从Tesla汽车所联想学习到的事情 III —— 铝合金车身的发展

产品材料选用与材料性能、加工难易、技术发展水平及市场需求多方面因素有关，不同时期上述各因素的组合或竞争的结果并不同。铝合金这种材料“一轻压百丑”，随着时代的发展，其在小汽车上的应用是逐渐增多的。我们上篇文章介绍过，铝合金先占领的是动力系统，从发动机到水箱都是铝合金的天下。对于车身来说，在汽车和铝生产的早期，汽车白车身的铝板应用就一直在使用。然而，在大规模生产和低成本优先的时代，铝合金一般只存在于不差钱的车身，如轿跑车，随着技术水平进步和能源危机及环保意识的增加，铝合金进一步渗透到豪华轿车，或轻量化节能车型上，今年Tesla的Model Y已经降到30万元人民币，铝合金会越来越多出现在普通百姓身边的轿车上。

本文从铝合金车身发展过程中，选取几个重要的节点，希望通过本文的介绍，使您更加深入的理解材料性能、加工能力及成本、结构设计技术，及市场需求等因素综合作用下，铝合金的车身的发展过程。

1. 薄板密集型铝车身结构

2. 焊接---铝材应用的痛点及其他连接技术的出现

3. 挤压件及铸件比例提升

4. 一体化压铸扬长避短

01薄板密集型铝车身结构

1925年，在整体式车身结构的基础上发明了承载式车身，车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型覆盖件组成。50年代~70年代承载式轿车车身得到广泛的应用并出现了“车身力学”这一新概念，为轿车车身设计开发研究建立了较为完整的框架。

此种车身设计理念也惯性应用到其他材料上，如铝合金。Panhard Z1可以作为第一个例子。系列生产开始于1953年，使用EN AW-5754 (AlMg3)合金板材。

在上世纪80年代早期，开发出了几辆铝制概念车，通常只是用铝合金板取代现有的汽车模型中的钢板。例如，1981年在法兰克福车展上展出了一辆全铝车身的保时捷928跑车。铝体是与Alusuisse联合开发的，使用Anticorodal®- 120 (EN AW-6016)合金板(封闭厚度1.2 mm，结构厚度2.5 mm)建造。铝车身的重量为161公斤，与钢车身相比减轻了106公斤。不久之后，奥迪再次开始深入研究铝，后来基于奥迪100的铝制车身被开发出来。

本田1989年推出的全铝车身讴歌NSX。本田讴歌NSX是一款高性能双座跑车，手工组装，生产数量非常少。它采用了重达163公斤的全铝单体车身，并在框架和悬挂中加入了一些挤压铝型材。仅车身采用铝材料就比钢制车身减轻了近200公斤的重量，而铝合金悬架则额外减轻了20公斤。外部有专门的油漆工艺，包括用于化学保护铝机身的飞机型铬酸盐涂层。车身结构采用高强度铝合金和特殊的建造技术，使其比同类钢车身更坚固，但重量轻40%。采用点焊和MIG点焊相结合的方法将结构连接在一起。

上世纪90年代初，加拿大铝业公司(Alcan Aluminum Ltd.)与福特(Ford)合作开发了一款铝密集型汽车。随后，福特根据金牛座(Taurus)量产中型轿车的设计和机械部件，组建了一支40辆的测试车队。P2000采用了与传统钢机身类似的冲压铝制一体机身，但它采用了先进的设计和制造技术来实现坚固和安全的结构。例如，前面的减震塔是铝铸件，替代更重、复杂和昂贵的三件冲压铝组件。P2000还采用环氧胶粘剂连接接，以提高刚性。这款白色车身的质量为182公斤，而传统的钢制车身的质量为398公斤。总体而言，P2000由约332公斤的铝以及大量的镁和塑料制成，总重量约为907公斤(而金牛座的钢制车生产重量为1505公斤)。

02

焊接---铝材应用的痛点及其他连接技术的出现

承重式车身结构的实现需要大量的连接。连接接点的性能对整个结构的整体性能具有显著的影响，包括全局刚度、NVH(噪声、振动、刚度)和可燃性。铝和钢设计中最重要的区别是通用的连接技术。与钢相比，铝合金具有高的导电和导热性，并相应的低电阻。当电阻点焊接技术，传统上应用于钢，当应用于铝时，焊接电流必须显著提高。因此，传统的铝电阻点焊证明是能源密集型、不可靠并且昂贵的，需要特殊的焊接设备，在焊接前严格的表面准备，频繁的电极清洗等等。虽然这些问题的适当解决方案已经开发，但铝的电阻点焊仍是不容易，如一个现实的问题是电极寿命较低。

为更好的发展铝合金在车身上的应用，促进汽车轻量化发展，业界人员开发了不同的连接方法，可适用铝合金，铝钢及铝与不同轻量化材质不同接头形式的连接，这些方法有点焊、螺柱焊、凸焊、MAG、MIG、远程激光焊、激光钎焊、SPR、铆接、包边、螺接、FDS、胶接等等。新一代奥迪A8车身的连接方式达到了14种，其中包括MIG焊、远程激光焊等8种热连接技术和冲铆连接、卷边连接等6种冷连接技术。

对于铝合金汽车车身建造，一个非常重要的突破是发展了机械连接技术，特别是在装配厂的铆接和自冲铆接工艺的应用。但在实践中，铆接一般仅限于非承载接头，自冲铆接(SPRs)也适用于结构部件的加入。机械连接方法比电阻点焊更节能，可高度自动化。

此外，产生的SPR接头比焊接的铝接头具有较好的疲劳强度性能。自冲铆接也适用于混合材料接头(只要两种材料都有较好的韧性)，经常与胶粘剂结合在一起。下面视频形象的显示出自冲铆接连接的工艺过程。

视频 1 铝合金自冲铆接(Photos: Böllhoff)

铝体设计的另一个重要的连接技术是胶粘剂。采用热固化的环氧胶粘剂，可显著提高接点性能。通常，粘接键被设计成线性形式。这样的接头表现出优异的刚度和疲劳特性，但通常应与点焊、铆接或其他机械紧固方法一起使用，以提高在大变形(即在碰撞过程中)剥离阻力。此外，表面预处理对于胶接接头的长期耐久性也是必要的。

MIG焊接通常适用于结构铝部件的连接(挤压件、铸件和厚板(> 2 mm)。这也是激光焊接的用武之地，尽管激光焊接也可以用于薄板。在特殊的应用中，也可以有效地应用摩擦搅拌焊。

摩擦塞铆焊也是一种铝合金连接工艺，特别适用异种连接间的连接。摩擦塞铆焊作为一种少有的可以直接连接铝合金（如6061）和高强钢（热成形硼钢22MnB5）的新工艺，主要优点是无需预开孔；连接强度高，可相应减少铆钉的数量；可以与结构胶配合使用。

摩擦塞铆焊EJOWELD是一种利用“元件”的高速旋转穿透上板板料（如铝合金）并熔化下层板料（如22MnB5硼钢），并在压力的作用下，完成“元件”（钢质）与下层板料的焊接，从而形成稳固结合的一种新型连接技术。目前唯一供应商为毅结特EJOT，其称之为摩擦塞铆焊（EJOWELD）；奥迪作为目前唯一使用的主机厂，将此工艺称为Friction Element Welding（简称FEW）；

热熔自攻螺钉连接技术，也是铝合金车身常用的连接技术，又称流钻螺钉（Flow Drill Srew，FDS）技术，其原理是利用螺钉的高速旋转产生的热量熔化母材，增加压力打穿母材并在母材上制作螺纹，使两层或多层板料固定在一起。

03

挤压件及铸件比例提升

与钢车身结构相似的设计和制造原理可以应用于实现全铝车身。然而，简单的材料替代并不总是能带来结果的最优化。在技术上和经济上有前景的铝车身概念是铝导向的设计理念和相应的制造技术共同作用的结果。

在一文中我们介绍过，铝合金的比强度要较钢低的多，并且铝合金的焊接也不如钢板焊接容易，所以，铝合金的钢板密集型设计虽可实现较大的减重，但结构的强度及刚度并不好。

铝合金塑性好，熔点低，比较适合挤压成型和铸造成型，具有不同截面特点的挤压型材及带有加强筋的铸造结构件可以按设计要求增强结构强度及刚度，之后可以按需选择合适的连接方式将挤压件、铸件和板材冲压件连接起来，形成一个整体的车身结构，从而得到了较好的抗扭强度。

板材密集型铝合金车身之后，随着技术的进步，铝合金车身结构中挤压件及铸件的比例逐渐增加，下面以两个承载式车身为例，但二者的车身结构设计理念不同，一个可以说是单壳结构（Monocoque)，另一个是空间框架结构（ASF），来看看铝合金车身的发展。

3.1 捷豹的轻量化汽车技术

3.1.1 捷豹XJ (X350)

2003年，捷豹XJ (X350)的铝制车身在工业上取得了突破。这是一辆使用全铝“单壳”结构的量产车。它的设计和制造概念被认为适合大批量生产(每年10万辆)。

X350车身结构由273个铝板冲压件、22个挤压铝部件和15个铝铸件组成。

车身结构首次在工业上使用了铆钉连接技术，使用自冲铆钉和环氧结构粘合剂将铝压铸件、铸件和挤压件连接在一起。尽管这款新车比前一款更长、更高、更宽，为所有乘客提供了更好的头部空间、腿部空间和肩部空间，铝的广泛使用使新XJ比它所取代的车型轻了200公斤。除了比之前的XJ轻40%之外，新车的车身外壳硬度提高了60%，在车身强度和驾驶性能方面提供了宝贵的改进。

3.1.2 Jaguar XJ (351)

后续型号(X351)的生产开始于2009年底，并在2010年首次交付。新的XJ车型，捷豹进一步发展了轻量化汽车技术。然而，不同铝产品形式的比例保持不变:冲压件占89%，铸件占4%，挤压件占6%，其他占1%(按零件计数)。

与以前的型号相比，零件数量和自穿铆钉的数量减少了，说明部件的集成度更高了，一个有趣的新组件是高强度、预弯曲和液压成形的A柱，采用铝挤压组件制造(合金EN AW-6082-T6)。另一方面，X350的铝制前端，原由13个部件焊接而成，被单一的镁铸造所取代。

铝铸件用于关键区域具有复杂几何形状的部件，增加高载荷区域的刚度，特别是实现部件更高的集成化(即降低成本)，并减少多片板堆叠问题。高强度铝型材主要用于减少重量和满足结构要求。采用螺栓连接冲撞盒，以方便维修。铝型材和铸件都是通过自冲铆接连接到其他部件上的。

在新XJ，胶接和铆接铝单体车身结构的概念被进一步细化。自冲铆钉和粘接是主要的连接技术。虽然新XJ更大，满足了更高的要求，但自穿铆钉的数量减少了11%，至2840个(相比之下，同等质量的钢车身需要5000个点焊)。另一方面，胶粘剂的长度增加了50%，达到154米。此外，装配厂也不再需要MIG焊接。

3.1.3 Jaguar XK

2006年，捷豹推出了新款XK，一款专为长途驾驶设计的高性能豪华汽车(grand tourer)。它可作为双门轿跑和双门敞篷车/敞篷车。第二代XK有一个与XJ轿车类似的铝单壳体的身体外壳。然而，XK需要一个适当调整的解决方案，因为对于轿跑来说，没有车顶的版本也是可以预见的，结构设计限制更加严格。

新XK将轻量化汽车的概念更进一步，扩展了轻质铝铸件和挤压件以及冲压铝板的使用。

轻重量车辆技术的一个优点是，所有必要的刚度都在车身外壳的结构中实现，具有非常大的矩形截面侧梁。额外的挤压和铸件的引入有助于适应轿跑车的结构要求。在XK中，42铝型材用于主要受载路径。例如，从A柱到汽车后部的整个侧槛是一个厚度为8 ~ 10毫米的单一铝挤压。因此，没有必要在许多其他敞篷车上看到传统的额外加强面板。

一个主要的刚度贡献也是由于结构铸件数量的增加。发动机、变速器和悬架的安装点都采用了特殊的铸件，以使这些点变得更加坚固，进一步降低传递噪声，并有助于改善悬架动力学。与XJ轿车(X350)相比，铸件的份额从4%增加到8%，挤出件的份额从7%增加到16%(按零件计数)。

在新XK轿跑车车身上只有一个焊接接头，这是车顶上一个相当“装饰性”的接头。新XK壳体中的所有其他接头都是使用铆接和粘合的组合方式形成的。环氧树脂粘接和铆接技术的应用产生了非常坚硬，但也很轻的底盘。在轿跑版本，它的刚性比上一代钢模型超过30%。在敞篷版中，扭转刚度实际上增加了50%。

自穿铆钉和粘接仍然是主要的连接技术。然而，一个重要的变化是引入了用于重型接头(挤压件和铸件)的2K粘合剂。对于板材接头，可以使用与XJ轿车相同的1K粘合剂。

表 1 捷豹XJ 与XK车型部件数量对比

3.2 奥迪Space Frame技术

奥迪空间框架是一个骨架结构，主要由封闭截面的铝型材组成。铝型材可以是直的或弯曲的(2D或3D弯曲)。如有必要，还可以应用具有特定截面设计的多孔挤压件。在高应力角和其他接连接处，框架通常由真空高压压铸生产的复杂薄壁铝节点连接。根据应用的不同，也使用更大、多功能的铸件。

挤压工艺和压力压铸技术都是最适合铝的制造方法。它们允许组件的生产，可以适当地适应形状和壁厚，以满足局部变化的加载条件。

空间框架车身概念充分利用了高度部件集成的可能性(即潜在的制造和模具成本降低)，并允许重量减轻40%以上。

虽然生产高质量的结构压铸件以及成形和加工挤压件相对昂贵，但与纯钣金车身设计概念相比，中小批量生产可以节省相当大的总成本。但空间框架结构也采用了相当大比例的成形钣金部件。特别是安装在车架元件之间的薄板元件是车身结构整体刚性的最重要的先决条件。

下面以奥迪A8为例，看看一代到三代产品的不同，我们可从中看出一些铝合金车身发展端倪。

视频 6 奥迪A8 空间框架技术

3.2.1 奥迪A8 (D2)

奥迪A8 (D2)从1994年到2002年生产。它的铝制车身重量为249公斤(白车身加上车身盖)，比同类钢车身轻约200公斤。它由334个零件组成(47个挤压件(14%)，50个铸件(15%)和237个冲压件(71%))。与钢结构相比，单个车身元件的数量大幅减少(约25%)，节省了工具、工作空间和成本。

第一代奥迪空间框架包括大量的2D和3D弯曲挤压件(合金EN AW-6060)。车身外板采用了铝合金antiorodal®-120 (EN AW-6016)，内板采用EN AW-6009，结构板采用EN AW-5182。应用的铸造合金为A356。

第一辆A8 (D2)车型的铝车身生产的特点是自动化程度低。大约75%的组装是手工完成的。通过MIG焊接实现与铸造节点的连接，用于公差补偿。

3.2.2 奥迪A2

奥迪A2于1999年开始大批量生产，这是第一款全铝车身的迷你车。奥迪A2车身的开发合作伙伴是Algroup Alusuisse(后来改名为加拿大铝业)。A2铝制车身的重量仅为153公斤，比可比的传统钢车身轻43%。

第二代奥迪空间框架车型包括60%的板材，22%的铸件和18%的挤压件(按重量计算)。它是为比A8更高的产量而设计的，采用了重要的改进和在工具、铸造和连接工艺领域的新发展。与A8相比，单个部件的数量显著减少(从334个零件增加到225个零件):

• 冲压件:183 (81%)
• 挤压:22 (10%)
• 铸件:20件(9%)

这是通过将各种组件组合成更大的构件来实现的，在大多数情况下，是分段或多功能铸件。

例如，A2的侧壁框架是单件的，B柱由单个大型铸件组成，而豪华轿车A8的B柱由8个部件组装而成。同时，重量可以从4.18公斤减少到2.3公斤(尽管A2的B柱略长)。

严格控制的真空高压压铸工艺(high - q - cast®)的应用确保了铸造组件可以通过激光和MIG焊接正确地焊接到板材和挤压件上。也可使用MIG增强激光焊接技术将多个压铸件焊接在一起，得到复杂形状的抗碰撞薄壁铸件。

大多数挤压体部件是液压成形的，确保了直线和弯曲轮廓的紧密几何公差。但液压成形工艺不仅使成型件具有窄几何公差。此外，横向顶板框架的液压成形过程中还可以集成穿孔、冲压、长切和法兰切割操作，如下图所示。合金EN AW-6014被用于所有的挤压。

3.2.3 奥迪A8 (D3)

第二代奥迪A8 (D3)于2002年开始生产。基于A2的经验，与之前的A8相比，车身部件数量减少，生产过程的自动化程度显著提高。

具体设计特点包括多功能大型铸件，长连续型材和高比例的挤压截面件。与前代车型相比，新A8采用了包括后部结构在内的连续空间框架。这导致板材在空间框架中的份额从55%减少到37%(按重量计)，而铸件的份额增加到34%，型材的份额增加到29%。

D3的全铝机身(白机身加上封闭件)的重量为277公斤。板材合金采用A2 (antiorodal®-120 PX (EN AW-6016)用于车身外板，Ecodal®-608 (EN AW-6181A)用于内部和结构板)。挤压部件采用类似于EN AW- 6060的AlMgSi合金。如有必要，可在数控拉伸和滚压机上对挤压截面进行弯曲。当需要接近公差(±0.3 mm)时，通过液压成形(11个不同部件)对半成品进行校准和成型。此外，作为一种低成本的技术，A8还首次采用了机械校准。

而对于薄板和挤压部件，使用了A2证明的生产技术，除了熟悉的真空高压压铸方法外，首次使用了绿砂铸造。用于砂型铸造的合金有GD-AlSi10Mg、GD-AlMg3Mn和AlSi7Mg。D3中使用的多功能大型铸件是A2中使用的铸件的系统改进版本。特别注意功能的一体化和减少零件的数目。

表2 第一代奥迪与第二代奥迪A8部件对比

D3车型的系列生产，对之前A8采用的连接技术(MIG焊接和自穿铆接)，以及A2引入的激光焊接技术进行了进一步优化。此外，首次使用了激光混合焊接，利用了MIG和激光焊接的优点，同时实现了更高的加工速度。MIG焊接主要用于连接单个挤压件或压铸件，以及将挤压件与铸件连接。激光焊接主要用于大面积面板与车身结构的连接。由于焊接入口只需要从一侧，面板也可以连接到空心挤压件或铸件。使用功率为4kw的Nd:YAG固体激光器。由于AlMgSi合金组特有的热撕裂倾向，D3奥迪空间框架中的所有焊缝都添加了焊丝可很好的避免焊缝的热裂纹。

表 3 第一代奥迪与第二代A8连接形式对比

自冲铆钉技术被广泛应用于车身结构的生产。各种合金的薄板、挤压型材和压铸件需要连接在一起，以产生2.0至6.0 mm的整体材料厚度。只用三种相同硬度的不同几何形状铆钉用于大约100种不同的材料和材料厚度组合的连接。还有17米的结构胶粘接。门和盖子上的内外面板通过辊压翻边连接，并借助机器人手持工具进行粘接。该方法的优点是时间短，灵活性高，折叠质量和外观更好。胶粘剂的预硬化是通过整体感应加热来实现的。

3.2.4 奥迪A8 (D4)

第三代奥迪A8 (D4)于2009年底推出。D4车型延续了奥迪在铝制车身设计和制造方面的领先地位。一个重要的成就是与D3车型相比，该车型的静态抗扭刚度提高了25%，同时重量减轻，从而提高了油耗、更好的操控性和被动安全性的基准水平。

这款标准轴距轿车的车身仅重231公斤；长轴距车型多10公斤。在D4的开发过程中，总体目标是始终如一的白车身轻量化设计和最高功能的结构优化。一些具体的例子:-

• 新的车门设计概念使车辆重量减少了11公斤。
• 备用轮舱由60%玻璃纤维增强塑料制成。
• 前端选择了一体化塑料/铝混合解决方案。
• 部分成形硬化钢构件集成到铝体(B柱)中。

奥迪空间框架技术的进一步发展，使得白车身的零件数量不断减少:

• D2: 334个零件
• D3: 267个零件
• D4: 243个零件

D4的白车身包含:

• 144个铝板零件
• 钢板零件33个
• 25个铝铸件
• 30铝型材

另一方面，应用铝合金的数量增加(以及它们的屈服强度水平):

• D2: 7个合金，100 - 200 Mpa
• D3: 10种合金，120 - 240 Mpa
• D4: 13种合金，120 - 280 MPa。

此外，车体结构所需的连接量也可以减少。此外，热连接被冷连接技术所取代。例如，新引进的“热熔自攻螺钉”取代了近40米的MIG焊接。D4生产中采用的连接技术有:

• 1847自冲铆钉
• 25m MIG焊接
• 6m激光焊接
• 632个热熔自攻螺钉
• 202点焊
• 44m结构胶接

此外，大型、多功能结构铝铸件的趋势也随之而来。后纵梁包括一个大型铸件(长度1.45米)，是使用Castasil®-37合金(AlSi9MnMoZr)的高压压铸，在铸造状态下提供非常高的伸长率。

通过捷豹及奥迪空间框架铝车身的介绍，我们很容易看出，随着技术的发展，挤压件、铸件在车身中的重量比例是有所增加，但可能数量并不增加，说明挤压或铸造部件的集成化程度越来越高，即原来是两个或多个部件现在集成化为一个更大的部件，这样可带来显而易见的好处：

• 连接量更少，
• 结构强度或刚度更好
• 尺寸精度也易实现
• 加工效率高
• 成本降低

04

一体化压铸扬长避短

铸造组件具有特定的传递不同方向应力的优势，并允许根据负载变化合理分布局部壁厚。因此，有可能在需要的地方合并更大的刚性区域。通过奥迪A8第一代至第三代铸件的变化，可以明显看出此种技术发展。特斯拉则更加极限化这种发展，Model Y后地板通过一体压铸技术，将原先通过冲压等工艺生产的80个零件集成为1个铸造零件，极大的减化了装配流程，也不再需要原来那么多工作人员，使制造成本降低40%。今年，中国Model Y的价格已降到了30万人民币以内，毋庸置疑一体化压铸技术是降价背后的主要推动之一。

视频 7 Tesla一体化压铸

正如上节所述，结构模块的集成化、一体化设计，可采用更少的接点实现更高强度及刚度，同时易保证结构尺寸形位精度，可极大的提高加工效率同时降低成本，这是产品生产都在极力追求的事情，所以各家车厂及构件供应企业都迅速响应开发并应用铝合金一体化压铸技术。可以相像，一体化压铸技术一定会极大的促进铝合金在轿车上的应用。

大众计划在SSP平台开始应用一体压铸，根据online EV报道，2022年5月，大众汽车一体式铝压铸后车身样件在卡塞尔工厂下线，该样件采用4400T压铸机生产，集成了约30多个零件，减重约10kg。

根据auto-evolution消息，沃尔沃宣布投资200亿瑞典克朗对旗下托斯兰达工厂进行现代化改造，其中包括一体化压铸技术。也将在托斯兰达建立年产能达5.5万吨铸铝厂，最终计划在所有旗下工厂引入一体压铸技术，预计在2025年实现一体压铸汽车量产。

2022年1月，奔驰发布全新概念车VISION EQXX。车身的后部及前部减震塔顶应用了和特斯拉同样的仿生工程结构部件，整个车身由3块组成：前后分别有一块一体压铸铸件，中间有一套结构电池组。这样的设计可减轻车身15-20%的重量，VISION EQXX能耗达到10kw·h/百公里以下，实际用电里程超过1000KM。

国内新势力中，2021年10月，蔚来宣布成功开发了可用于制造大型压铸件的免热处理材料，将会应用在蔚来第二代平台车型上。2021年12月，蔚来在ET5发布会上正式宣布将开始采用一体铸造工艺，ET5将使用超高强度钢铝混合车身，使车身后地板重量降低30%，后备箱空间增加7L，整车抗扭刚度高达34000N·m/deg。

在2021年业绩发布会上，小鹏宣布将于2023年发布两个新平台及其首款车型，并将使用超大一体化压铸新工艺。

铝合金一体化压铸的详细信息会在后续文章进行进一步介绍。

参考文献

1. THE Aluminium Automotive MANUAL, European Aluminium Association

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