼材防撞梁總成替換為上述方案的鋁合金防撞梁總成，并校核整車在正面100%重疊碰撞情況下是否滿足相關法規要求，具體的校核結果見表5。

1.5 實驗結論

根據整車碰撞測試結果，鋁合金防撞梁吸能達到目標要求，符合《乘用車正面碰撞時的乘員保護》（GB 11551—2003）標準。FRB碰撞測試樣車（試驗后）見圖10。

2 生產流程

鋁合金防撞梁的制造過程涉及多個關鍵步驟，包括鑄鋁棒擠壓、型材彎曲、底板沖壓、焊接、拋光、拉鉚、激光打標和質量檢測。每一步驟均對提升鋁合金防撞梁的性能和質量起著重要作用。本文深入分析這些關鍵制造工藝，并針對生產過程中的潛在技術缺陷提出相應的解決方案。

2.1 鑄鋁棒擠壓

在鋁合金防撞梁制造中，鑄鋁棒擠壓是核心環節，主梁、吸能盒和安裝底板均由精密擠壓成型的鋁型材制成。此過程始于對鑄鋁棒和模具的預熱處理，隨后將預熱完成的鑄鋁棒放入擠壓機錠筒，在高壓作用下使其通過模具孔擠出既定形態的型材。擠出后，型材立即經冷卻系統快速降溫以固定形狀，必要時進行拉伸矯直以提升型材強度和尺寸精度。最后，型材被切割至所需長度，并送入時效爐進行硬化處理。

在擠壓過程中，常遇到型材表面瑕疵、尺寸精度不足和金屬變形不均等問題，精確控制溫度和速度是確保模具壽命、產品力學性能和表面質量的關鍵。高溫擠壓可降低材料流動應力，促進變形，但需避免過熱導致的材料過燒和晶體粗化，因為較大且不均勻的晶體易導致變形不均，而較小且均勻分布的晶體有助于提高型材的性能［5］。擠壓速度的調控同樣重要，適度加速可減少材料損傷，提升表面質量；然而，過高的速度則可能加劇損傷，降低表面質量。因此，針對不同系列的鋁合金材料，需根據其特性選擇合適的擠壓溫度和速度參數。例如，6005A鋁合金在低溫高速條件下（530℃、11±1 m/min），經過拉伸矯直、定尺鋸切及適當的時效處理后，展現出優異的強度和硬度［6］；而6082鋁合金則在450 ℃、10 m/min的條件下達到最佳性能［7］。綜上所述，選擇與鋁合金系列特性相符的擠壓溫度和速度，對確保型材質量和性能至關重要。

2.2 型材彎曲

彎曲工藝是構建防撞梁幾何形狀的關鍵步驟，直接影響其外觀、尺寸精度、結構強度和整體性能。主梁在擠壓后通常會在T4狀態（即鋁合金材料經過固溶處理后自然冷卻的熱處理狀態）下進行彎曲，因為T4狀態下的鋁合金硬度較低，具有較好的可塑性和變形性，所以適合彎曲加工。目前，拉彎、壓彎、繞彎是常用的彎曲工藝。

（1）拉彎工藝：利用拉彎機對鋁合金型材施加拉力，使其沿著預設曲線路徑彎曲。拉彎機內置芯棒和定位型腔，將主梁置于定位型腔并夾緊后，以主梁的中部為基準點向兩側逐漸彎曲至設定曲率。該工藝操作簡單且回彈量小，特別適用于薄型且需大彎曲半徑的型材，因生產效率高在行業中廣泛應用。

（2）壓彎工藝：借助液壓壓力機和專用模具，以高壓方式使型材變形，更適合處理較厚、硬度較高的型材。但壓彎過程中材料內部應力控制較復雜，需注意局部應力集中和變形不均問題。

（3）繞彎工藝：將材料固定于特定模板，結合回轉與徑向運動彎曲型材，適用于制作多弧度或特殊形狀的型材。

在型材拉彎過程中，彎曲質量受多種因素的影響，其中彎曲半徑和角度的精確控制對于確保型材結構和功能完整性起關鍵作用。此外，拉彎速度和型材溫度直接影響加工效果和效率。合理設置溫度有助于減輕材料內部應力，預防開裂。為提升拉彎工藝質量和效率，建議采取以下措施：①采用配備高級控制系統的先進設備，提升操作精度和生產效率。②精確控制溫度，減輕內部應力和變形。③加強后期處理和質量檢驗，確保最終產品符合質量標準。

2.3 底板沖壓

對于底板，首先通過擠壓形成初步形狀，隨后采用沖壓工藝進行精確成型。沖壓工藝因其高效性被廣泛應用于鋁合金防撞梁底板的生產中。在沖壓過程中，鋁合金板材被置于沖壓模具內，沖壓機施加高壓，使其塑形為所需底板形狀。沖壓過程中可能遇到的問題及其預防措施如下。

（1）材料開裂：鋁合金因過度伸展在沖壓時易開裂。預防方法包括選擇合適的鋁合金材料、調整沖壓速度和壓力，以及對材料進行適當的預熱處理。

（2）回彈：鋁合金的高彈性模量易導致成型后尺寸回彈。為降低回彈量，需優化模具設計和沖壓工藝，如增加過沖量等。

（3）表面劃痕和磨損：模具和鋁合金之間的摩擦可能損傷底板表面。預防措施包括保持模具表面光滑、使用潤滑劑，以及定期檢查和維護模具。

（4）成型不均勻：鋁合金板材厚度不均或沖壓力分布不均可能導致成型效果不佳。預防此類問題需嚴格控制板材質量和厚度，并確保沖壓力均勻施加。

（5）變形和對位問題：沖壓過程中力量分布不均勻可能引起部件變形。預防方法是優化模具設計，確保沖壓過程中力量均衡分布。

2.4 防撞梁焊接

在鋁合金防撞梁的生產流程中，主梁、吸能盒、底板及拖鉤套筒加工完成后，成品焊接成為關鍵步驟。鋁合金焊接技術主要包括MIG焊接（金屬惰性氣體焊接）、TIG焊接（氣體鎢極惰性氣體焊接）和CMT（冷金屬過渡）焊接。MIG焊接因高效、操作簡便，適用于長焊縫和大批量生產；TIG焊接則因焊縫質量高、外觀精美，常用于精密焊接，但對焊接技能要求較高；CMT焊接融合了MIG焊接的高效率和TIG焊接的高質量優勢，通過精確控制熱輸入，減少材料變形和熱影響，故在鋁合金防撞梁焊接中得到廣泛應用，常與自動化設備配套使用以提升效率。

焊接過程通常分為拖鉤套筒與主梁焊接、吸能盒與安裝底板焊接，最終整體組裝焊接。在CMT焊接操作中，可能遇到的問題如焊絲堵塞，是由焊絲質量、送絲速度、電流設置或導線喂送系統故障引起，需采用高質量焊絲，定期清理維護焊槍及系統，準確設置焊接參數。另一個常見問題是焊縫過黑，可能因保護氣體（如氬氣）流量不足或焊接區域氧化所致，可通過確保充足的保護氣體流量和焊接區域的清潔來解決。

對于底板安裝和吸能盒焊接，需防范高溫導致的尺寸變形和不平整，可通過在夾具設計中預設變形機構或通過液冷系統控制溫度。吸能盒與主梁焊接時，需嚴格控制間隙以防止焊穿，必要時調整吸能盒高度公差值和角度，以滿足橫梁搭接間隙要求。這些調整有助于確保焊接質量，提高產品的整體安全性能。

2.5 后期處理和質量檢驗

焊接完成后，需進行嚴格的質量檢查，鋁合金防撞梁的焊接要求如下：焊縫處不允許有裂紋、氣孔、縮孔、夾渣、未熔合、未焊透、漏焊、假焊及燒穿等缺陷；焊縫表面應呈均勻、整潔的鱗狀波紋，無焊瘤、焊渣等缺陷；焊縫直線度公差不超過2.0 mm。對于外漏過多的焊縫，需進行拋光打磨并去除毛刺，缺陷件需人工補焊修復。此外，還需抽樣進行熔深試驗：在產品焊縫處取5處樣品，與切割成焊接區域垂直的橫截面，確保表面平整無殘留物；利用光學顯微鏡等設備觀測焊縫橫截面，對比測量熔深與標準值，以驗證焊接質量。

防撞梁焊接檢測合格后，進行拉鉚處理，以便功能性支架安裝。隨后，產品送至激光打標機，在特定位置刻印生產批號、商標等信息，以便問題追溯。最后，進行嚴格的尺寸檢驗，確保產品質量和安全。檢驗過程中，防撞梁固定在專用檢具上，通過插銷棒驗證孔位精確度，并評估形狀、弧度、表面光潔度和焊接質量是否符合標準。不符合標準者將觸發返工流程，確保最終產品達到結構完整性、性能可靠、安全合規的標準。

3 結語

鋁合金防撞梁作為汽車安全系統的核心組件，其品質直接影響車輛整體安全性。在汽車行業追求輕量化和增強安全性能的背景下，鋁合金防撞梁的生產工藝成為關鍵研發領域。隨著智能化和自動化技術的不斷進步，高效、精確的生產模式已成為行業發展的主流趨勢。本研究系統梳理了鋁合金防撞梁生產過程中的常見問題及其解決方案，深入分析了工藝步驟的關鍵參數，并提出了相應的優化建議。這些研究成果對提升鋁合金防撞梁產品質量和生產效率具有重要價值，為其未來發展提供了指導。未來，隨著新興材料和技術的不斷涌現，鋁合金防撞梁生產工藝將持續得到優化與創新，以更好地應對汽車行業的新挑戰和市場需求。

4 參考文獻

［1］申丹鳳，聶昕，陳建.6082-T6擠壓鋁合金防撞梁壓彎成形及回彈補償［J］.塑性工程學報，2023，30（7）：15-22.

［2］陳靜，徐森，劉震，等.基于碰撞安全性的鋁合金吸能盒輕量優化［J］.汽車工程，2021，43（2）：241-277.

［3］肖罡，郭鵬程，項忠珂，等.汽車鋁合金前防撞橫梁服役性能仿真及優化設計［J］.塑性工程學報，2023，30（7）：159-166.

［4］成海飛，趙奉奎，張涌.汽車吸能盒的結構設計與優化［J］.農業裝備與車輛工程，2023，61（1）：149-161.

［5］石鈺，楊瑞青，于峰.擠壓工藝對6061-T6鋁合金棒材力學性能和粗晶環的影響［J］.輕合金加工技術，2020，48（3）：33-37.

［6］王歡，周丹桐，王樂洋，等.擠壓工藝對汽車用鋁合金型材組織與性能的影響［J］.有色金屬材料與工程，2023，44（3）：45-48.

［7］凌建全，李一峰，劉方鎮，等.擠壓速度對6082鋁合金管材顯微組織和力學性能的影響［J］.輕合金加工技術，2022，50（12）：35-40.

*廣西重點研發計劃項目“基于熱力耦合效應的連續高速沖壓模具高效散熱設計及其工業示范”（AB22035044）。

【作者簡介】劉玉三，男，湖南永州人，碩士，工程師，研究方向：沖壓技術及模具開發；孫光輝，男，內蒙古赤峰人，本科，工程師，研究方向：沖壓技術及模具開發；麻健梅（通信作者），女，廣西崇左人，本科，工程師，研究方向：沖壓技術及模具開發。

【引用本文】劉玉三，孫光輝，麻健梅.鋁合金防撞梁設計及生產工藝研究［J］.企業科技與發展，2024（9）：102-107.