車身輕量化設計對汽車燃油經濟性意義重大，能夠提高車身剛度，使車身受力分布均勻，提高材料的利用率。鋁合金是目前應用最廣的輕量化材料。相比于傳統的鋼制車身，鋁合金車體在設計及應用技術等方面均有其獨特性。

輕量化鋁制車身及零部件從設計到完成包含結構設計、CAE分析、成型、連接總成、表面處理等五個關鍵步驟。在鋼制車體鋁化過程中，會根據現有鋼制車身的剛強度及減重的需求進行多輪次結構優化; 同時還要進行成形性分析，確定材料的類型和規格; 開展零件試制，并對模具、工藝進行細致優化，保障成形合格率; 零件制成后，通過機械連接、焊接等多種連接方式進行總成; 對其進行涂裝處理，形成最終的產品。

1、汽車板外覆蓋件的結構設計及CAE分析

外覆蓋件是汽車板的重要應用領域，包括車門內外板、發動機蓋內外板等，不同部位的設計及使用要求都有一定的差別。

發動機蓋一般由外板、內板和局部加強板組成。發動機蓋外板受造型的影響很大，幾乎沒有優化空間; 發動機蓋內板中間部分無安裝附件，具有較大的設計自由度。因此發動機蓋的結構設計主要集中在其內板上。

發動機蓋輕量化通常采用輕質材料和結構優化設計兩種方法。目前對鋁制發動機蓋的結構進行了設計分析研究，但大多的結構設計都基于經驗，即通過輕質材料替換或修改斷面結構的方式對發動機蓋進行優化設計。在發動機蓋開發過程中往往出現某些剛度遠遠超過目標要求，造成材料的浪費和開發成本的增加。

1.1 鋁制發動機蓋內板結構拓撲優化設計

結構拓撲優化技術是指在給定結構的設計空間內找到最佳的材料分布或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設計。結構拓撲優化包含優化變量、約束響應及目標響應三要素。以發動機蓋內板為例，考慮到發動機蓋內板周邊存在鉸鏈、撐桿、鎖等安裝附件的安裝點，將發動機蓋內板周邊保持不變，選取發動機蓋內板中部作為優化變量，如圖1所示。約束響應要保證優化后結構的各類剛度不低于原結構剛度。約束響應設置見表1。目標響應設置質量最小化。

經過拓撲優化，得出發動機蓋內板的主要傳力路徑，如圖2所示。結合板材成型工藝及制造要求，消除細小的路徑，保留重要傳力加強筋，重新設計的數據結構如圖3所示。

對原鋼制發動機蓋與拓撲優化后的鋁制發動機蓋分別進行彎曲剛度、角點剛度、側向剛度和扭轉剛度性能分析，結果見表2。

由表2可見，優化后鋁制發動機蓋相比鋼制的減重30.4%，各剛度均有所提升。另外，相比鋼制發動機蓋，鋁制發動機蓋對五種剛度的性能提升更加均勻，說明拓撲優化后設計的鋁合金發動機蓋結構更加合理。

1.2 鋁制發動機蓋內板CAE性能分析

鋁合金在汽車車身上的應用，逐漸從原來的無條件使用，發展為精細化的計算使用。結構CAE分析對鋁材的使用起到了非常關鍵的作用，它使材料在用量合理化的同時實現了性能最優化。鋁合金結構CAE分析主要包括性能CAE分析及碰撞安全性CAE分析。性能CAE分析技術是通過對標原結構與鋁合金結構的模態、剛強性能，實現以鋁代鋼的同時，提升鋁合金車身的性能指標。圖4為鋁合金機蓋結構模態CAE分析結果。

圖5為鋁合金機蓋結構剛度CAE分析結果。通過剛度CAE分析確定使用的材料厚度規格，實現滿足性能的材料壁厚選取。碰撞安全性CAE分析技術是通過對比原結構與鋁合金結構的碰撞性能，使鋁合金結構滿足碰撞安全法規的要求，如圖6所示。通過行人保護碰撞安全性CAE分析，來提取發動機蓋內外板的最大吸能量，選取優化的結構及優選材料方案。

2、汽車板的沖壓成型工藝

沖壓成型技術是板材零部件成形制造的傳統技術，國內多家主機廠采用鋼板沖壓生產線實現了鋁合金發動機蓋、車門內板等覆蓋件的沖壓生產。由于鋁板與鋼板的特性存在較大差異，鋁板對沖壓工藝、模具具有特殊的要求，主要體現在以下幾個方面：

1） 鋁板的塑性低于鋼板的，極易出現沖壓開裂問題。要求零件與模具避免小圓角、急劇過度等形狀特征。通過模具表面鍍鉻處理提高光潔度，降低沖壓成型風險。

2） 為減少批量生產時材料性能、模具狀態等因素波動對沖壓質量造成的影響，沖壓工藝設計時必須進行穩健性分析，確認材料屈服強度、抗拉強度、摩擦因數、壓邊力、板料厚度等變量對成形性的影響。

3） 鋁合金的彈性模量小，沖壓后回彈大。模具設計前期應通過回彈補償手段進行優化，沖壓工藝設計時要考慮塑性變形程度、變形均勻等因素，避免因回彈導致的零部件尺寸精度下降的問題。

4） 鋁合金修沖時容易產生鋁屑，鋁屑殘留在模具表面后會對零件表面造成壓傷、劃傷等缺陷，降低外觀質量。沖壓工藝設計取消廢料刀、縮小修邊沖孔角度、多應用正沖孔技術等手段有助于改善鋁板沖壓鋁屑問題。

5） 相比于機械式壓力機，采用伺服壓力機可以兼顧成形速度和成形力，在保證成品質量的同時，兼顧了沖壓生產效率。

2.1 覆蓋件成形用冷沖壓技術改進

近年來，為了提高鋁合金沖壓成型性，降低模具開發成本和風險，國內外圍繞摩擦與潤滑、精確模擬仿真等技術開展了重點研究，極大地提高了鋁合金汽車板的成形性。

1） 通過潤滑處理改善摩擦特性是提高汽車鋁板成形性的有效途徑。鋁板沖壓用潤滑劑分為液體潤滑劑和固體潤滑劑兩種。相關研究發現采用固態潤滑劑可以取得比液態潤滑劑更好的摩擦效果，典型案例如M.Meiler在寶馬Z8系列的車用鋁板上使用固態干膜E1潤滑劑沖壓，避免了液態潤滑劑條件下沖壓的開裂和頸縮缺陷。

2） 大量研究發現材料表面形貌對摩擦與潤滑特性存在顯著影響。因此，表面織構化成為鋁板沖壓成型領域的熱門研究，主要包括表面織構減摩作用機理、織構形狀優化設計、摩擦特性等方面。

3） 模擬仿真技術被廣泛應用于沖壓模具設計開發，用于代替傳統反復試錯法，以減少模具調試次數和降低模具開發成本與風險。國內外學者對鋁合金汽車板在復雜沖壓條件下的宏觀力學特性、摩擦特性開展了持續研究，提出了系列硬化模型、屈服準則和摩擦模型，以實現鋁合金汽車板沖壓過程的精確模擬。

2.2 高強件采用熱成形技術

隨著汽車輕量化的推進，對高強鋁合金構件的需求越來越急迫，但是由于高強鋁合金室溫下成形性能差，無法成形復雜的汽車零部件。為了滿足汽車高強鋁合金構件的成形性需求，帝國理工大學的林建國教授提出了鋁合金熱沖壓成型技術。該技術的典型工藝流程： 首先將高強鋁合金板材進行固溶處理，然后快速轉移到模具中進行成型淬火，通過人工時效處理獲得高強鋁合金零件。該技術可以滿足高強鋁合金構件成型性的要求。英國Impression Technologies Ltd（ ITL） 公司將該技術率先在全球進行了產業化推廣，建立了批量生產線，并已為蓮花汽車、阿斯頓·馬丁等主機廠開發出來高強鋁合金構件，如圖7所示。

我國在高強鋁合金熱成形技術方面開展了大量研究，主要集中在鋁合金熱成形性能、鋁合金熱成形強化工藝與機制、熱沖壓數值模擬以及熱沖壓零件性能評價等方面。華中科技大學王義林等通過熱成形生產線試制了某汽車B柱，材質為7075高強鋁合金，力學性能檢測結果如圖8 所示，抗拉強度范圍為557 MPa～578 MPa，伸長率約為6.7%～10.1%。

蔚來汽車在其量產的全鋁車身中，使用了500 MPa級的7×××鋁合金B柱內板。據了解，該材料是由西南鋁業集團有限責任公司獨家供貨。該高強熱沖壓鋁合金零件的應用在行業內起到了良好的示范作用。目前中國第一汽車集團有限公司、東風汽車集團有限公司、廣州汽車集團股份有限公司等主機廠已開展鋁合金熱成形技術儲備。

3、汽車鋁合金零部件的連接技術

3.1 鉚接

自沖鉚接（SPR）是一種快速連接兩層或者多層板材的冷成型工藝，它將鉚釘刺入上層板，并使其刺穿后，在一定模具作用下，鉚釘的腿部向下層板材料周圍擴展而不沖裁下層板，最后形成機械互鎖結構。HENROB 在1993年首先發明了該技術，并將該技術成功用于奧迪A8全鋁汽車車身的總成制造，提高了連接點強度及可靠性，克服了連接點疲勞性能不足、鋼鉚釘和鋁材的接觸腐蝕等問題。

SPR技術為典型的機械連接結構，連接過程無冶金反應，可有效避免異種材料焊接過程因導電、導熱的差異形成的焊接變形、內應力等，克服了鋁合金、鎂合金等輕金屬難以采用傳統點焊連接方法的限制。該技術不僅可用于同種材料之間的連接，而且能夠實現鋁/鎂、鋁/鋼、鋁合金/鎂合金/高強度鋼等金屬材料和高分子材料/復合材料的異種材料連接，同時連接過程能耗低，無熱效應，不會破壞防腐涂層。

半空心鉚釘SPR工藝過程如圖9所示，包含四個階段： 壓緊階段，沖裁階段，擴張階段，沖鉚完成。

目前，SPR技術已應用在奧迪、捷豹、寶馬、通用、福特等公司白車身制造中，形成了廣泛的應用市場。該技術廣泛應用于國內新能源鋁合金及鋼鋁混合車身總成連接，具有不可替代的地位。國內奇瑞、捷豹路虎、上汽大眾等車身普遍采用的連接工藝就是SPR技術，典型應用如圖10所示。

SPR主要的研究有三個方面： 自動化鉚接設備、鉚接工藝開發及鉚接質量檢測。

目前國外已有成熟的SPR自動化鉚接設備，如Henrob、Bollhoff、Emhart，但是國外知名的SPR設備價格普遍較高，企業對白車身總成生產線進行替換代價太大，推廣受阻。同時由于關鍵技術封鎖，引進設備存在技術壁壘，很難在國內得到普遍應用。近些年來國內在SPR技術推廣及設備開發方面也取得了重大突破，形成了國內自主品牌，并在國內汽車制造中得到了廣泛應用，如深圳一浦萊斯、蘇州斯旺西、上海固極等，均可提供相關硬件設備及集成方案。

對SPR工藝及技術開發，國外已開展了較為系統的研究，并取得了系列成果，但是出于技術壟斷和技術封鎖的目的，國外研究機構及設備供應商仍然對該工藝的核心設置了技術屏蔽。相比之下，由于對該技術的研究時間有限，國內高校及研究機構尚未對SPR工藝開展全面系統的深入研究，未形成系統的成套解決方案。因此，開展輕量化材料SPR工藝技術的研究對推動SPR技術的發展十分重要。

3.2 點焊

電阻點焊是鋼制車身最重要的連接方式，在車身總成及零部件的焊裝中均有大量應用。隨著汽車輕量化的推進，電阻點焊也開始廣泛應用于鋁合金零部件的連接。在奔馳SL-Ｒ231、奧迪TT、凱迪拉克CT6、福特F150 皮卡等車身裝配中均大量采用了鋁合金電阻點焊工藝。

鋁合金電阻點焊的技術難點有以下兩方面：

1） 焊接時銅電極與鋁基體發生粘連作用，銅電極的連續打點性能差。主要原因是鋁合金表面存在組織致密、熔點極高、導電性能極差的氧化膜，焊接過程中產生很大的接觸電阻，電阻熱會形成高溫，使鋁與銅形成低熔點（548 ℃）的化合物，使銅電極與鋁合金的表面發生強烈粘連導致銅電極燒損嚴重。

2） 鋁合金電阻點焊接頭力學性能較差。原因有三點： 一是焊點熱影響區組織軟化（ 晶粒長大和過飽和固溶體等） ; 二是接頭的熔核處易形成縮松和氣孔，熱影響區易形成液化裂紋; 三是鋁合金熱膨脹系數較大（ 約為鋼的2倍） ，點焊熔化時的熱膨脹較大，易在工件接觸面間造成噴濺、電極與工件間造成飛濺，繼而帶走部分熔化金屬和熱量，影響熔核直徑的大小。

針對當前鋁合金電阻點焊的應用情況，目前的研究進展主要包括以下幾個方面：

1） 表面特性及接觸電阻優化

鋁合金的表面狀態對電阻點焊的力學性能有很大影響。鋁合金表面形成的Al2O3膜在銅電極和鋁制工件的界面間會產生高電阻，這些不導電且難熔化的氧化膜會導致鋁合金焊點的質量和電極壽命明顯下降。目前工業上主要通過對鋁合金板進行清洗或者鈍化來去除氧化層，降低接觸電阻。在接觸電阻優化方面，Luo et al．提出應用小電流預熱處理抑制氧化層的影響。如圖11所示，當在原有焊接工藝基礎上施加一個電流為8 kA，時間為50 ms的預熱時，可以顯著降低AA5052 鋁合金界面處的接觸電阻，從而顯著提高焊接質量。

2） 外加磁場對焊點性能的改善

在相同的焊接工藝參數條件下，外加磁場對焊點熔核位置組織及性能有明顯的影響。Yang Li等在開展AA5052鋁合金點焊時發現，外加磁場施加的電磁力可以明顯細化柱狀晶粒，因此采用外加磁場制備的接頭在柱狀晶和粗晶區具有較高的硬度（添加和不添加外部磁場的粗晶區晶粒尺寸分別為9.3 μm和16.7 μm） ，如圖12所示。

3） 電阻點焊焊接工藝的優化

焊接工藝的優化內容一般包括三個主要參數：焊接電流、焊接時間和電極壓力。其中焊接電流與焊接時間對熔核位置熱效應的影響趨勢相同，焊接電流越大、時間越長，焊接的熱效應越顯著。電極壓力則主要通過對接觸電阻和接觸面積的影響來影響接頭性能，當電極力不足時，接觸電阻高，產生過多的熱，易于發生飛濺，從而導致接頭質量差; 當電極力過大時，熔核直徑和接頭強度均呈減小趨勢，這主要是由于接觸面積增大、電流密度減小和散熱增加所致。

3.3 冷金屬過渡焊接（CMT）

熔化極氣體保護焊具有成本低、效率高等優點備受主機廠青睞，但該種焊接方式在應用過程中，存在飛濺大、變形量難以控制等問題，在鋁合金薄板上很難得到廣泛推廣，尤其對于1 mm 左右的薄板是該種焊接工藝的“禁區”，而輕量化汽車用鋁合金板厚度多為1 mm 左右。汽車白車身鋁合金工件狀況見表3。為獲得高質量、高精度的輕量化車身零部件，對焊接技術提出了更高要求。

Fronius公司通過精準協調送絲及實時監控，創造性地提出了新型熔化極氣體保護焊———冷金屬過渡焊接工藝，該工藝的主要原理為當熔滴與熔池接觸發生短路時，短路信號反饋給數字化處理器，焊機馬上停止輸出電流，處于“冷”階段; 隨后，焊絲回抽、進給，重新引弧并給予材料熱量，處于“熱”階段。這樣往返循環實現了焊接過程“冷”和“熱”的交替。圖13為CMT焊接過程。

CMT焊接工藝通過精準控制熱輸入從而使自動化焊接1 mm 左右的超薄鋁合金成為可能，同時該工藝具備較強的搭橋能力，可降低白車身裝配要求，滿足輕量化車身連接需求。表4為CMT技術在白車身領域焊接適應性。

CMT焊接工藝已在國內外眾多主機廠得以成功應用，尤其是在車門、頂蓋等外觀要求高的部位，但車身骨架等中厚板（3 mm以上） 運用CMT工藝時，其焊接過程能量輸入低并具有上限值，往往產生未焊透等焊接缺陷，可采用CMT復合脈沖（CMT+P）焊接工藝，能有效避免焊接缺陷的產生。這種工藝兼顧CMT低的焊接熱輸入的特點，同時與電弧脈沖復合，使焊接過程熱輸入量可以自由調控，實現了對焊接熱輸入的精確控制，該種工藝適用于車身骨架、車體下結構等對連接強度有一定要求的部位。圖14為CMT焊接工藝車身焊縫改善對比。

采用CMT冷金屬過渡技術是輕量化汽車焊接技術的發展方向，CMT工藝以多變的模式、精準的控制被各大主機廠廣泛認可。CMT、CMT+P和變極性控制技術將被廣泛應用到汽車覆蓋件、汽車骨架及汽車增材制造領域中。

3.4 膠接

膠接是指使用規定的粘接膠將兩個以上金屬或非金屬零件粘結起來的技術措施。膠接技術具有應用范圍廣、載荷分布均勻、變形小、物理性能好、工藝簡便，成本低等特點，在車身連接中獲得了廣泛的應用。

按照強度，粘接膠可以分為高結構（high-structural）粘接膠、柔性結構（flexible-structural） 粘接膠、彈性（elastic） 粘接膠以及密封膠（sealants） 四類。四類粘接膠的可逆彈性變形以及剪切模量如圖15所示。剪切模量以及斷裂時的伸長率如圖16所示。

高結構粘接膠一般由環氧、丙烯酸以及聚氨酯組成，可以分為室溫兩組份體系以及熱固化單組份體系。焊裝車間所用粘結膠一般為熱固化類型的，其中含有硬化劑在加熱條件下與環氧樹脂反應并固化，從而得到最終的產品。焊裝車間進行的膠裝一般先進行預固化，隨后再隨車身進行整體的磷化、電泳涂裝工序，從而在電泳烘烤階段完成膠的最終固化。在焊裝車間的膠接類型主要包括隔振膠、折邊膠、點焊密封膠、結構膠等。不同類型膠的連接方式如圖17所示。

隔振膠主要用于機蓋、行李箱蓋、頂蓋和車門等內外板之間。隔振膠的主要作用為減振，膨脹率范圍100%～300%。隔振膠的使用位置如圖18所示。涂隔振膠時一般分為條狀膠和點狀膠。條狀膠的斷面形狀為直徑約8 mm 的半圓弧，每段長度約60 mm～80 mm，段與段的間隔約40 mm; 點狀膠的直徑約為20 mm（ 視板件之間距離進行調整） ，相鄰膠點的間隔一般大于50 mm。

車身鈑金件折邊結構的粘接膠統稱為折邊膠，是用于車身鈑金件折邊結構的粘接膠的通稱，主要用于機蓋、車門、前翼子板等位置。折邊膠的應用位置如圖19所示。采用折邊方式連接內、外蓋板，可有效提高車身的外觀質量，減少焊接凹坑。折邊膠施工方式有機械手自動涂膠和手動涂覆，折邊后應確保內、外板之間的間距在0.1 mm～0.4 mm之間，施工壓力一般控制在12 MPa～16 MPa 之間。

點焊密封膠是焊裝工藝過程中常用的重要膠種之一，多用于前后圍、側圍及地板等處密封，主要起密封、防漏、防腐蝕以及防止灰塵進入等作用，一般在焊接前在車身鈑金件之間使用，要求其經焊接、涂裝固化膨脹后具有一定粘接強度。點焊密封膠的斷面形狀為直徑約3 mm～5 mm 的半圓弧，圓心離邊界7 mm。

4、汽車板零部件的涂裝工藝

鋁合金汽車零部件的涂裝主要包括前處理及涂裝工序： 前處理方式主要包括磷化及薄膜化處理; 涂裝工序主要包括電泳、中涂、色漆、清漆的噴涂等。

4.1 涂裝前處理

磷化前處理方式在汽車行業應用最為普遍，鋼制車身大量采用磷化處理方式。對于含鋁車身而言，由于鋁合金的特性，磷化方式與鋼制車身存在一定差異。鋁合金構件表面存在一層氧化鋁（Al2O3）膜層，需要在磷化槽液中添加氟離子（F－），一方面促進鋁合金表面氧化膜溶解，另一方面與槽液中游離態的鋁離子（Al3+） 反應生成AlF3、AlPO4、K2NaAlF6等沉淀物，減少Al3+對磷化的影響。典型鋁合金磷化后表面形貌如圖20所示。

此外，含鋁車身在磷化過程中產渣量要大于鋼制車身的，需要根據現場情況對除渣系統進行適當調整。一般而言，在鋁合金表面積比例不超過20%時，可以采用鋼鋁共線磷化的方式進行磷化處理; 在鋁合金表面積比例超過20%時，可以采用兩步法或者薄膜前處理工藝。兩步法磷化其要點在于鋼鋁混合件中的鋼件和鋁件分別進行磷化和鈍化處理，通過在磷化液添加遮蔽劑，使鋁合金在磷化液中不反應，鋼件先進行磷化，隨后有鈍化工序對鋁合金進行鈍化，確保鋼件、鋁件均制備良好的前處理保護膜層。

鋁合金表面積比例超過20%時，可以采用兩步法或者薄膜前處理工藝。兩步法磷化其要點在于鋼鋁混合件中的鋼件和鋁件分別進行磷化和鈍化處理，通過在磷化液添加遮蔽劑，使鋁合金在磷化液中不反應，鋼件先進行磷化，隨后有鈍化工序對鋁合金進行鈍化，確保鋼件、鋁件均制備良好的前處理保護膜層。

4.2 涂裝工序

汽車涂裝工序主要包括電泳、中涂、色漆、清漆的噴涂等。水性免中涂B1B2工藝，是近年來研發的一種環保性涂裝工藝，由于不再設置中涂工序，降低了涂料自身的實際應用量，減少了涂裝過程能量耗損及運行成本投入，降低了有害物質的排放量。免中涂涂裝工藝路線由于減少了中涂工序使得涂料總體厚度下降，且由于薄膜前處理的大量使用，對于鋁合金板材的表面質量的要求越來越高，板材的表面粗糙度會發生傳遞行為，影響最終的涂裝效果。為了滿足涂裝后表面長波、短波以及鮮映性等指標，要求鋁材嚴格控制平均粗糙度、峰密度和波紋度等性能指標。

結束語

本文作者對汽車用鋁合金板材的結構設計及應用技術進行了系統性的概述，分別從結構設計、CAE分析、沖壓成型技術、零部件的連接技術及涂裝技術五個方面介紹了輕量化鋁合金板材的應用現狀。目前，車身中的鋁合金汽車板的設計開發與生產應用已得到國家的重視和支持，汽車工業也已瞄準國際先進水平，未來對汽車用鋁合金板材的結構和應用技術工藝將進行更深入的研究開發：

1） 在結構設計及仿真方面，以拓撲優化分析方法作為研究手段，對汽車用鋁合金板材進行正向設計開發。

2） 在材料成形方面，充分研究鋁合金的材料特性，加大對汽車車身板材用鋁合金的研究力度，完善沖壓模擬精度，提升沖壓件表面質量。

3） 在材料連接方面，加大對連接設備及工藝的研發投入，提升鋁板的連接質量、效率，降低連接成本。

4） 在零部件涂裝方面，加強環保型涂裝前處理工藝、免中涂短流程涂裝工藝的研究，實現鋼鋁零部件的混合涂裝和應用

審核編輯 ：李倩