不同铝合金材质在汽车轻量化运用归纳

不同铝合金材质在汽车轻量化运用归纳

罗水华

引言

和传统燃料汽车相比，清洁能源汽车节能、轻量化、环保有很大优势，近年来国内车企纷纷提高开发铝合金零部件、车身比例，以减轻整车质量达到降低能耗。上汽公司研发的铝合金电动汽车整车达到0.3吨，东风汽车计划年产5万辆铝合金电动车尤为引人注目，国内研发新能源汽车车企比较靠前有：比亚迪、蔚来和零跑，基本上覆盖BEV（纯电动动力）、HEV（混合动力）、PHEV（插电式混合动力）车型，铝合金电池托盘、冷凝管、保险杆、活塞、阀体、轮毂、散热器、车身等等，在上述企业得到规模化运用。

国际上，节能汽车，特别是高级轿车成为铝合金汽车主体。目前，国际新能源汽车巨头特斯拉铝合金轻量化运用达到60%。德国奥迪公司已经将A8技术扩展至A4、A6，全铝车身框架结构（ASF）图1是奥迪公司一项核心技术，其车身框架由铸造和液压成型铝材组合而成，其中22%为挤压成型铝合金件、35%为铝合金压/铸造件、35%为铝合金板材，车身通过连接件组合，实现了结构设计和制造技术的一体化。

图1、为奥迪汽车全铝车身框架结构ASF

铝合金运用带给新能源汽车优势不言而喻，第一、使车辆轻量化，数据显示，车身重量没减轻10%，燃料将节省5-7%，可见汽车轻量化在实现节能减排中的重要作用。全铝车身技术，可以比传统的钢制车身降低40%左右的重量，车重的降低减少了动力系统的负荷，从而大大提升了动力加速性能。由此看出，全铝车身不仅提升整车的刚度，还大大降低了车辆的总重，甚至提升了车辆的动力性和燃油经济性；第二、铝具有良好的物理化学性能和加工性能，适用于铸、挤、轧、锻、冲等加工工艺，同时耐腐蚀性能良好，维护成本低且易于回收，可有效降低

金属资源浪费，铝本身存在的多种特点和优势使其成为汽车行业中代替传统钢铁的最有竞争力的金属之一。

一、不同材质铝合金在汽车上运用

1 6XXX系铝合金

1.1 6063合金

6063属于低合金化的Al－Mg－Si系高塑性合金。热处理强化后具有中等强度，冲击韧性高，对缺口不敏感；具有极好的热塑性，可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材或锻造成结构复杂的锻件，其淬火敏感性低，挤压后只要温度高于淬火温度（≥500℃）即可实现在线风淬、喷水或过水淬火；焊接和耐腐蚀性能优良，无应力腐蚀开裂倾向。挤压加工后型材表面十分光洁，易于阳极氧化和着色。

1.1.1力学性能：6063合金的主要强化相为Mg

2Si，合金中Mg

2

Si含量为

1.2％左右，Mg、Si含量是按照形成Mg

2

Si要求（Mg：Si＝1.73）而设计，根据不同需求配比出不同6063成分，得出不同力学性能6063材质表1，当作汽车工业材使用时，根据在汽车上需求，装饰件多为6063、6063P材质，对表面要求后道阳极氧化多选择6063P，非受力安全结构件又需求有一定强度要求可选择6063A。

表1 为6063工业用成分（质量分数%）及力学性能

元素

牌号

Si Mg Fe Cu Mn Zn Cr Ti

6063 0.38-0.44 0.5-0.58 0.1-0.25 0.03 0.05 0.05 0.05 0.006-0.015 T6性能R m≥180Mpa A%12 HW≥9 6063A 0.53-0.58 0.65-0.75 0.15-0.22 0.04-0.08 0.02-0.08 0.02 0.02 0.01-0.02 T6性能R m≥230Mpa A%11 HW≥12 6063P 0.4-0.44 0.51-0.55 0.12 0.01 0.02 0.01 0.01 0.02

T6性能R m≥200Mpa A%11 HW≥10 6063为易挤压（通用工业），6063P为中等（高要求表面型材），6063A（难挤压型对力学性能有要求）

1.1.2焊接性能：我司生产汽车电池托盘6063合金材质占有一定比例，其中底板及通水冷却板、电池端板,电池托盘对焊接后表面有比较高要求。搅拌摩擦焊（FSW）作为一种固相连接技术图2，与其他焊接相比，有焊接质量高、美观，变形小、环保等优点。搅拌摩擦焊分两大类，一类为单轴肩搅拌摩擦焊（FSW），顾名思义只有单一方向焊接，母材需要由一定结构刚性或被牢固固定来实现焊

接，缺点也明显，焊缝背面必须加一耐摩擦垫板，受该特点影响，对型材拼接焊产生不小的限制。我司现有的搅拌摩擦焊以单肩轴搅拌为主，据赵刚［1］工艺参数：搅拌转头转速在800-1600r/min，焊接速度在100-300mm/min，获得成型美观、性能良好的搭接接头，拉伸试样断裂全在母材，焊接强度系数为母材的81.9%。对于选取参数上看，取决于实际情况6063材质焊接，对于薄板（1-6mm）搅拌头倾斜角采用小角度通常为1-2.5。，下压量在0.1-0.3mm，对于中厚板（≥6mm）搅拌头倾斜角采用小角度通常为3-5。，下压量在0.3-0.5mm，焊接转头转速和进给焊接速度，根据下压量图3大小，优化出较佳工艺参数组合，才能获得良好性能焊接接头，单一考虑到转速和焊速比值（ω∕ν），并不能完全掌控焊接接头质量和外观。

图2 为单肩轴搅拌摩擦焊示意图

另一类为双轴肩搅拌摩擦焊（BT-FSW），双轴肩克服单轴肩搅拌摩擦焊接进行焊接操作时，必须提供支承座对工件进行严格支撑不足如图4，完美解决中空部件焊接。通过双轴肩搅拌摩擦焊接6063材质，比单肩轴焊接效果更均匀，焊接接头搅拌区内，上、中、下各层硬度分布较为均匀，据赵运强［2］对6063搅拌摩擦焊研究：当搅拌转头转速在400-700r/min，焊接速度在100-300mm/min的范围内，均可以获得完美、内无缺陷的优质接头，焊接接头强度达到母材87%，断裂位置位于热影响区。

图3 为焊接质量取决于综合优化主要工艺参数

图4 为双轴肩搅拌摩擦焊接示意图

1.1.3表面处理：6063合金在汽车工业材上用途，主要有装饰件美观和功能性耐腐蚀，故所需要表面处理主要以阳极氧化为主，而阳极氧化中选择以硫酸阳极氧化为主，通过实践证明，最佳工艺参数为：

a、抛光处理（根据需求选择机械抛光，及高光表面电解抛光）

b、H

2SO

4

：140±15g/L；AL3+：≤18g/L；Fe3+：≤3g/L；