輕量化技術在汽車上的應用及輕量化的未來發展趨勢

導讀：輕量化技術在汽車制造中被廣泛應用，輕量化材料及相關新技術的大量使用是汽車減重的重要途徑。參考大眾、奧迪等車型用材情況，分析了高強度及超高強度鋼、鋁合金、鎂合金等輕質合金、碳纖維復合材料等輕量化材料的種類、性能特點、制造工藝以及在汽車上的應用現狀，從成本、效率及工藝等多個方面進行對比，并闡述了汽車輕量化未來發展趨勢。旨在通過對輕量化材料及工藝的研究，為汽車選材提供參考依據。

關鍵詞：輕量化高強鋼鋁合金鎂合金碳纖維復合材料

一、前言

隨著我國經濟快速增長，汽車制造領域雖取得巨大成就,但也付出了巨大的資源和環境代價，節能減排無疑具有更重要的世界意義，各國越來越重視對汽車尾氣排放的監管[1]。各國均陸續出臺了針對機動車節能減排的政策與法規，推動汽車制造商發展新材料、新工藝來提高能源利用效率，并制定中長期減排目標，控制CO2排放量，積極引導汽車生產商、汽車裝備制造企業以及相關科研機構圍繞節能減排技術開展研究工作。無論傳統燃油車還是新能源汽車，輕量化無疑是實現節能減排、提高續航里程的主要途徑。為了搶占市場，主要汽車企業紛紛在整車開發輕量化技術方面投入資金進行研發。目前，車身輕量化技術主要方法有結構輕量化、材料輕量化和工藝輕量化[2]。主要對材料及工藝輕量化進行探討和研究，大量數據表明，乘用車白車身重量占汽車總質量的20%～25%，降低車身重量成為汽車輕量化研究的核心關鍵課題[3]。

二、白車身材料輕量化研究與應用

白車身輕量化材料主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等。目前，先進高強鋼以其高性價比、較高的技術成熟度和完善的工業體系廣泛應用于車身結構中。輕質合金因其密度小、比強度高等優勢，在車身上的用量逐年增加，綜合考慮材料的性能、成本以及循環利用潛力，鋁合金無疑是目前最具發展優勢的輕質合金材料。碳纖維增強復合材料減重效果明顯，但目前存在成本高，成型周期長等缺點。主要闡述上述材料及其制造工藝（成型工藝與連接技術）在汽車車身中的研究與應用。

2.1 高強鋼

鋼鐵在車身用材所占比例約為70%，因此，提高鋼材強度，降低鋼材厚度是汽車輕量化的合理捷徑[4]。高強鋼成本較輕金屬低、成型工藝和技術經驗相對豐富。高強鋼的使用不僅降低車重，還提升汽車的抗凹陷、耐久強度、大變形沖擊強度及被動安全性能。考慮到整車研發效率和成本因素，決定了當前階段車身開發的主要方向是提升高強鋼用量。目前，高強鋼廣泛應用于門防撞梁、保險杠、A/B/C柱加強板，門檻、地板中通道及車頂加強梁等各種結構件，形成籠式、3H式車身框架結構[5]。

2.1.1 高強鋼的分類

高強鋼分類方式較多。按屈服強度分類，將屈服強度在210～550 MPa的鋼定義為高強鋼（High Strength Steel，HSS），屈服強度＞550 MPa的鋼定義為超高強鋼（Ultra High Strength Steel，UHSS）；按抗拉強度分類，將抗拉強度在340～780 MPa的鋼定義為高強度鋼，抗拉強度＞780 MPa的鋼定義為超高強度鋼。按強化機理分類，分為普通高強鋼和先進高強鋼。普通高強鋼包括高強度無間隙原子鋼(HSSIF)、各向同性鋼(IS)、烘烤硬化鋼(BH)、低合金高強度鋼(HSLA)、碳錳鋼(CMn)等。先進高強鋼主要有雙相鋼(DP)、復相鋼(CP)、相變誘發塑性鋼(TRIP)、馬氏體鋼(MS)、孿晶誘發塑性鋼(TWIP)、淬火延性鋼(Q&P)、熱沖壓硼鋼(B Steel)、高硫合鋼（HS）等。按發展歷程分類，分為第1代、第2代和第3代先進高強鋼，如圖1所示。

圖1 汽車用高強鋼分類示意

2.1.2 冷沖壓高強鋼的研發

在成型板材方面，冷沖壓用高強鋼產品種類相對豐富，應用成熟度較高，應用范圍和強度級別也在逐步提升，如蒂森克虜伯公司已將適用于汽車結構件的DP鋼應用至汽車外覆蓋件，寶鋼則于2020年末推出了適合于冷沖壓工藝的抗拉強度為1 310 MPa的DP鋼。

在成型技術方面，高強度鋼因材料強度高、塑性低，比普通鋼板更易產生破裂、回彈、尺寸和形狀精度不良以及模具磨損等問題，模具開發難度極大。國內外開展了大量的研究工作并取得了一定成果，其中由一汽模具制造有限公司、北京機電研究所、上海交通大學、華中科技大學共同承擔的國家重大專項課題“轎車高強度鋼內覆蓋件模具和超高強度鋼梁類模具制造技術”，該課題旨在滿足一汽大眾、一汽奔騰等汽車品牌輕量化發展需求，從高強度和超高強度鋼板基礎材料性能、制件回彈扭曲和側壁翹曲、成型模具設計制造技術、沖壓質量一致性控制以及冷沖模具材料5個方面開展研究，并實現了DP鋼、QP980鋼、TWIP鋼B柱加強板、鉸鏈支架、門檻加強板等零件和工裝的開發，如圖2所示[6]。

圖2 先進高強鋼應用案例

2.1.3熱沖壓高強鋼的研發

在熱成型板材方面，目前用量最大的仍是1 500 MPa等級的鋁硅鍍層板，該涂層技術的專利仍由Arcelor（阿塞洛）公司所有，其涂覆的鋼帶材、制備方法、使用方法、由其制備的沖壓坯料、沖壓產品和含有這樣的沖壓產品的制品均屬于該公司專利保護范圍。在輕量化需求的驅動下，各大鋼鐵公司也相繼啟動了1 800 MPa、2 000 MPa等更高強度等級熱成型鋼的研發，典型代表為Nb微合金化鋼，同時提升強度和抗氫脆能力[7]。近年來薄鍍層熱成型鋼在提升板材韌性方面展現出了巨大優勢，通過降低鍍層厚度減少基材與鍍層間脆硬的金屬間化合物，顯著改善了Al-Si鍍層板的韌性，從而降低延遲開裂的風險[8]。

2.1.4 高強鋼板材在車身中的應用

為推進高強度鋼在汽車上的應用，各鋼鐵及汽車公司開展了多個研究項目，其中包括國際鋼鐵協會的超輕鋼制車身（ULSAB）、先進概念車超輕鋼制車身計劃（ULSAB-AVC）、未來鋼制汽車（FSV）、安賽樂米塔爾S-in motion、蒂森克虜伯In?CAR、浦項PBC-EV、寶鋼超輕白車身BCB、歐洲車身會議ECB等項目[9]。一汽大眾在高強鋼應用方面開展了較多實踐，其中邁騰采用了高強度車身結構設計，并在國內B級車中首次采用熱沖壓鋼，主要應用在前地板、車門加強梁以及A/B柱等重要部位，占整個車身質量的16%，高強和超高強鋼板應用總量達74%，而探岳則達到87%，近日發布的國內首款ID系列純電動平臺車型ID.4 CROZZ在A柱、B柱、門檻、中通道、保險杠骨架等關鍵部位均采用高強度熱成型鋼板，使整車安全性、動力性及油耗表現更佳。

2.2 鋁合金

鋁合金材料憑借其高比強度、高比強塑積及優秀的防腐性能等優勢，在汽車上的用量逐年增加。圖3展示了鋁合金在汽車輕量化方面的巨大潛力[10]。圖3所示綜合考慮材料的性能、成本以及循環利用潛力，鋁合金無疑是目前最具發展優勢的輕質合金材料。

2.2.1 鋁合金板材在車身上的應用

目前車身用鋁板材主要包括5系及6系鋁合金。5系鋁合金具有優良的深沖性能，因其在成型過程中易在表面產生呂德斯帶，涂裝后無法徹底掩蓋這種表面缺陷，主要用于車身內板結構件。6系鋁合金成型性能雖不如5系鋁合金好，但其成型后外觀質量良好且可通過涂裝階段的烘烤硬化提升強度，被廣泛用于車身內、外覆蓋件。工業鋁合金家族中強度最高的為7系鋁合金，主要應用于航空航天領域，目前在車身結構中已開始應用，如ES6車型中部分結構件采用了AA7075鋁板材，ES8車型中采用了AA7075鋁型材。車身用鋁的典型案例為奧迪A8車型，該款車型曾開創了著名的全鋁車身空間框架結構。近年來車身用材正朝著多材料車身方向發展，即合適的位置用合適的材料，第5代奧迪A8的多材料混合車身如圖4所示，鋁合金材料占比為58%。

圖3 鋁合金減重統計及市場滲透[10]

圖4 第五代奧迪A8車身結構

冷沖壓成型憑借生產效率高、可鋼鋁共線生產的優勢仍然是制造鋁合金車身零部件的主要生產方式。鋁板冷沖壓成型存在一系列技術難點，諸如鋁板成型性低于鋼板、回彈大、可熱處理強化鋁合金普遍存在自然時效特性、修邊料屑難控制等，以上問題給鋁板工裝開發帶來極大挑戰。在鋁板冷沖模具開發領域，國外企業如奧迪模具起步較早，尤其在鋁合金外覆蓋件模具開發方面擁有較為成熟的技術。

近年來，在輕量化需求的推動下，鋁板模具國產化進程明顯加快，如一汽模具制造有限公司從2009年至今，累計為路虎、奔馳、吉利、大眾等主機廠提供了600余套鋁板工裝，包括全部車身結構件及覆蓋件，形成了全鋁車身工裝開發技術能力，并在一汽大眾某鋁質車身工裝開發項目上實現了集成應用，圖5展示了一汽模具制造有限公司的鋁板工裝開發歷程，其也是鋁板模具國產化發展歷程的縮影。

圖5 一汽模具制造有限公司鋁板工裝開發歷程

特種成型技術主要包括充液成型、溫熱成型、超塑性氣脹成型、橡皮囊成型等。其依靠特定的溫度場、應力場及摩擦狀態，使板材的成型裕度顯著提升。綜合考慮生產效率、成本等因素，在小批量、造型復雜的高端定制車型領域，鋁板的特種成形技術展現出了巨大優勢。圖6所示為不同沖壓工藝條件下的鋁合金車門內板零件，采用溫成型工藝顯著提升制件的成型性，相同拉延深度下，以鋁代鋼實現減重約40%。

圖6 5182-O鋁合金車門內板零件

2.2.2 鋁合金型材在車身上的應用

鋁型材除了擁有鋁合金材料共性優勢外，還具有一些特有的優良特性，諸如型材擠壓模具成本低、截面形狀可靈活設計以滿足不同的剛度需求、有較強的密閉性且隔音效果好等。目前適用于采用鋁型材制造的汽車零部件主要包括：前后保險杠、車門防撞梁、吸能盒、儀表板支架、新能源電池包殼體、導軌、行李架、底盤件及車身結構件等。圖7所示為大眾MEB平臺電池包結構，MEB電池下殼體采用了型材與板材，主要連接工藝包括MIG釬焊（焊縫視覺自動檢測）、涂膠、Rivtac高速穿刺鉚接、螺栓連接等。

MEB電池Pack共2處使用了FDS（熱熔自攻螺接工藝）技術。第1處是上蓋與箱體的安裝上，并結合單組份膠實現密封性能。第2處底部的箱體底板與箱體外框的安裝上使用了FDS技術，將下圖中的底護板（Underbody protection）固定在箱體上，同樣需結合密封膠。

圖7 MEB平臺電池包結構

2.2.3 鑄造鋁合金在汽車上的應用

目前在汽車工業中鑄造鋁合金的用量約占總用鋁量的80%左右，而其中的65%為壓鑄件，例如發動機缸體、減震塔、電池包殼體等。發動機零部件用鋁制造的減重效果最為明顯，通?？蓽p輕30%以上[11]。新能源汽車的高速發展極大地推動了車身輕量化水平的提升，壓鑄工藝也隨之開始應用于車身零部件的制造，并向著集成少件方向發展，典型代表為特斯拉Model Y車型車身后部采用一體壓鑄成型工藝，將70個零件最終減少為1個，如圖8所示。

2.3 鎂合金

鎂合金是目前工業應用中最輕的金屬材料，其密度是鋼的2/9，鋁合金的2/3，能有效降低部件重量。同時，相比于鋼，鋁的比強度大、比剛度高，零件安全性能高。此外，阻尼性能好，吸能性能強，具有極強的減震性，有助于改善汽車的NVH性 能，一直是重要的汽車輕量化材料。

圖8 一體壓鑄成形車身

2.3.1 鎂合金在車身中的應用

鎂合金材料根據成型工藝的不同，主要分為鑄造鎂合金和變形鎂合金2類。德國在鎂合金領域一直處于世界領先地位，德國大眾汽車公司在20世紀30年代就開始使用鎂合金，在90年代，奧迪汽車首先推出鎂合金壓力鑄造儀表板。奧迪A4、A6等汽車的變速箱殼體均使用AZ91D鎂合金[12]，新一代奧迪A8發動機艙的三角支撐桿即采用了鎂合金，如圖9所示。目前，汽車中的鎂合金零件近100種，其中92%采用鑄造工藝實現，如變速箱殼體、離合器殼體、儀表板骨架、座椅、減震塔、車輪、車門內板、尾門內板等，8%則多以型材、裝飾性板材、極個別以覆蓋件板材的方式存在，應用于豪華轎車、超級跑車。

圖9 奧迪A8發動機艙的鎂合金支撐桿

2.3.2 鎂合金成型工藝

由于壓鑄件易產生孔洞、夾雜等缺陷，力學性能往往不如變形鎂合金。鎂合金板材溫熱成型工藝在制造高性能鎂合金零部件方面展現了巨大的優勢，板材在高溫下成形解決了室溫成型性差的問題，同時依靠高溫動態再結晶實現晶粒細化，可制造復雜零件，力學性能好于壓鑄件。圖10為德國大眾采用溫熱沖壓成型技術開發的鎂合金發罩總成，相比于鋼件發罩總成，減重比例達到50%[13]。

圖10 大眾Lupo鎂合金發罩總成[13]

2.4 碳纖維增強復合材料

碳纖維復合材料（CFRP）主要由碳纖維絲束和樹脂材料構成，融合了碳元素的化學穩定性，抗腐蝕性和耐久性較好[14]。當前碳纖維復合材料的成本高、制造工藝復雜、制作周期長等缺點制約了其在汽車上的廣泛應用，但其制造工藝技術進步速度快，隨著材料成本的優化，未來必將在汽車上得到越來越多的推廣應用。

2.4.1 碳纖維增強復合材料在車身中的應用

大眾推出的采用碳纖維復合材料車身和零部件（碳纖維增強型塑料防傾桿）的XL1車型。該車只有23%由鋼鐵制成，總質量795 kg。奧迪復材研究中心兼顧動力和經濟性，選取傳動軸通道和（轎廂）后壁零部件使用碳纖維材料，如圖11所示。并針對RTM（樹脂傳遞模塑成型工藝）工藝的研發難題，對注塑壓力、壓縮力及模具間隙進行精準調整，實現模塑工藝優化方案。奧迪A5采用碳纖維預浸料模壓成型生產碳纖維車頂[15]。

圖11 奧迪R8上的后壁零部件

一汽在纖維增強材料、納米材料、泡沫化和天然填料填充、蜂窩增強材料、天然纖維材料、泡沫鋁材料方面進行了研究，并在碳纖維復合材料車身覆蓋件產品的試制及應用方面也進行了多種成型工藝技術研究，先后完成了如車門、后蓋、發罩、翼子板、后背門等復材零件開發，如圖12所示。

圖12 復合材料零件

2.4.2 碳纖維增強復合材料應用中技術瓶頸

碳纖維增強復合材料（CFRP）成型工藝很多，常見成型工藝有烤箱、熱壓罐、真空輔助成型、樹脂模塑成型、預浸料模壓、片狀塑料模壓、纏繞成型等。國內碳纖維復合材料在汽車領域的應用要解決的問題仍很多，原材料及工裝開發方面，碳纖維鋪層、強度、耐久性、透波率等試驗主要依靠高精度模具，洪都公司通過數字化仿真技術，優化了樹脂模塑成型工藝參數，完成高精度模具設計[16]。

碳纖維材料成本很高，例如以碳纖維為框架的座椅成本是鋼材框架約6倍之高，制約了其大量應用于汽車領域在產品設計端，急需掌握復材產品開發所需的材料數據庫及CAE仿真驗證能力的提升。成型技術上，較為普通的碳纖維復合材料零件完整固化需要4 h以上，若進行大量生產耗費的時間則會成倍增長，增加了碳纖維復合材料的應用難度。因此，應深入研究適合汽車零件形狀復雜、生產節拍快、產線自動化程度高的制造技術，做好技術積累，持續進行工藝優化，降低產品開發成本。

2.5 連接技術

多種材料在汽車中的復合應用，帶來了很多全新的挑戰。將這些不同特性的材料堅固可靠地連接在一起的連接技術是關鍵。以往常用的點焊工藝顯然已無法滿足鋁鎂合金、金屬材料和非金屬材料之間以及非金屬材料之間的連接要求，汽車車身結構設計同時應用了很多生物界的輕量化結構。為了同時滿足多材料應用及創新結構設計的需求，汽車行業需要更多新的連接工藝。

2.5.1 連接技術在車身中的應用

圖13 新一代奧迪A8車身的連接方式

國內在車身連接領域技術實力持續提升，如一汽模具制造有限公司先后承制一汽大眾、奧迪品牌車型的全鋁后蓋、車門、后背門連接線，一汽紅旗新能源汽車電池殼線、一汽紅旗某車型激光螺旋點焊、奧迪電池包線等多個項目，集成應用了多達12種連接工藝設備，包括激光填絲鋁釬焊、激光鋁熔焊、鋁點焊、CMT（冷金屬過渡焊接技術）、摩擦塞鉚焊、SPR（自沖鉚接），如圖14所示，FDS、Clinch、激光螺旋焊、攪拌摩擦焊、膠接、鋁壓合，圖15所示沖鉚連接技術。

2.5.2 連接技術難點解析

目前汽車連接方式主要有焊接、鉚接、螺接和膠接等，由于高強鋼、鋁合金、碳纖維材料等輕量化材料的使用，傳統的焊接不滿足多材料連接技術要求，為連接技術帶來新的挑戰。因此，機械連接技術和膠黏劑連接技術應運而生成為解決異種材料連接難題的新技術。異種材料的連接現今面臨以下3個問題：變形和應力、界面硬脆相、電化學腐蝕[17]。機械連接工藝中無鉚釘鉚接和自沖鉚接車身制造過程中應用廣泛。無鉚釘鉚接由于自身疲勞強度和靜態強度較低的特點，只能應用到車身非承載部位上(發動機罩，行李箱蓋)[18]。塑料在汽車上的用量不斷增加，塑料與鋼材、塑料與鋁材的連接主要以粘接為主。塑料與金屬之間線膨脹系數不同，粘接時極易產生應力和應變，尤其在溫差較大的區域，對塑料與膠黏劑均提出了非常高的要求[19]。

圖14 鋁鉚接技術(SPR）

圖15 Eckold沖鉚連接技術

表1 展示高強鋼、鋁合金、鎂合金以及碳纖維復材4種車身常用輕量化材料在成本、成型工藝、連接工藝及效率方面的對比。高強鋼材料成本優勢明顯，制造工藝成熟，目前在車用材料重量比例中占比最高。隨著熱沖壓、壓鑄等新工藝技術的應用，鋁合金板材應用體現出高生產效率，成為新能源汽車材料的優選。鎂合金的密度1.8 g/cm3，大致為鋁合金密度的2/3，是實際工程應用中最輕的金屬結構材料，強度高，應用于車門內板、儀表板、前端水箱框架等，考慮到鎂合金易于氧化的特性及較低的電極電位，采用焊接方式進行連接難以實現，冷連接成為鎂合金部件主要的連接方式。對于高端跑車，碳纖維材料強度高，廣泛應用于復雜車身造型設計。綜上所述，高強鋼在兼顧車身強度等多方面要素上，為首選的車身輕量化材料。

表1 車身常用輕量化材料對比

三、結束語

汽車輕量化材料多種多樣，每種材料都有各自優勢和不足，多種材料混合使用，將合適的材料用在恰當的位置，是未來白車身輕量化發展的主流方向。

在成型工藝方面，大批量生產的白車身零件其成型仍以冷沖壓為主，熱沖壓為輔，而對于如充液、溫熱成形、超塑性氣脹等特種成型可應用于小批量、高端定制化及試制車型開發。同時，隨著高強鋼強度級別的不斷提升，輕質合金應用范圍的擴大，成型工藝需重點解決制件尺寸精度、模具壽命及沖壓生產穩定性問題。

在連接技術方面，針對機械連接，應重點解決連接設備國產化及質量穩定性問題，對于熱熔、涂膠連接，應重點研究連接強度及零件變形，以滿足異種材料連接需求。

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來源：期刊-《汽車工藝與材料》