泡沫铝技术在车身轻量化中的应用_吴海臣.pdf

134 AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺泡沫铝技术在车身轻量化中的应用吴海臣夏文科王新华陈稳宏周瑞俭徐世伟吉利汽车研究院（宁波）有限公司 浙江省宁波市 315336摘 要：汽车行业日新月异的发展，给人们带来方便的同时，也给我们带来噪音、污染等负面影响。车身轻量化成为我们面临的重大课题。泡沫铝具有质轻、强度高、吸能能力强等特点，成为汽车轻量化可以采用的一种极佳材料。本文从泡沫铝的特性、结构、工艺技术等方面全面介绍了泡沫铝。同时，通过泡沫铝的在车身上的应用实例，证明其在轻量化技术中应用的可行性。关键词：泡沫铝轻量化新材料1引言汽车自问世以来，给人们的生活带来了重大改变。尤其是家用汽车普及的今天，汽车给人们的生活带来了巨大改变，它不仅改变了人们的生活品质、同时也缩小了人们的生活半径。当今，汽车行业的发展更是日新月异，新技术不断涌现，汽车产业正在朝着电动化、智能化、数字化转型。但是，汽车为我们带来了舒适便利的同时，也给我们带来了一些负面影响。噪音、污染、交通拥堵等问题，给人们带来了诸多烦恼。在当今汽车蓬勃发展的进程中，可持续发展、低碳环保、节能减排等成为汽车发展面临的重大课题。车身轻量化成为目前各大车企热衷研究的技术。有数据表明，如果整车重量减轻 10%，可以减排 4%，这对可持续发展将大有裨益。车身轻量化的途径可以通过新技术、轻质材料、结构优化等实现。其中，轻质金属材料目前普遍使用的有高强度钢、热成型钢、铝合金、镁合金等材料。泡沫铝是一种新型轻质材料，因为它具备多种优良性能而被应用到很多行业，比如航空器、太阳能电池背板、大型车床部件、大型列车车厢、建筑外墙、剧院消音内饰等都可以应用泡沫铝。2泡沫铝的特性泡沫铝一种以铝材质为主体，具有多个气泡型空腔结构的材料。具有质量轻、密度低、比刚度、比强度大、吸能能力强、阻尼减震性能好的特点。同时，泡沫铝也具有耐腐蚀、耐高温、易加工的特点。泡沫铝的密度为 0.25 0.6g/cm3，仅为铝的 10%40%，是钢的 3%8%。但是，它的抗弯比刚度为钢的 1.5 倍。在车身钣金件总成中装配泡沫铝结构件，可以明显提升车身总成的强度和刚度。将泡沫铝材料与钣金零件连接形成复合结构，可以代替传统的钢板钣金件作为车身的吸能零件取得更优的吸能效果。泡沫铝可应用于车身结构件、电池包壳体等，例如：吸能盒、防撞梁、AB 柱、电池包壳体。3泡沫铝的结构及成分轻质板材的结构通常有整体式、组合式、夹层式，如图 3 所示。泡沫铝的夹层式结构由外板、粘合层、Application of aluminum foam technology in Body lightweightWu HaichenXia WenkeWang XinhuaChen WenhongZhou RuijianXu ShiweiAbstract：The rapid development of the automobile industry brings convenience to people,but also brings us efects such as noise and pollution to the society.Body lightweight becomes a major issue we are facing.Aluminum foam has the characteristics of light weight,high strength and strong energy absorption ability,which makes it an excellent material for lightweight automobile.In this paper,the characteristics,structure and forming technology of aluminum foam are introduced.At the same time,the feasibility of applying aluminum foam in lightweight technology is proved by the application example of aluminum foam in car body.Key words：Aluminum foam,Light Weight,New material图 1泡沫铝材料AUTO TIME 135 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺夹心材料组成。夹心材料分为均质材料和不同结构形式的结构。均质材料一般是泡沫物填充或多层平铺填充。不同结构形式分为蜂窝状结构、圆筒状结构、波形结构、矩形结构。图 4泡沫铝结构外板外板粘合层粘合层夹芯材料泡沫铝的中间结构主要成分是镁铝合金或铝硅合金。结构相同但密度不同的泡沫铝材料，抗压强度各不相同。密度(kg/m3)抗压强度d(Mpa)=0.350.35-0.63=0.430.7-1.00=0.5151.4-1.75=0.5152.45-2.8表 1不同密度泡沫铝的抗压强度中间结构与白车身的连接方法主要有螺接、卡接、粘接等。4泡沫铝的生产工艺技术泡沫铝的制备方法有如下两种：一种是去除法，通过去掉铝中的杂质来制成；一种发泡法，将铝融化，在其中生成气泡来生成泡沫铝。以铝为基材生产出的泡沫材料，是先将融化的金属注入设备中，再将气体注入，从而获得泡沫铝，它具有封闭的单元。为了获得稳定性，需要在熔融物中加入细陶瓷粉或合金元素来生成稳定的熔融物。通过上述操作，金属熔融物中出现的泡沫就会相当稳定。在金属熔融物中形成泡沫的常用方法有：一、在液态金属中注入空气、氮气、氩气，液态金属中会产生气泡并均匀分布。再将金属液体过滤，剩余的部分变成干液体泡沫，最后将其冷却，由于有陶瓷粉的作用，泡沫将非常稳定。冷却后的泡沫可以直接在铸机中使用，也可以通过切割或机械加工成各种形状二、在熔融金属中加入生气剂，进而让液体生出气泡，生气剂会分解出一种气体促进发泡。表 2泡沫铝生产工艺680熔融铝加入1.5%金属Ca搅拌几分钟熔融物粘度持续提高，直至原来的 5 倍形成 CaAI2O4加入生气剂1.6%TiH2释放氢气熔融物膨胀并充满发泡容器容器冷却至合金熔点以下固体泡沫稳定液体泡沫三、将金属粉末和生气剂混合后，将混合物压实，形成密度较高的物质。要使生气剂均匀地嵌入金属基体中，如果存在残余孔隙或缺陷，将会影响到接下来的加工效果。混合好后，将混合物熔化，生气剂释放的气体使混合物膨胀，进而生成泡沫铝材料。5泡沫铝在车身轻量化的应用实例在一辆中型轿车中，约有 20%的车身零部件可用泡沫铝代替，减重 27kg 左右。节能减排、提升燃油效率或电车续航里程的同时，可以有效降低生产成本。下图是泡沫铝的应用推荐位置，Audi A8 车身在前保险杠内测的前防撞梁应用了泡沫铝。在汽车设计的过程中，泡沫铝的应用一般有两种形式。泡沫铝填充前纵梁 泡沫铝填充吸能盒图 2 泡沫铝汽车零部件泡沫铝前防撞梁 整体式 组合式 夹层式图 3轻质板材的结构图 5泡沫铝中间结构中间层结构均质材料泡沫物填充多层平铺填充不同结构形式蜂窝状结构圆筒状结构波状结构矩形结构136 AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺一种是将泡沫铝填充在两层板中间，形成三明治结构。这种材料既可以保证有较高的强度，又可以轻量化，同时还可以减震，一举多得，这种零件可代替一些冷冲压钢板零件。三明治泡沫铝与车身的连接方式可以通过粘接、螺接、卡接等形式。还有一种技术是填充将泡沫铝填充在车身空腔或空管中。图 7泡沫铝特性及其在汽车中的应用应用于轻质高强度构件应用于碰撞能量吸收部件轻质结构双功能应用阻尼及声热性能机械振动阻尼和隔热部件理想复合性能应用能量吸收性能我们在公司某车型的研发中，将 B 柱上端的加强件，用泡沫铝零件代替冷冲压加强件采用该种泡沫铝材质的填充结构，可以极大地提升车身顶压强度。白车身顶压强度在冲压钣金方案达到极限的情况下，应用泡沫铝零件后提升约 6.7KN，而泡沫铝零件的重量仅为 0.349kg，强度提升量与重量比高于冲压钣金方案。图为泡沫铝结构的顶压仿真分析结果。该车型中，泡沫铝零件与车身其它钣金件的连接方式为粘接，我们对连接的界面强度按 GB/T 7124-2008/ISO 4587:2003 的检验方法进行拉伸强度的试验，结果合格。经过试验验证，界面胶合强度较强，失效形式均为泡沫铝样片断裂，说明泡沫铝通过结构胶与车身连接可以满足连接强度需求。6结论目前基于车身轻量化的开发要求，许多新型材料在逐步取代原有材料应用到车身上。泡沫铝作为一种新型替代材料，因其生产成本原因还没有广泛推广开来。当前需要亟待解决的问题是通过异形形状的模具成型来降低生产成本，来推广这种材料的使用，从而推进车身轻量化的快速发展。参考文献：1 马聪承等.泡沫铝复合结构改善汽车侧撞安全的仿真研究，汽车工程J.2017，（10）：04-011.2 曾顺民等.泡沫铝材在汽车车门轻量化中的应用，材料工艺 J2004，（10）：35-36.3 毛春升.泡沫铝技术及其在车辆中的应用J.汽车工艺与材料，2006，（10）：6-8.4 胡清寒，适用于更轻量化车辆的泡沫铝材料 J 生成现场，2008，（04）：28-32.图 9泡沫铝结构的顶压仿真分析结果 作者简介吴海臣：吉利汽车研究院（宁波）有限公司，本科，主要从事汽车车身开发及轻量化方面的研究。图 10泡沫铝拉伸试验结果图 6Audi A8 泡沫铝应用位置前纵梁保险杠底梁车顶架及 A 柱B 柱后纵梁图 8某车型样车采用泡沫铝的车身结构冲压钣金焊接结构泡沫铝结构加强件1、B柱内板 2、B柱加强板 3、发泡铝合金加强件4、B柱外板 5、电阻点焊1234541、B柱内板 2、PATCH补丁板 3、B柱加强板4、B柱外板 5、电阻点焊12345