上海国际铝工业展览会|汽车车身用铝合金板材的研究现状
在汽车上应用的铝合金主要包括压铸件、锻造件、挤压件和板材。在这4 类产品中，用于冲压的变形铝合金板是铝合金板材中技术要求最高的。接下来上海国际铝工业展览会小编就来聊一聊汽车车身用铝合金板材的研究现状。
变形铝合金板材替代传统钢材时可以有效减轻汽车质量。如铝合金发动机盖板和钢制零件相比，可降低质量40%以上。同时由于铝合金导热性好，可有效降低发动机的温度。除此之外，利用铝合金的特殊性能，可以有效减轻碰撞时对行人碰撞的伤害，有利于满足对行人碰撞保护法规的实施。目前用于汽车车身的铝合金板材主要包括5000 系和6000 系，常见的材料牌号如5052、5754、5182、6016、6014、6181。此外，少量2000 系板材也在汽车上有一定应用。
铝合金用于汽车覆盖件时的性能要求极高，因此在生产过程中必须对关键环节进行控制。在原材料生产阶段需要对材料进行成分设计、熔炼和铸造，均匀化热处理后通过冷、热轧制工艺将材料制备成不同厚度规格的板材，最终通过热处理控制组织及第二相来实现满足生产需求的产品。在整个生产过程中，合理的成分设计和热处理流程的制定是保证高质量板材的必要前提。然而，与传统软钢相比，铝合金板材在成形过程中仍然存在劣势，如回弹大、容易开裂，这些劣势需要在模具和工艺上进行优化和弥补。因此，为解决开裂和回弹问题，通常借助于有限元手段，从成形技术或工艺方面进行铝合金板材应用研究。
1、上海国际铝工业展览会浅谈车身用铝合金的微合金化及热处理
在铝合金中添加微量元素，可以提高其综合力学性能。如稀土元素加入铝合金中，可以改善和细化铝合金的组织，提高铝合金的力学性能，同时还可以防止偏析，去除合金中的杂质。铝合金板通过一定热处理工艺后，可以改善其组织和力学性能，具有更好的成形性。
1.1 2000系合金的微合金化
2000 系合金是Al（铝）-Cu（铜）系合金，是1种可热处理强化的铝合金。它具有优良的锻造性能、焊接性能以及烘烤强化效应。合金中的主要强化相为CuAl2，含有一定量Mg（镁）时还有CuMgAl2强化相，具有较高的屈服和抗拉强度，但抗腐蚀性能较差。2000 系合金中除主加元素外，Cd（镉）、Ag（银）2 种元素的单独加入或者复合添加均可以显著增强该系合金的时效硬化效应。微量In（铟）的添加使Al-Cu-Li（锂）合金的屈服强度增加25%，到达时效峰值的时间缩短25%，时效24 h 后的屈服强度提高70%。此外，微量元素的添加还能够有效改善铝合金的断裂韧性、抗应力腐蚀及抗疲劳性能。2091 合金中微量Zn（锌）的存在显著增强了材料的断裂韧性，如添加Zn 质量分数为0.7%可使2091 合金的临界应力强度因子值提高3.0 MPa·m1/2；微量Ce（铈）的添加能有效改善Al-Cu4.5 合金的抗热疲劳性能。
1.2 5000系合金的微合金化
5000 系合金是不可热处理强化的铝合金，具有中等的屈服强度和抗拉强度、耐蚀性、加工性能与良好的焊接性。Mg 溶于Al 基体中形成固溶强化，使合金在屈服强度、抗拉强度、成形性和抗蚀性方面具有一般钢材的特点，所以日本广泛应用5000 系铝合金作为汽车内板材料（5022、5023、5182）以及其它形状复杂的部件。5000 系合金的固溶强化存在延时屈服和勒德斯线2个明显的缺点，此外与6000 系相比，5000 系合金在喷漆退火后其屈服强度下降，而6000 系的屈服强度上升。目前5000 系铝合金的研究通常是通过优化合金成分、控制杂质质量分数、添加微量元素改善合金性能。如在5050、5150 基础上添加微量Mn（锰）、Ga（镓）研究而成的5025，具有优良的压力加工性能、成形性能和耐腐蚀性。近年来，在Al-Mg 合金中同时添加Sc 和Zr 元素的研究较多，采用Sc 和Zr 复合微合金化可显著提高合金的抗拉强度。
5000 系铝合金中，随Mg 质量分数的增加，材料的伸长率开始下降，但当Mg 质量分数超过2%以后，伸长率会迅速上升，近年来还开发出了Mg 的质量分数达5%～6%的高镁铝合金板。另一方面，适当地加入Mn 元素，使Mg 相沉淀均匀，可以提高合金的抗腐蚀性能，同时能提高合金的再结晶温度，抑制晶粒长大，确保合金具有更高的稳定性。研究发现向铝中添加质量分数为1%的Mg，可以使材料的抗拉强度提高35 MPa，而加入同量Mn的效果则几乎大了一倍。但Mn 含量多时，抗拉强度略有增加，塑性则显著降低。尤其有微量Na（钠）存在时，热轧过程会产生“钠脆”现象。
1.3 6000系合金的微合金化
6000 系合金中除Al 以外，最多的元素是Mg 和Si（硅）。Mg 能提高合金的抗蚀性和可焊性。增加Mg 的质量分数有利于提高合金的抗拉强度，但不利于合金的冲压成形。随含Mg 的质量分数的增加，合金的抗拉强度升高，但其作用有一定的范围，当其质量分数达到1.7%时，合金的抗拉强度明显降低。6000 系合金中的强化相是Mg2Si。研究表明，合金中强化相Mg2Si 的质量分数每增加0.1%，抗拉强度峰值可增加5 MPa 左右，同时延伸率也有少量增加.除形成强化相以外，Si 能提高铸造和焊接流动性、耐磨性。相对强化相Mg2Si 来说，Si 的质量分数通常是过量的。研究表明，Si 质量分数过量时析出次序以及各亚稳相的结构及其晶格常数不会改变，但析出相的化学成分及密度发生变化。过量的Si 更易析出大量的团簇，更易形成细小均匀分布的β’相，使合金密度大大增加，提高合金的抗拉强度。
随着Cu 质量分数增加，T4 态合金板材的抗拉强度单调增大，n值（加工硬化指数）呈现出略有增大的趋势，延伸率、r 值（各向异性指数）变化规律不明显，IE 值单调下降，板材的拉胀成形性能变差；随着Cu 质量分数增加，T4 态合金板材烤漆前后的抗拉强度均单调增大，但合金板材模拟烤漆后表现出烤漆软化现象，且其软化量随Cu 质量分数增加而逐渐增大，说明Cu 质量分数增加不利于铝板烘烤硬化性能的发挥。170 ℃×30 min 的模拟烤漆处理过程由于温度较低，且时间很短不足以使T4 态合金薄板基体中析出具有明显强化作用的过渡相，同时Cu 质量分数增加还促进T4 态合金薄板中已经存在的GP 区大量回溶，是T4 态合金薄板经模拟烤漆处理后其抗拉强度降低量随Cu 质量分数增加而逐渐增大的根本原因。6000 系合金中添加微量的Mn 元素时，Mn 弥散相质点的亚结构强化和Mn 的弥散析出强化以及β’相的时效强化作用可使合金的抗拉强度显著提高。
6063 铝合金通过添加Ti（钛）、B（硼）和Re（铼）进行晶粒细化，结果表明，同时加入Ti、B 和Re 的6063 合金的组织比只加Ti 或者Ti 和Re 的合金组织细小。通过Ti、Ti+Re 或Ti+Re+B 细化的6063 合金均有较好的时效行为。经较短的时效时间硬度就可达到峰值硬度，在200 ℃时效6 h 时其硬度无明显降低。Re 加入形成Al-Si-Mg-Re 中间金属化合物导致合金的抗拉强度比加Ti 的低。
1.4 铝合金的热处理
热处理对合金的组织和性能有很大的影响。铝合金的热处理主要包括退火处理、固溶处理、时效处理、回归再时效处理以及最终形变热处理。5000 系合金是不可热处理强化合金，因而其热处理工艺主要是退火处理。5000 系铝合金板经退火处理后，其抗拉强度略有下降，而延伸率和应变硬化指数大幅地提高。退火温度升高，使板材抗拉强度降低，延伸率增大。5754-H24铝合金板材的退火温度范围为240～250 ℃，保温时间1 h。5083 铝合金板在300 ℃退火后抗拉强度大幅度降低，塑性明显提高。在550 ℃退火时，轧制态5083 铝合金板材的纤维组织消失，再结晶晶粒明显长大，并等轴化。
2000 系和6000 系合金是可热处理强化合金，因而常用固溶处理、时效处理、回归再时效处理以及最终形变热处理方式改善其组织和性能。固溶处理后通常进行时效处理，固溶处理使强化相最大限度溶入基体，而时效处理则使强化相从基体中析出，从而使合金的硬度增加。铝合金经固溶+时效处理后，再次加热到比时效更高的温度，保温一段时间后，快速冷却使材料恢复到固溶处理状态，此时对材料再次进行时效处理可以使其屈服及抗拉强度继续升高，这一热处理过程即回归再时效热处理。最终形变热处理是在铝合金经固溶+时效处理后，进行一定量的冷变形，然后再进行最终时效热处理，通过这种热处理工艺，铝合金材料的屈服强度可以得到很大程度提高。
热处理后铝合金板材的最终性能受温度、时间因素的影响。铝合金退火时，板材的抗拉强度随退火温度的升高而降地。淬火时板材的抗拉强度、伸长率随淬火加热温度的升高而增加。进行时效热处理时，随着时效热处理保温时间延长，板材的抗拉强度升高，电导率逐渐增加，但保温到一定时间时出现峰值后开始下降。热处理工艺对铝合金板材的力学性能和应力腐蚀敏感性有影响，2519铝合金板材经先高温后低温的双级时效处理（180 ℃×3 h+145 ℃×24 h）后力学性能最好，但抗应力腐蚀性能最差；经形变热处理（20 ℃×100 h+预变形15%+145 ℃×21 h）后的力学性能较好，抗应力腐蚀性能最好；过时效状态（180 ℃×30 h）下力学性能最差，抗应力腐蚀性能适中[22]。2000 系铝合金的屈服强度比较高，热处理进行自然时效时其屈服强度进一步增加，之后的成形难度增加。在自然时效前，对其进行短时间的预时效，能够抑制随后时效过程中GP 区的形成，降低自然时效的硬化效果，同时提高合金的应变硬化指数和延伸率，从而提高合金板材的成形性。6022 铝合金在500～560 ℃进行固溶处理时，晶粒大小基本不变，而第二相数量显著减少，超出该温度范围后晶粒粗化。560 ℃固溶处理后自然时效可获得最佳力学性能。时效前进行预时效，能有效抑制自然时效的不良影响并提高模拟烤漆后的烤漆性能。
2、上海国际铝工业展览会浅谈车身用铝合金板的先进成形技术
与钢相比，用于车身板的铝合金通过合金成分的调整以及热处理工艺的制定可以达到相应的力学性能，但其成形性方面仍然存在不小的差距。对于具有一定冲压深度和形状要求的覆盖件，采用铝合金进行室温冲压时容易产生裂纹、起皱，并发生回弹，影响零件的表面质量和尺寸精度。因而，铝合金要代替钢铁材料而广泛应用于汽车覆盖件，就必须改善并研发新的铝合金成形工艺。铝合金先进成形技术主要包括液压成形、温成形、控制压边力成形以及超塑性成形。
看到这儿，你可能会羡慕他们的多重身份、多项技能。但是请注意这只是表面的东西，表面上看这些人可以随意切换多重身份，其实他们真正厉害的地方在于持续不断的学习更新能力，能够时刻根据自己的兴趣敏锐地捕捉到不同领域之间的联系，从而扩大视野，练就出一种强大的思维和解决问题的能力。
2.1 液压成形
板材液压成形是在模腔内充满液体的状态下将材料置于模面上，材料随冲头的前进被压人充满液体的模腔内，同时被液体产生的压力紧贴冲头，从而形成“摩擦保持效果”；而且液体可以从板料法兰与凹模间溢出，减少有害摩擦阻力而形成“溢流润滑效果”，因此使板料的成形极限得到极大的提高。板材液压成形利用静水压提高深拉延比并减少成形工件的厚度。常规冲压只有2.0左右极限深冲比的铝合金板，用该成形方法冲压可将极限冲压比提高到2.3，超过软钢常法冲压的极限深冲比。有研究者使用一种辅以浮动圆盘的液压成形模具对6061 板材进行成形。经试验发现，使用这种新的液压成形模具对板材进行成形时，液压成形过程的压边力、模腔压力与成形力均减小。
2.2 温成形
随着温度升高，材料的成形性增加。通常，在材料的再结晶温度以上的成形过程称为热成型，而材料在回复或再结晶温度以下、常温以上进行的成形工艺称为温成形。随着温度升高，成形极限曲线升高，板料的成形性提高。但用不同成形速度进行试验，成形速度过快时，即使是在较高的温度条件下，材料的成形性也无显著提高。从合金热处理特性来看，5000 系铝合金板在温成形温度区间内成形性显著提高，易于控制，已有5182-O 门内板、5083 发动机罩等产品试制案例；而6000 系铝合金板由于组织受温度影响较大，成形条件苛刻，产品的组织和性能难以控制。
2.3 控制压边力成形
压边力是板料成形技术中的重要控制手段，在实际深拉的过程中理想的压边力应该是变化的。
传统的压边方式是采用刚性压边圈，压边力均匀分布在压边圈上。对于表面形状复杂的深拉件，深拉成形过程中金属材料的流动在各个部分是不均匀的，如果都采用恒定的均匀压边力，可能导致在同一零件上同时出现起皱和拉裂的现象。弹性结构的压边装置可以比较好地解决这个问题。
3.4 超塑性成形
超塑性成形是指板材在一定的变形温度和变形速度条件下产生超塑性后的成形，铝合金的超塑性温度范围为500～550 ℃，比温成形的温度高许多。超塑性成形能加工常规冲压工艺不能成形的复杂零件。超塑性成形法可分为阳模成形法和阴模成形法。阳模成形法适用于大型的浅成形件，而阴模法则适用于深成形件和复杂的成形件。
3、上海国际铝工业展览会浅谈车身用铝合金成形的有限元模拟
铝合金板材成形过程中，存在的问题主要有起皱、破裂和回弹。随着有限元模拟的发展，越来越多的研究者使用有限元法模拟板材的成形过程。若要准确模拟实际工艺过程，必须建立准确的材料模型和屈服准则以及设置适当的工艺参数，如摩擦因数、压边力和成形速度。有限元模拟除了对成形进行预测外，常用于优化成形工艺、设计工艺补充面以及设计坯料尺寸。通过分析不同工艺条件下工件的成形性，获得能最大程度发挥材料成形性的工艺参数。
3.1 材料模型与屈服准则
材料的模型主要包括材料的应力-应变曲线、弹性模量、硬化指数、塑性应变比、泊松比。其中，材料的流变应力方程是材料模型里面最主要的部分之一。为准确模拟实际变形过程，必须有能够准确描述材料屈服行为的屈服准则。
3.2 车用铝合金板材成形及回弹模拟
铝合金板材的成形模拟过程常采用显式算法，影响其模拟精度的因素有材料模型、本构关系、屈服函数、单元形式、单元尺寸和接触算法，而模拟的准确性则受模型工艺参数设置影响，主要包括压边力、成形速度、摩擦因数。对板料回弹模拟则常以成形模拟为基础，利用隐式算法进行分析。目前板料成形及回弹模拟主要集中对板料成形性、工艺参数和模型设置参数对成形及回弹的影响方面进行研究。
板材冲压成形过程中受许多工艺参数的影响，通过有限元模拟可以分析各参数对其影响规律，但不能通过简单的参数组合获得最佳的成形工艺。通过正交设计模拟分析各参数对板材成形性的影响，不但可以大大节约计算时间，而且可以获得最佳的成形工艺。汽车覆盖件成形时，冲压速度对产品质量的影响作用大于压边力、拉延筋和摩擦系数对产品质量的影响，冲压速度越大，产品的局部厚度越小。在模拟过程中发现，通过拉延筋的分布以及拉延阻力的设置，可以消除零件起皱和开裂现象。对成形后回弹量分析发现，成形质量好的工艺，其回弹量也小。
除成形工艺参数外，坯料的初始形状和网格的自适应技术、单元属性对冲压结果也会产生影响。进行模拟成形时，若能促进板料的初始形状更好地与材料的流动规律相适应，就能改善板料最终的成形质量。通过对坯料局部形状的调整能进一步消除成形缺陷。在模拟时采用自适应网格技术能够在保证成形模拟精度的同时避免计算效率的下降。板料成形时，由于其厚度很小，因而通常采用2 号BT 壳单元，采用该单元进行模拟有较高的精度和较高的效率。成形时常在厚度方向上采用3个积分点，若进行回弹分析，则需采用16 号全积分单元，并选用7 个积分点。
覆盖件成形时发生弹性和塑性变形，卸载后弹性变形部分恢复而发生回弹现象。覆盖件的回弹严重影响产品的尺寸精度和表面质量，因而需要对产品回弹进行预测并加以控制。目前主要用有限元法对成形后的回弹进行研究。
回弹量的大小与材料的屈服强度、厚向异性系数成正比，与材料的弹性模量和硬化指数成反比。减小模具间间隙可以减小板料成形后的回弹量。随着压边力减小和凸模的圆角半径增大，回弹角增大。随着摩擦系数增大，回弹量减小。板料的厚度对成形后产品的回弹也有一定影响，板料厚度增加，成形后其回弹量减小。通过对各因素的正交分析发现，在相同的成形条件下，材料参数对回弹的影响最大，摩擦系数次之，压边力再次之，板料的厚度影响最小。
模型中板材本构方程采用基于更新拉格朗日弹塑性的材料模型，卸载过程采用模具反向运动方法。对有限元敏感度分析发现，回弹大小和整体精度受到元素大小、积分点和屈服准则的影响很大。将模拟结果与试验对比分析，发现二者较好吻合。通过有限元分析得到了一个优化的模型，提供了一个更加精确的方法。
4、结语
铝合金板材用于汽车车身，既有明显的轻量化和节能效果，又符合安全环保及汽车用材的发展趋势。近年来，研究者对铝合金汽车板生产的关键环节进行了大量研究，为推动铝合金板材在汽车车身上的广泛应用打下了坚实基础。铝合金微合金化方面，着重研究5000 系和6000 系典型牌号材料中控制合金成分及含量对材料性能的影响规律，并探索铝板性能与热处理工艺的耦合关系；热处理方面以6000 系的固溶和时效组合工艺为研究重点。此外，在应用端为解决铝合金板材冲压成形缺陷，一方面通过开发新的工艺以适应材料的性能和零部件的功能，另一方面采用试验和仿真相结合的方式研究回弹、开裂的成因，在高精度材料模型的基础上，提出缺陷改善及控制措施。
总体而言，铝合金板材已广泛应用于覆盖件，在铝合金板材生产方面也实现了国产化。上海国际铝工业展览会小编觉得，在未来的发展中，研究的重点仍将围绕材料的成分设计和生产工艺的匹配方面，以实现性能稳定、优良的板材的稳定化生产。
文章来源：汽车材料网