压铸及多材料连接工艺在新能源汽车车身中的运用研究

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文章来源：1.上汽通用五菱股份有限公司2.广西艾盛创制科技有限公司

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0引言

电动化是汽车发展的趋势之一，新能源汽车将是汽车行业未来主要研究对象。传统汽车的车身多以钢制零件为主，主要包含冲压工艺、焊接工艺、涂装工艺、总装工艺等四大工艺。随着新能源汽车对能量密度要求的提升、续航里程的要求提升日益迫切，铝合金、复合材料等轻质材料在汽车中的应用也越发广泛。

以铝合金为例，变形铝合金、铸造铝合金在汽车车身如防撞梁、关键接头、纵梁、减震塔包等区域多有应用，这些新的材料不仅带来新的结构，还带来了新的成型工艺、新的连接工艺。

本文面向新能源汽车的车身，研究、论述压铸铝合金材料、压铸铝合金工艺、钢铝零部件之间的连接，分析行业未来的发展趋势，以便更好地支持汽车的开发设计与制造工作。

1压铸工艺及铝合金材料

汽车轻量化是目前汽车行业的共同研究课题。对于整车轻量化，不同的零部件都可以有不同程度的贡献，车身的轻量化是其中的一个重要环节。铝合金材料具有轻质、可回收和易成型的特点[2]，根据经验总结，铝制汽车零部件可以比钢制汽车零部件减轻质量达30%~40%[3]。铝合金压铸工艺与铝合金挤压工艺、铝合金冲压工艺一道被广泛应用于汽车、航空、机械等行业。我国已成为世界压铸大国，并持续进行结构升级，精密压铸件占比逐渐提升。

目前汽车中铝合金压铸件用量占比80%左右，铝合金挤压件和铝合金冲压件各占10%左右。精密压铸件大量应用在汽车发动机、变速箱、传动系统、电子控制系统中，随着大型压铸设备的出现，某些车型的车身关键总成也出现了采用一体压铸的案例，在汽车轻量化趋势下铝合金铸件得到了快速的发展。

1.1压力铸造工艺

压力铸造主要分为高压铸造、低压铸造、差压铸造等。不同压铸成型工艺有所区别，因此成型的设备、成型的效果也有所区别。其中，低压铸造与差压铸造多用于发动机、底盘区域，而高压铸造因为生产效率高，能够将零件的壁厚做得较薄，因此在汽车车身中的运用越来越多，是未来几年行业的主要研究对象。

高压、高速是高压铸造方法与其他铸造方法的根本区别，也是重要特点。压铸的压力铸造与传统重力铸造的对比如表1所示。

1.2压铸材料

纯铝的力学性能无法满足汽车零部件的开发要求，必须添加Fe、Mg、Si、Cu、Zn等合金，因此压铸铝合金主要形成了Al-Si（Al-Si-Cu、Al-Si-Mg）、Al-Cu、Al-Mg与Al-Zn四个系列。其中，Si的添加可提高合金的工艺流动性能，降低热裂倾向，提高零件的耐蚀性与热导率，提高材料的气密性[5]；Mg的添加能够增加铝合金压铸件的抗拉强度、硬度和耐腐蚀性；Cu的添加可以提高铝合金的强度、硬度和耐热性；Fe的添加有利于压铸件脱模。

不过需要指出的是，相关的合金元素的添加，必须在合理的比例范围内，否则容易导致缺陷。以Fe元素为例子，过量Fe元素会降低合金的塑性，因此最好将其比例控制在0.8%以下。

材料学属于基础学科，对于压铸材料国外已有诸多研究。国内学者胡祖麟、重庆大学贾从波、上海交通大学丁文高等许多团队对合金元素配方及工艺开展深入研究，已开发出抗拉强度与伸长率高达369MPa与8.47%的压铸材料，为压铸铝合金在新能源汽车车身中的运用打下了基础，便于日后的大规模产业化运用。

2基于铝合金高压压铸工艺的一体化大型车身零件的开发

新能源汽车车身在轻量化设计需求的驱动下，车身关键零件朝着薄壁、高性能、大型化等方向发展，压铸技术在汽车从小件逐步往大型化、一体化的大件发展。

普通压铸的缺陷难以控制，在前期一般在车身中运用在减震塔、ABC柱接头、纵梁连接处等接头部位。随着材料升级、工艺优化、设备智能化大型化的发展及大型压铸模具的技术成熟，以特斯拉为代表的理念先进企业正在越来越多地尝试将车身的零件进行合并，由冲压+焊接工艺改成一体压铸成型的工艺。

一体式压铸成型对于制造来说可以减少工厂的建造时间、缩短运营成本、降低制造成本及模具数量等，能够降低所有制造环节的成本。除此以外，还可以大幅降低开发人员、管理人员的数量。另外，对于车身而言，一体化的制造不会产生异响，也减少了冲压和焊接的工作，减少制造的环节，质量更加容易控制。

基于仿生学与拓扑优化技术，设计人员可根据性能设计出薄壁、复杂结构，结合真空高压铸造工艺，特斯拉通过6000t的压铸机实现了将原先车体的70个零件逐步合并至1~2个大型零件。

目前已经投入量产的相关设备厂主要有力劲、布勒、Idra等，尤其力劲的6000t压铸机被特斯拉大规模采购。

同时，特斯拉采购的意大利公司Idra8000t的压铸机也有望短期内交付使用。届时，新能源汽车车身的零部件将向更加大型化、一体化发展。

3钢铝连接

铝合金零部件在车身中的运用目前仍然集中在车身的下车体。铝合金的抗拉强度与高强钢、超高强钢相比仍有较大的差距，加之低速碰撞需要考虑维修成本与维修的便利性，钢在车身中的运用将长时间继续存在，“合适的材料出现在车身合适的部位”，性能、轻量化、成本三者会形成折中与妥协。

钢钢连接所涉及的电阻焊、气体保护焊等工艺，由于钢和铝的导电率、热传导率等物理特性相差甚远也不适用于钢件与铝件的连接。

胶粘、热熔自攻丝铆接（FDS）、自冲铆接（SPR）及螺栓连接等工艺是钢铝连接的可行工艺，这些冷连接方法属于机械连接，避开热连接（焊接）所要求的物理参数一致的问题。

自冲铆连接的工艺过程包括4个阶段：夹紧→冲裁→扩张→冲铆。自冲铆接类似于传统的电阻焊，是一个双面连接的工艺，目前最常用的钉子是3mm和5mm两种直径规格。除了钢铝连接，自冲铆接也可实现铝镁、铝铝、镁钢等金属材料之间，以及金属与非金属材料之间的同质材料、异质材料双层或者多层连接。

自冲铆接对于连接点处需要保留双侧的进枪空间（无法应用于封闭型腔），可满足大部分钢铝零件的连接场景。而对于封闭的型腔，无法双侧进枪，如门槛处一般使用热熔自攻丝铆接（FDS）技术进行连接。热熔自攻丝铆接工艺过程包括6个阶段：旋转（加热）→穿透→通孔→攻螺纹→拧螺纹→紧固，是一种单面连接工艺，实质上是一种自攻螺丝，要求与钣金进行螺接，故热熔自攻丝铆接工艺对平面的平面度有一定的要求，目前主要用于平面与平面的连接。

热熔自攻丝铆接、自冲铆接的使用，一般需要配合粘胶。胶接除了辅助提升连接强度外，也可避免异种材料之间的电腐蚀，少部分通过通过螺栓连接，可满足车身钢件、铝件的可靠连接。

4结语

铝合金材料的不断发展，力学性能逐步提高，配合压铸工艺，使得其在新能源汽车车身中的运用将是未来的一个趋势。超大型压铸机、先进模具的出现，进一步促进了铝合金零件由小型、单一往大型、一体化零件发展，配合合适的连接工艺，一体化铝合金压铸零件在新能源

汽车车身中已初试牛刀，展露锋芒，提升了制造效率也促进了新能源汽车轻量化水平的提升。未来，将有更多整车厂在更多车型车身中尝试采用一体化大型铝合金压铸件。

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