1.4.2 车身轻量化技术

车身轻量化技术是目前最核心、最关键的车身设计技术之一，包括结构轻量化、材料轻量化和工艺轻量化三大类技术。其目的是通过轻量化设计使合适的材料、最优的结构形状和尺寸用在汽车结构的合适位置，使每部分材料都能发挥出其最大的承载作用、增加刚度和吸能作用，可提高材料利用率、降低整车质量、减少材料成本，实现节能、减排、降耗。

在结构轻量化方面，常用的技术有结构拓扑优化、形貌优化、尺寸优化，以及单目标和多目标优化设计等。结构轻量化贯穿整个车身结构设计过程，在车身结构设计的不同阶段应用的结构轻量化技术有一定差异，如：在车身结构概念设计阶段，主要应用结构拓扑优化技术获得车身结构框架或者车身某个部位最优的结构形式；在车身结构详细设计阶段，则主要应用形貌优化和尺寸优化两项技术进行具体车身零部件的结构优化；单目标和多目标优化设计技术则在整个车身设计过程中均有应用。

在车身材料轻量化方面，主要是通过在车身上应用高强度钢、铝合金、镁合金、纤维增强复合材料等轻质材料实现车身的轻量化。目前，在车身上应用低合金高强钢、无间隙原子钢、双相钢等高强度钢材料已成为各汽车企业实现车身轻量化普遍做法。随着铝合金材料技术发展，在车身上应用铝合金材料实现轻量化已成为当下热点技术之一。

在车身工艺轻量化方面，主要有超高强度钢热冲压成形（简称热成形）、液压成形、激光拼焊板（Tailor Welded Blank，TWB）、变厚板（Tailor Rolled Blank，TRB），以及铝、镁合金的高真空压铸成形等，其中TWB、TRB、热成形三项技术是当下主流的工艺轻量化技术。

本章将选取TWB、TRB、热成形、铝合金等行业内主流或热点的工艺和材料轻量化技术进行详细介绍，结构轻量化技术将在本书第4章进行介绍。

1. TWB技术介绍

TWB就是基于车身设计的强度和刚度要求，采用激光对焊技术把不同厚度、不同表面镀层甚至是不同材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压，获得不等厚度的冲压零部件。

（1）TWB的加工工艺流程 首先，根据不同汽车结构件的要求，确定零件的分片以及各片板材的厚度、形状、具体材料等；其次，将各片板材焊接为一体；最后，经冲压成形为符合要求的零件，如图1-26所示。

（2）TWB的优缺点

1）TWB具备以下优点：

① 由于激光拼焊板可以实现多种厚度板材的一体成形，可减少车身零部件数量，降低车身拼焊复杂度，提升车身精度等。

② 可根据车身不同部位刚度和强度的要求，设计具有不同厚度/强度组合的TWB板，然后经冲压成形，由于采用不同的厚度/强度组合，有效达成最优化的材料分布，即实现了轻量化（一般而言，相对等厚板可以实现20%的轻量化效果），又能满足车身不同部位的性能要求。

2）TWB存在以下缺点：

① 应用成本较高：由于采用激光焊接工艺，不同厚度（或材料）板材需要经过精确落料预处理，达到激光焊接的精度要求后，方能进行激光拼焊。激光拼焊板的工艺带有一定的复杂性，同时激光焊接的成本较普通焊接高很多，因此，激光拼焊板的成本较高，限制了激光拼焊板技术在车身上的全面应用。

② 焊缝机械性能差异：由于激光拼焊板存在厚度突变和焊缝的影响，且焊接添加金属材料与被焊接基材在材料特性上必然有一定差异，致使拼接焊缝及其附近区域有较明显的加工硬化现象，并且在沿长度方向上的硬度也会发生跳跃式的变化，这将为后续的成型加工造成极为不利的影响。

（3）TWB的应用情况 早在1985年，德国蒂森克虏伯钢铁公司建立了第一套激光拼焊板定制系统，用于生产奥迪汽车地板。我国于2002年10月25日建立国内第一条激光拼焊板生产线。经过近二十年的发展，TWB技术在国内已经非常成熟。

目前，国内各大汽车企业均在使用激光拼焊板，主要在车身内板件和结构件上应用，典型的零部件有车门内板、发动机舱纵梁、地板纵梁等，其主要目的是实现汽车轻量化；也有汽车企业在某些MPV以及轻型客车等车型的外板上应用激光拼焊板，如侧围外护板、顶盖外板等，这类件的主要特征是超宽、超长，以至于超过了现有的汽车板最大宽度，为确保造型效果，需要采用激光拼焊板。

2. TRB技术介绍

从20世纪90年代初开始，TRB最早在德国亚琛工业大学金属成形研究所被开发出来。其核心是“柔性轧制技术”，即在钢板轧制过程中通过计算机实时控制轧辊间隙，获取沿轧制方向预先定制的变截面厚度板材。变厚板由于其厚度组合可控制的特点，可以根据汽车结构的承载受力方式以及车身装配条件，灵活选择板料厚度组合，极大地提高了汽车零件的设计空间，通过零件合并等实现了汽车轻量化。

（1）TRB的加工工艺流程 柔性轧制技术，实质上类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺。但其最大不同之处是：在轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整变化，从而使轧制出的薄板在沿着初始轧制方向上具有预先定制的变截面形状。其核心就是通过位置跟踪、厚度测量与控制以及张力、速度、位置周期性控制技术实现周期性变厚度柔性轧制，如图1-27所示。

（2）TRB的优缺点

1）TRB具有TWB的优点外，还具备以下优点：

① TRB零部件的厚度变化是连续的，不像TWB存在厚度突变和焊缝的热影响区问题，这样就消除了厚度突变处的应力峰值和因焊缝引起的热影响区域，因此具有良好的成形性能，且TRB零部件的力学性能更优。

② TRB不存在焊缝难以掩盖的缺陷，表面质量好，可以作为汽车车身外覆盖件使用。

③TRB的制造成本不受厚度过渡区数量的影响，而TWB的制造成本则随着激光焊缝数量的增加而增加。

2）TRB的缺点有：

① TRB的厚度变化只能发生在板料的初始轧制方向并且厚度变化也只能在一定范围。

② 现今还没有办法将不同材料的板子轧制在一块板中，在灵活性上远远不如TWB。

（3）TRB的典型应用TRB可为车身不同部位的不同刚度和强度提供多种柔性的解决方案，在保证车辆安全性的同时实现轻量化，已逐渐成为一项重要的汽车轻量化技术，受到国内外各大汽车制造厂商的关注。

国外关于TRB的应用技术已经从实验室的研究阶段发展到了工业生产。德国Mubea公司是目前行业内最大的TRB供应商。国外许多高档车型也开始采用TRB，特别是德系车型，如宝马、奥迪、奔驰、大众和欧宝等。在国内，宝钢已经建立了一条冷轧变厚板生产线，已具备批量供货能力，在应用方面还处于对TRB的应用研究阶段。

如图1-28所示，德国Mubea公司认为，TRB可以广泛应用到车身、底盘等承载部件，如副车架、B柱、侧围上框、门槛加强件、下车体纵梁等关键部件。

3.热成形技术及应用特点

热成形技术，是一种将硼钢钢板加热至奥氏体化状态，快速转移到冲压模具中冲压成形、保压，并在模具中进行冷却淬火处理，以便获得具有均匀马氏体组织的超高强度钢零部件的成形方式。通过热冲压成形获得的零部件的屈服强度一般在950MPa以上，抗拉强度一般在1500MPa以上，伸长率在5%以上。与此同时，行业内也在积极研发更高强度的热成形技术，如抗拉强度达到1.8GPa、2.0GPa级别的热成形技术。

（1）热成形的工艺流程 如图1-30所示，典型热成形工艺过程如下：

1）下料/预成形。结构简单的热成形件：落料以及冲部分孔，获得热成形用的坯料；结构复杂的热成形件：落料后进行预成形，获得热成形用的预成形件。

2）加热。在加热炉中将坯料/预成形件加热到亚共析钢临界温度（AC3）左右，对钢材进行充分的奥氏体化。具体的奥氏体化保温温度根据材料的性能、板料的形状、相变机理和最终零件形状予以确定，加热温度一般在900～950℃之间。

3）板料定位。在将板料置于模具中之前，需要进行合理的定位。

4）装载。用特殊的不导热夹具将板料装载到模具当中。

5）成形。压机合模，将板料加工成零件。

6）淬火。模具合模之后，与成形同步开始淬火处理，以对于27℃/s的速度将零件均匀冷却到150～200℃。准确的冷却速度和最终的淬火温度可通过热力学有限元仿真计算得到。

7）取料。将加工好且已冷却的零件从压力机上取下来。

8）切边与冲孔。将零件进行激光切割或者冲孔处理。

9）喷丸。若采用裸板，则需进行喷丸处理去除零件表面氧化皮。

（2）热成形技术的优缺点

1）热成形技术的优点：

① 随着钢板强度的增加，其伸长率急剧下降，越难采用冷冲压成形，而热成形技术是将板材加热到奥氏体化，此时的板材成形性更好，可生产形状复杂的零件。

② 热成形后，零件强度高可达到1500MPa以上，尤其适合作为车身上的碰撞安全件。

③ 材料经热成形后可有效提高零件表面硬度和耐磨性。

④ 板材经热冲压成形并淬火后，尺寸稳定性好，回弹小。

⑤ 热成形零部件（热成形件）是目前车身上应用零部件中强度最高的零部件，相对普通钢板可实现40%以上的轻量化。

2）热成形技术的缺点：

① 热成形技术相对冷冲压成形，其生产工艺复杂，生产节拍慢，工艺影响因素也相对复杂。

② 板材经热成形后，其强度和硬度急剧提升，需要应用激光进行后续的切割、切边及冲孔。

③ 对无镀层板会产生氧化铁皮，需要经过喷丸工艺去除。

④ 由于热成形技术的工艺复杂性，导致其成本远高于冷成形零部件。

⑤ 热成形零部件的伸长率仅为5%左右，其冲击韧性较低；且其组织为全马氏体组织，因此也具有以马氏体组织为主的零部件的问题，即：冷弯性能低和延迟断裂问题。

（3）热成形件在车身上的典型应用 由于采用热成形技术可以获得超高强度的形状复杂的车身零部件，热成形技术被广泛应用于汽车车身的碰撞安全件，如前/后防撞梁、A/B/C柱、侧围上框、中央通道、门槛、前围下加强板，以及车门内板、车门防撞梁等关键安全构件。图1-31为大众帕萨特车型的热成形件应用图示。

热成形技术在国外汽车上应用已较为成熟，尤其是欧美系汽车的热成形零部件应用相对较多，如大众、福特、通用、宝马、奔驰、沃尔沃等知名汽车厂商的代表车型上均较大比例应用热成形零件；日韩系汽车的热冲压零部件应用相对较少。随着汽车安全法规的日趋加严，热成形零件在车身上的应用呈上升趋势。沃尔沃汽车就是一个典型的代表，图1-32为沃尔沃XC60一代车型与二代车型热成形零部件应用对比图，由图可以看出XC60二代车型在发舱后纵梁、A/B/C柱、侧围上框、中央通道、门槛、后地板纵梁等部位应用热成形零部件，而XC60一代车型仅在B柱、门槛以及侧围上框部位应用热成形零部件。从图1-33也可以看出，沃尔沃车型上热成形零部件的用量在逐年上升，2015年发布的沃尔沃XC90车型的热成形零部件占白车身重量比例达到38%。

国内最早从2000年左右开始研究热成形技术，在2010年左右国内自主品牌汽车企业开始热成形零部件的应用研究，目前也实现了热成形零部件的成熟应用，普遍应用于车身A柱、B柱、门槛、A柱加强板等关键的碰撞安全部位。

通过对欧洲车身会议（Euro Car Body，ECB）、中国车身轻量化会议（China Lightweight Car Body Conference，CLCB）、AUTOSTEEL等在2013年至2018年间发布的钢制车身车型的数据进行统计分析，统计分析结果如图1-34所示，可以得出以下结论：

1）2013年至2018年发布的58款车型中，共有30个部位出现过热成形件的使用。

2）热成形件的主要使用部位有11个件：B柱加强板（55次）、A柱上加强板（39次）、中央通道（24次）、前围下横梁（17次）、发舱后纵梁上加强梁（16次）、门槛内板（15次）、中地板加强横梁（14次）、门槛外加强板（13次）、发舱后纵梁前段（13次）、后地板纵梁（13次）、前围下加强板（11次），其中：B柱加强板、A柱上加强板以及中央通道3个部位在半数以上的车型中应用。

其中，分别对国外、国内车型的热成形件应用进行分别统计，如图1-35、图1-36所示。从图1-35和图1-36可以看出，国外车型与国内车型的热成形主要应用部位存在一定的差异，具体为：

1）国外车型热成形件应用部位较多，达到30个部位，其主要应用部位为B柱加强板、A柱上加强板以及中央通道。

2）国内车型热成形件应用部位较少，仅13个部位，其主要应用部位为B柱加强板、A柱上加强板、中央通道以及前围下横梁。

（4）新型热成形技术的发展 近年来，随着热成形技术大发展，出现了诸如TWB热成形、TRB热成形、补丁板（Patchwork Blank，PB）热成形、软区（Soft Zone）热成形等新型热成形工艺技术。下面将对以上新型热成形技术进行介绍：

1）TWB热成形。即以TWB板材为原材料进行热冲压成形，获得厚度可变的热成形零部件。目前，TWB热成形技术较为成熟，其主要应用于B柱加强板、前围下加强板、发动机舱纵梁、后地板纵梁等零部件，目的是在获得更高安全性的同时，实现轻量化。如图1-37所示，2017款奥迪A8车型的前围下加强板采用TWB热成形技术，相对上一代车型的前围下加强板实现20%减重。

近年来，随着25%小偏置碰撞法规的逐渐推广实行应用，热成形“门环”技术逐渐受到汽车企业的青睐。本田汽车是热成形“门环”最忠实的用户，其在2015款阿库拉TLX车型中首次应用热成形“门环”（图1-38），即：将A柱下加强板、A柱上加强板、B柱加强板、以及门槛外加强板四个件通过激光拼焊技术焊接成1个件，再进行热成形。本田阿库拉TLX车型通过应用热成形“门环”技术，使其车身结构更加牢固，能够抵抗更大的冲击变形，具体获得以下效果：

① 铰接点结构连续，使得碰撞载荷传递更为有效。

② 前、后车门铰链安装点集成到热成形“门环”上，从而保证了车门安装精度，提升车门品质。

③相对原TL四个冲压件焊接的方案，通过采用热成形“门环”技术，使得强度大大提升和焊接搭接边的消除，实现降重4.9kg。

本田阿库拉TLX最终在25%的小偏置碰撞中获得“GOOD”评价，其碰撞试验结果如图1-39所示。

鉴于热成形“门环”技术对25%小偏置碰撞性能的提升，本田汽车在后续发布的阿库拉相关车型中持续使用热成形“门环”技术，并在2018年发布的本田阿库拉RDX车型上使用内、外双热成形“门环”技术，如图1-40所示。此外，本田汽车在2017款奥德赛车型，克莱斯勒汽车在2017款Pacifica车型上也应用了热成形“门环”技术，主要为外门环。

2）变厚板热成形。TRB热成形即选用变厚板进行热成形，其工艺过程与传统的等厚板热成形一致。变厚板因具有定制化的厚度分布而带来了性能差异化分布；热成形则具有高强高硬度的特点，因此，变厚板热成形零部件兼具高强度高硬度和性能定制化的优点，可实现较高的轻量化效果。其缺点是由于变厚板采用定制化的轧制生产工艺，其成本较等厚板以及激光拼焊板高昂；同时因为采用热成形工艺，其伸长率、冲击韧性等较低。目前，变厚板热成形技术主要在奥迪、宝马、大众、奔驰、福特等国外汽车企业应用，取得了很好的轻量化效果，如图1-41所示。福特汽车在2011款福克斯车型的B柱上应用变厚板热成形技术，实现由1个变厚板热成形零件成功替换2个等厚板热成形零件，并实现了10%的轻量化。如图1-42所示，在2018款福克斯车型上的侧围上框应用变厚管热成形技术。

如图1-43所示，大众汽车旗下的斯柯达科迪亚克车型的中地板采用变厚板热成形技术，相比原方案实现了1.1kg的轻量化效果。

目前，行业内TRB热成形主要应用在B柱加强板、前围下加强板、中地板下横梁、A柱上加强板等，具体如图1-44所示。

3）PB热成形。指采用PB板为坯料进行热成形获得局部厚度可变的热成形零部件。PB板是一种通过在主体基板上额外焊接一块“补丁”（板）而获得的变厚度板材，而“补丁”的尺寸、厚度以及位置则是根据热成形件的承载需求而定，起到局部加强的作用。常用的连接方法有点焊、激光焊接等。

PB热成形的优点：①补丁板热成形可以减少模具、检具和夹具的数量；②能提高零件间的连接精度，从而加快生产节拍，降低生产成本。PB热成形的缺点：①由于需要提前焊接，可能出现脱焊、虚焊、焊点拉脱等；②补丁板其实是一种料厚突变的工艺，对于冲压工艺的要求极高，非常容易产生废品。

PB热成形主要用于汽车B柱加强板、发舱后纵梁后段等，还可用于其他需要局部加强的零件上，如A柱加强板等。图1-45为某车型B柱加强板PB热成形示例。

4）软区热成形技术。目前，热成形零部件的抗拉强度一般能达到1500MPa甚至更高，延伸率（A80）一般能达到4.5%以上。对于某些部位的热成形零部件而言，其不同部位的强度和韧性要求不一。以B柱加强板为例，其下部需要较大的变形来吸收侧面碰撞的能量，而上部则需要较小的变形来确保乘员的安全，即热成形B柱加强板的上部需要高强度来传递侧面碰撞载荷，下部则需要较大可变形能力（高伸长率）来吸收侧面碰撞能量。因此，需要对热成形B柱加强板的下部进行软化处理，提升其可变形能力，这个软化处理的下部区域在行业内通常称为“软区”。图1-46为2015款奥迪Q7的软区热成形B柱加强板案例。

软区热成形即是对热成形零件硬度（强度）大小进行按需配置的技术，其可通过炉内、模内和激光处理的方式来实现热成形零部件的软硬区配置。

软区热成形技术的优点是可以实现对零件强度、硬度及性能的按需配置。其缺点是软硬区都存在一个过渡区域（一般为30mm），过渡区域的机械性能介于软区和硬区之间，应用需要经过详细的仿真分析确认；另外，不论采用何种方式获得的软区，都会带来热成形零部件成本的增加。

目前，软区热成形技术逐渐被大多数汽车企业所认可，广泛地应用于车身主要碰撞载荷传递部件，主要目的是通过有效控制碰撞过程中碰撞载荷传递部件的变形模式，在达成更高的碰撞安全水平的前提下实现轻量化。现阶段软区热成形技术往往与TWB热成形技术或者TRB热成形技术相结合应用，常用的部件有：B柱加强板、后地板纵梁等件。如图1-47、图1-48所示，本田汽车在2016款本田思域和2017款本田雅阁车型的左、右后地板纵梁上均应用软区热成形技术，在实现轻量化的同时获得更高的尾碰性能。

现阶段，等厚板热成形、TWB热成形、TRB热成形、PB热成形以及软区热成形等技术在汽车车身上均有应用。目前，由于新型热成形技术的轻量化效果以及更适合达成车身性能要求，新型热成形技术应用处于上升趋势。图1-49所示为各种热成形技术的轻量化效果对比。

4.铝合金技术及应用特点

应用轻质合金替换原钢制车身的部分或全部零部件实现轻量化，是现阶段车身轻量化研究的热点。在汽车车身上应用的常用轻质合金有：铝合金和镁合金两大类，其中，由于铝合金材料机械性能较好且容易制造，其在车身上应用更为广泛；镁合金材料受限于机械性能不高且耐腐蚀较差等问题，其在汽车车身上应用较少，在此不做介绍。

（1）铝合金的特点 铝的密度为2.7g/cm ³ ，约为钢（7.8g/cm ³ ）的1/3，是汽车车身上替代钢的关键轻量化材料之一。由于铝或者铝合金的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜（钝化），所以耐蚀性好。铝或铝合金材料具有较好的铸造性，铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形状的零件。在铝中加入一种或几种合金元素后即可构成铝合金，铝合金相对于纯铝，其机械强度、硬度、伸长率等大幅提升；除固溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，部分牌号的铝合金的抗拉强度可达到600MPa以上。单位重量的铝在碰撞中的吸能量是钢的两倍，可明显提高汽车的被动安全性。此外，铝合金的导热率和导电率是钢的3倍。

如图1-50所示，根据路洪洲等在《基于轻量化的车身用钢及铝合金的竞争分析》一文中的研究结论可知，在保证结构相同的前提下，按照等弯曲刚度计算，铝板的厚度须达到钢板的1.4倍以上，此时铝制件相对钢制件减重50%；按照等扭转刚度计算，铝板的厚度须达到钢板的1.44倍以上，此时的铝制件相对钢制件减重45%；按照等结构强度计算，铝板的厚度须达到钢板的1.2倍以上，此时的铝制件相对钢制件减重60%，因此，在汽车车身上应用铝合金替代钢材，理论上可实现最低40% 的轻量化效果，但在实际应用过程中，考虑到实际刚度、强度的补偿等因素，铝合金替代钢铁一般可以达到30%以上的轻量化效果。

（2）车身用铝合金分类 根据零部件的成形方式不同，车身用铝合金可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，而形变铝合金又可以分为挤压铝合金和冲压铝合金两大类。从热处理角度来讲，车身用铝合金也可分热处理铝合金和非热处理铝合金两大类。行业内对车身用铝合金的分类普遍按成形方式进行区分，即：挤压铝合金、冲压铝合金和铸造铝合金。

1）挤压铝合金。铝合金挤压成型是对放在模具型腔（或挤压筒）内的金属坯料施加强大的压力，迫使金属坯料产生定向塑性变形，从挤压模具的模孔中挤出，从而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。挤压成型原理如图1-51所示。

挤压铝合金型材为等截面形式，且截面形式多变，可根据实际需求设计；由于挤压铝合金的合金含量很低，且采用挤压成形工艺，质量缺陷少，可以通过热处理进行强化处理，焊接性能良好，材料性能一致性高，抗疲劳性好，韧性高。

① 挤压铝合金的制造工艺。挤压铝合金工艺过程一般可分为两步：第一步为铝棒的熔铸，第二步为型材的挤压，如图1-52所示。

铝合金挤压成型工艺具备以下优点：

a. 在挤压过程中，被挤压金属在变形区能获得比轧制锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，这就可以充分发挥被加工金属本身的塑性。

b. 挤压成型不但可以生产截面形状简单的棒、管、线产品，还可以生产截面形状复杂的型材和管材。

c. 挤压成型灵活性大，只需要更换模具等挤压工具，即可在一台设备上生产形状规格和品种不同的制品，更换挤压模具的操作简便快捷、省时、高效。

d. 挤压制品的精度高，制品表面质量好，还提高了金属材料的利用率和成品率。

e. 挤压过程对金属的力学性能起着良好的影响。

f. 工艺流程短，生产方便，一次挤压即可获得比热模锻或轧制成型等方法面积更大的整体结构件，设备投资少、模具费用低、经济效益高。

g. 铝合金具有良好的挤压特性，特别适合于挤压加工，可以通过多种挤压工艺和多种模具结构进行加工。

铝合金挤压成型工艺的缺点：

a. 制品组织性能不均匀。由于挤压时金属的流动不均匀（在无润滑正向挤压时尤为严重），致使挤压制品存在表层与中心、头部与尾部的组织性能不均匀现象。

b. 挤压工模具的工作条件恶劣，工模具耗损大。挤压时坯料处于近似密闭状态，三向压力高，因而工模具需要承受很高的压力作用。同时，热挤压时工模具通常还要受到高温、高摩擦作用，从而大大影响工模具的强度和使用寿命。

c. 生产效率较低。除近年来发展的连续挤压法外，常规的各种挤压方法均不能实现连续生产。一般情况下，挤压速度远远低于轧制速度。

② 常用的挤压铝合金牌号。常用的挤压铝合金分为低强度、中强度以及高强度三大类，其中：常用的低强度挤压铝合金有6063、6060；常用的中强度挤压铝合金有6061、6082、6005、6005A；高强度挤压铝合金有6262、6020以及7005等。图1-53给出了常用的挤压铝合金的主要合金元素和机械性能对应关系。

③ 挤压铝合金的典型应用。通常，挤压铝合金在车身主要用作载荷传递路径上的梁类件和用作碰撞过程中的吸能部件，如车体纵梁、横梁、门槛、防撞梁等。现阶段，挤压铝合金最典型的应用是铝合金防撞梁，图1-54为某车型铝合金防撞梁示例。

2）冲压铝合金。车身用冲压铝合金也称为铝合金车身板，与车身用钢板一致，都是采用轧制工艺获得厚度范围为0.8～3.0mm的薄板，薄板再经过冲压成形获得车身零部件。目前，铝合金车身板在汽车车身上通常用作覆盖件、内板件等薄板件，也可以用在车身上的骨架件。

① 铝合金车身板的制造工艺流程。图1-55是典型的铝合金车身板的制造工艺流程图，相对于钢板的制造，铝合金车身板多了预时效环节。

② 常用的铝合金车身板及应用。铝合金车身板一般有2000系铝合金、5000系铝合金、6000系铝合金以及7000系铝合金四大类，常用的为5000系铝合金和6000系铝合金，未来随着技术的发展，7000系铝合金也将会大量地应用于汽车车身上。

2000系铝合金是可热处理强化合金，具有良好的成形性和较高的强度，但抗蚀性差，烘烤硬化能力低，可用于车身内板。

5000系铝合金（Al-Mg），是不可热处理强化合金，具有中等强度、耐蚀性好、较好的加工性能及良好的焊接性能等特点。但Al-Mg系合金板材在室温放置后，在拉伸时容易出现吕德斯线（Luders bands）伸长，冲压成形后表面起皱，影响外观质量；延展性和弯曲能力也会由于Fe含量的增加而恶化，烤漆容易出现软化现象。Al-Mg系合金用作汽车车身板的缺点：延迟屈服和吕德斯线。当晶粒尺寸＞100μm时，板材易出现“桔皮效应”。因此，5000系铝合金不适合用在车身外覆盖件，只能用于车身内板。

6000系铝合金（Al-Mg-Si、Al-Mg-Cu），是可热处理强化合金，具有较高的烤漆硬化性能、成形性好、耐蚀性强、强度高和较好的耐高温等特点。6000系铝合金T4态板材的屈服强度和抗拉强度与钢板相近，硬化指数n值超过钢板。因此，6000系铝合金既可以用作车身外覆盖件，也可以用于车身内板。

7000系合金是可热处理强化合金，是目前室温下强度最高的铝合金，经固溶和时效处理后，其强度达到700MPa以上，但在室温下成形困难，在车身上应用极少。

常用的铝合金车身板有6016、6111、6022、5182、5754等，其力学性能对比如下表1-2所示。

3）铸造铝合金。目前，汽车车身上承力结构件的力学性能一般要求如下：抗拉强度＞240MPa，屈服强度＞180MPa，伸长率≥10%，铝合金压铸件铸态的力学性能指标很难达到，需通过热处理工艺来进一步提高优化合金的力学性能。普通压铸铝合金运用高真空压铸技术可以明显提高力学性能，如ADC12合金高真空压铸件抗拉强度和伸长率分别比普通压铸件提高6.67%和25%；ZL201合金真空压铸件的抗拉强度和伸长率分别由普通压铸件的231MPa和6.6%提高至245MPa和7.1%。即便如此，普通压铸铝合金通过高真空压铸技术也很难达到汽车受力结构件的性能尤其是伸长率的要求。为此，国外开发出适合应用于汽车车身结构用的高强韧压铸铝合金，并结合高真空压铸成型技术，应用于车身结构件。

① 常用的高强韧压铸铝合金。目前，德国、美国和日本均已开发出一系列高强韧压铸铝合金，尤其是德国开发的Silafont -36合金广泛用于汽车结构件。目前主要集中在Al-Si-Mg系和Al-Mg系合金，如表1-3所示。由于Al-Mg系合金的凝固区间较大，铸造性能较差，且Mg含量高，熔炼保护及熔体处理难度大，主要用于形状比较简单、没有薄壁的零部件；Al-Mg系合金的力学性能主要与晶粒及合金相尺寸有关，其力学性能的优劣主要取决于铸件的壁厚，Al-Mg系合金在车身上的应用处于研究阶段。

从表1-3可以看出，这些高真空压铸铝合金都属于亚共晶Al-Si系合金，与普通压铸铝合金相比，其主要区别在于：

a. 高Si。Si含量一般为9%～11%，保证合金具有良好的铸造性能，SF-36合金通过高真空压铸可以制作壁厚仅有1.1mm的零件。

b. 避免Cu。避免Cu可保证汽车受力结构件要有较好的耐蚀性。

c. 尽量降低Fe含量。研究表明，随着Fe含量降低，合金的断裂韧性大幅度提高，而相应增加Mn含量来确保合金具有较好的抗粘模性能，当W（Mn）/W（Si）合适时，可避免产生针状的β-AlFeSi化合物，而形成细小弥散的α-Al（MnFe）Si合金相，从而确保了材料良好的韧性。

d. 添加Sr和Ti。添加Sr不但可通过其变质作用来改变共晶硅相的形态来提高合金的伸长率，而且可以减少压铸过程中的粘模倾向；Ti添加后可以细化α-Al枝晶和第二相的尺寸，从而提高铸件的力学性能。

② 高强韧压铸铝合金件的典型应用。强韧压铸铝合金件相对钢制结构具备轻量化、模块化、高刚性、高精度、结构自由等优势，是铝合金铸件在车身上应用的典型代表。图1-56是奥迪A6减振器塔（简称减振塔）应用铝合金压铸件的案例。奥迪A6前减振器塔采用铝合金高真空压铸技术，实现将10个冲压件替换为1个铝合金高真空压铸件，实现减重10.9kg。由于采用高真空压铸工艺，铸件精度相对冲压件高，大大提升底盘安装点的精度。图1-57为凯迪拉克CT6车型的A柱应用铝合金压铸件的案例，其通过不断优化成功实现了由1个铝合金压铸件替代原来25个钢制件。

通过对欧洲车身会议（ECB）2009年至2015年发布的资料进行分析，统计铝合金用量在10%以上的车型，统计如表1-4所示。由统计数据可以看出铝合金压铸件主要应用于下车体的前后减振器塔以及后纵梁等件。

5.铝合金车身技术及其特点

早在20世纪80年代，德国保时捷汽车在其928 sports车型的概念车身上采用了全铝车身方案，车身采用6016铝合金板制造而成，车身重量为161kg，相对其钢制车身实现减重106kg。1985年，奥迪汽车推出了其首款全铝车身概念车型奥迪100，该车型同样采用铝合金板制造而成，实现了极大的车身轻量化，其车身甚至可以由两名女性正常搬动。图1-58为奥迪公布的由两名女性抬起奥迪100全铝概念车车身的图片。

鉴于全铝车身相对钢制车身极大的轻量化效果，全球各大汽车企业纷纷关注全铝车身，研发其全铝车身车型并量产。本田汽车于1989年推出了其量产全铝车身车型——阿库拉NSX，相对钢制车身减重近200kg，减重率达到40%。随后全球各大汽车企业纷纷推出其全铝车身车型，如福特P2000、捷豹Sport XJ220、通用汽车EV1、奥迪A8等。

目前，国外汽车行业的全铝车身技术成熟，代表车型有：捷豹XJ、特斯拉Model S、奥迪R8等；在国内，已有汽车企业推出其全铝车身车型，如蔚来汽车ES8等。随着对汽车车身材料研究的不断深入，“合适的材料应用到合适的部位”的理念已深入人心，汽车车身用材已经发展到混合材料阶段，钢铝混合车身、铝塑混合车身、钢铝塑混合车身等形式车身纷纷出现。图1-59为行业内公认的汽车车身发展趋势图。

奥迪汽车推出铝合金空间框架（Audi Space Frame，ASF）是目前行业内认可度较高的铝合金车身结构形式，其ASF车身也从之前的全铝车身发到钢铝混合车身，再到钢铝塑混合车身。以奥迪汽车的A8车型为例，奥迪A8经过5代车身技术的演化，于2017年推出了钢铝塑混合版的车身，如图1-60所示。

基于铝合金在车身的应用比例，对应用铝合金的车身做以下定义：

① 全铝车身：铝合金占比大于60%。

② 钢铝混合车身：铝合金占比为20%～60%，其中，轻度钢铝混合车身中铝合金占比为20%～40%，重度钢铝混合车身中铝合金占比为40%～60%。

③ 钢制车身：铝合金占比为6%～20%。下文所述的全铝车身、钢铝混合车身、钢制车身等均依照此定义。

下面将以行业内典型的铝合金车身为对象进行分析，阐述各类铝合金车身的特点以及代表车型等。

（1）全铝车身技术及特点 目前，市场上典型的全铝车身车型有：奥迪A8、特斯拉Model S、蔚来汽车ES8、捷豹XJ、奇瑞EQ-1、东风E30等。这些车型的车身根据应用铝合金材料形式的不同，大致可以分为冲压式全铝车身、挤压框架式全铝车身以及复合式全铝车身三类。冲压式全铝车身是指以铝合金冲压件为主，辅以少量的铝合金铸件以及铝合金挤压件的车身，冲压式全铝车身的铝合金铸件和铝合金挤压件的合计占比一般在10%左右；挤压框架式全铝车身指的是以铝合金挤压件为主，应用极少量（或不用）铝合金铸件，内板蒙皮件采用铝合金冲压件，外覆盖件通常会采用塑料件（或铝合金冲压件）的车身；复合式全铝车身指的是采用铝合金挤压件+铝合金铸造件构成的下车体框架，其余部件采用冲压铝合金件的车身，通常复合式全铝车身的铝合金铸造件占比达到15%左右。表1-5是三类全铝车身的特点。

（2）钢铝混合车身技术及特点 目前，随着汽车安全法规的日趋加严、汽车用高强铝合金暂不具备批量应用等因素，越来越多的汽车企业选择在汽车车身上的碰撞安全区域应用超高强度钢、热成形钢等零部件，在其他部位仍然采用全铝车身的铝合金方案，实现高安全性和高轻量化兼具。如前所述，根据铝合金材料在车身用材比例不同，钢铝混合车身分为轻度钢铝混合车身和重度钢铝混合车身两大类。通过对行业典型的钢铝混合车身进行分析，不难看出：轻度钢铝混合车身的铝合金主要应用于闭合件、防撞梁、翼子板、发舱纵梁、减振器塔及顶盖等；而重度钢铝混合车身则在轻度混合的基础上，增加地板、门槛、侧围等处的应用。表1-6为行业内典型钢铝混合车身的铝合金应用统计。

其中，2013款的奔驰S级是目前行业内轻度钢铝混合车身的代表车型，2015款的奥迪Q7车型则是目前行业内重度钢铝混合车身的代表车型。2013款奔驰S级的车身如图1-61a，2015款奥迪Q7的车身如图1-61b所示。

2013款奔驰S级在车身的四门两盖（即：发动机舱盖、前车门、后车门、后行李舱盖）、顶盖、翼子板，以及发舱纵梁及前减振器塔等部位应用铝合金，车身的乘员舱部位应用钢制方案。而2015款奥迪Q7在车身的四门两盖、顶盖、翼子板、发舱纵梁、前减振器塔、中央通道、后地板、后轮包、后侧围以及顶盖横梁等部位应用铝合金，车身的乘员舱骨架应用钢制方案。

（3）钢制车身（铝合金占比＜20%）技术及特点 现阶段，汽车企业在钢制车身上应用少量的铝合金主要目的是实现一定轻量化，或者提升车身的性能。从轻量化的角度来看，采用铝合金冲压件来替换原钢制车身的大型外覆盖件或者内蒙皮件，整个车身制造还是沿用原钢制车身的生产工艺。目前，汽车企业通常会在翼子板以及四门两盖上采用铝合金方案，尽量减少对原钢制车身生产工艺的变动，这种钢制车身设计思路也称为替换式设计。从提升车身的性能角度来看，采用铝合金挤压件或者铝合金铸件来替换车身上的梁或者减振器塔等部件，以此提升车身的碰撞吸能能力、局部刚度等性能。目前，汽车企业通常会在发舱纵梁前部吸能段以及减振器塔部位分别应用铝合金挤压件和铝合金铸件，这种钢制车身设计思路称为重新设计。

图1-62为2011款日产Leaf的车身示意图，日产Leaf在其前车门、后车门以及发动机舱盖上应用铝合金冲压件设计方案，实现替换式设计，实现减重23kg。

图1-63a）为2010款宝马5系的车身示意图，图1-64b）为2014款沃尔沃XC90的车身示意图，其中，2010款宝马5系和2014款沃尔沃XC90的前减振器塔均采用铝合金铸件，均在发动机舱盖和翼子板上应用冲压铝合金，2010款宝马5系还在前、后车门外板上应用铝合金冲压件。由于在车身的前减振器塔上应用铝合金铸件，车身结构变化需要重新设计周边钢制件结构，同时连接用的工装（需要铆接设备）夹具等均需要重新设计开发。