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Mg2Si，合金中Mg2Si含量为1.2％左右，Mg、Si含量是按照形成Mg2Si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 Ti6063 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 0.02T6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、H2SO4：140±15g/L；AL3+：≤18g/L；Fe3+：≤3g/L；c、温度：20±2℃；d、直流电压20V；e、时间：AA10:30±5min；若当材质Cu含量超过0.08以上，或槽液中Cu2+浓度大于0.02g/L，及Fe3+、Mn2+浓度超过极限值，都会引起黑斑。

当槽液中Zn2+浓度不小于4x10-6时，对于63合金Zn含量在0.035%型材氧化后，会出现大批量“闪烁花纹”和“雪花斑”缺陷。

当AL3+：≥20g/L时，会导致型材表面出现点状或块状白斑，并使氧化膜的吸附性能大大降低，从而着色困难。

同时6063会出现晶间腐蚀现象［3］（在6061合金表现比较明显），形成α-AlFeSi和β-AlFeSi相成都会作为阳极相，对后道氧化表面产生腐蚀及黑斑块生成，高铜含量氧化会直接造成大面积变黑及古铜色影响氧化效果如图5，对有需求后道氧化63合金Cu和Fe含量控制在0.03%和0.2%范围内。

图5为6063空调面板拉丝阳极氧化后变黑及古铜色f、中和（出光）：如果选择采用15%（体积比浓度）HNO3或稀H2SO4与稀HNO3的混合溶液作为中和出光液，可以克服只用稀H2SO4出光时不能消除“雪花斑”缺陷。

若后道专用于染色，则选用20kg/m3NAHCO3，浸泡2-5min。

g、着色：根据客户需求，采用不同金属盐电解槽液表2，目前普遍采用锡盐（或锡镍混合盐）电解着色工艺，使用电解电源为交流电源比较简单（10-20V），推荐工艺：锡槽H2SO4（24±4）g/l、SnSO4（9.5±1.5)g/l；PH值在3.6-4.5；温度：18±2℃。

表2、为不同金属盐着色效果简而言之电解着色质量均匀性分别与着色电压、SnSO4浓度、槽液温度、PH值及着色时间对着色颜色深度（ΔΕ1值越小则颜色深）和颜色均匀度（ΔΕ2值越小均匀性好）如下图6。

图6 为着色深度和均匀性与电压、电解液浓度、温度、PH、时间关系g、封孔：针对6063用途选择成本、效率、操作简便封孔工艺为冷封孔工艺：1）、镍：1～1.3g/L，氟：0.20-0.50g/L；PH：5.7～6.3，温度30～35℃；2）、PH值：5.5-6.53）、时间：8-12min；4）、冷封孔处理后：60-80℃热水陈化10-15min，提高封孔质量。

相对于热封孔技术而言，热封孔技术对水质、PH、水温要求比较高，水中各种杂质原子对封孔质量有很大影响如表3，往往造就质量不稳定，造成批量报废得不偿失。

表3、为沸水封孔中各种杂质离子对封孔质量影响1.2 6005合金6005铝合金属于6系铝合金可热处理强化中等强度、良好的塑性、抗腐蚀性、焊接性及加工成型材质，力学性能介于6063和6061合金，个别成分通过调整后T6态性能超过6061。

目前大批量使用在交通轨道和汽车轻量化车体结构中如图7，比如动车车厢行李架、门机梁等，汽车车厢及挂车中空侧板。

图7 为福建南平铝业使用6005合金在客车和集装箱车体上运用1.2.1力学性能：6005合金成分配比上注重Si含量往高比例配， Mg/Si 值在0.7-1之间，Si的含量往往是过剩，致使Mg含量被完全被消耗，生成致密强化相Mg2Si，第二强化相α-AlFeSi及AlMnSi为辅，为此6005合金型材T5标准Rm 远高于6063-T6，6005-T6标准Rm同6061持平甚至超越，据刘静安［4］研究四种微调成分6005合金表4，采用表中四种6005合金挤压中空型材，经175±5℃时效，通过三个变量正交拉伸试验发现：微调6005合金化学成分对相同挤压处理方式影响不大，影响最大还是淬火方式，即和使用淬火介质有关系，表明6005合金淬火敏感性高，对淬火快速冷却要求高，在保证力学性能前提下适当减低Mn+Cr含量，总量控制在0.3-0.4%，Mn含量控制在0.15-0.3%，Cr含量控制在0.1%以内，既保证不增加淬火敏感性，又能保证Mn+Cr起到细化晶粒。

故生产中空大截面型材，铸棒选择6005：合金Mn+Cr含量0.2-0.4%，保证挤压出口温度在530-550℃，在优先保证尺寸时，选择强风冷，风冷强度最好达到淬后温度在≤150℃，挤压速度控制在3m/min；在优先保证性能前提时，自然选择水雾冷来保证强度。

例如苏州海德鲁（SAPA）使用6005合金生产大中空车用电池盒如图8。

表4 为6005A合金微调后几款挤压铸棒元素牌号Si Mg Fe Cu Mn Zn Cr Ti Mn+Cr6005A 0.68~0.730.59~0.650.16~0.210.06~0.100.15~0.200.00~0.020~0.020~0.020.15~0.221 0.66 0.59 0.18 0.095 0.1 ≤0.10.052 0.021 0.1522 0.69 0.64 0.18 0.16 0.2 ≤0.10.15 0.02 0.353 0.66 0.63 0.19 0.15 0.29 ≤0.10.097 0.02 0.3874 0.73 0.65 0.19 0.11 0.31 ≤0.10.16 0.014 0.46表5 为设计三个变量正交试验法研究6005A力学性能图8 为SAPA使用6005-T5生产电池盒型材1.2.2 焊接性能：鉴于目前讨论6005合金多为车体上运用，运用最多为多腔中空型材如图9，焊接难点主要为焊接长度长，焊后美观性，同时要求不影响后道喷涂或刷漆，对于其它熔化焊，搅拌摩擦焊（FSW、 BT-FSW）可以完美解决连续性高长度焊接。