文/張曉蕾，郎慶東，高志純·一汽-大眾汽車有限公司

6000系鋁合金短時效在汽車制造中的不利影響及應對策略

文/張曉蕾，郎慶東，高志純·一汽-大眾汽車有限公司

張曉蕾，材料規(guī)劃主管，主要從事汽車車身材料技術(shù)管理規(guī)劃、材料認證等相關(guān)工作（包括鋼板與鋁板），完成了一汽-大眾的鋁板供應商引入以及國產(chǎn)化鋁板認證等工作，獲得一汽-大眾材料降成本TOP C獎勵以及MKR優(yōu)秀項目獎。

本文通過分析和解決白車身生產(chǎn)制造過程中鋁板的自然時效帶來的材料沖壓成形、包邊性能等變差的一系列問題，并提出未來解決6000系鋁合金自然時效不利影響的可行性方案，這對未來汽車制造商解決生產(chǎn)難題具有指導性意義。

一汽-大眾車身鋁板使用情況介紹

如今，氣候變化、能源消耗等問題日益嚴重，這些問題給汽車工業(yè)的發(fā)展帶來了巨大壓力，車身輕量化的需求變得越來越迫切。在眾多的輕量化方法中，使用如鋁材這種輕質(zhì)化材料是一種被普遍采用或希望采用的解決方法，并被認為是目前相對有效且性價比較高的解決方案。

一汽-大眾外覆蓋件鋁板方面的應用從奧迪車型如Q5等開始，后隨各項設備、生產(chǎn)工藝的逐步完善，于2010年正式開始實現(xiàn)汽車覆蓋件鋁板零件的國產(chǎn)化工作。目前，一汽-大眾工廠可完成鋁卷的開卷剪切、沖壓、焊接及涂裝等工藝，成為國內(nèi)鋁板材料年使用量最大的汽車制造商。

一汽-大眾奧迪各車型上的鋁板沖壓件主要分布在發(fā)動機罩總成、行李廂蓋總成、門總成、翼子板及部分結(jié)構(gòu)件。廠內(nèi)制造零件只采用6000系鋁合金，供貨狀態(tài)為T4（即鋁合金固溶熱處理后自然時效至基本穩(wěn)定的一種狀態(tài)）。鋁合金的廣泛應用使總成各部件的重量降低了35%～50%，有效地實現(xiàn)了車身的輕量化。有的車型因大量采用鋁合金件，百公里油耗降低約15%。

6000系鋁合金時效特征

6000系鋁合金材料為Al-Mg-Si合金，其主要應用于對成形及外觀質(zhì)量要求較高的零部件中，最大的特點之一為：熱處理之后，材料會在人為或自然的作用下，隨著時間變化而發(fā)生變化，材料強度增加，而材料塑性下降，即所謂的自然時效和人工時效。其時效產(chǎn)生的機理為6000系鋁合金固溶熱處理之后，鋁合金中過飽和固溶體中析出相彌散并聚集長大的晶粒產(chǎn)生的強化作用。

汽車廠將鋁板沖壓后，再經(jīng)過專業(yè)工藝設計的涂裝合理烘烤之后借由人工時效（時效強化），鋁制零件強度可提高100多兆帕，滿足了車身覆蓋件對板料強度的需求。

由于物流運輸、倉儲等原因給自然時效帶來影響，導致鋁板機械性能等方面的變化，進而對沖壓成形等產(chǎn)生影響，使得后續(xù)沖壓、焊裝過程中很容易產(chǎn)生一系列問題，這是制造過程中需要克服的一項重大難題，也是汽車制造商亟需解決和關(guān)注的重點問題。

6000系鋁合金主要材料性能隨著時間的變化規(guī)律可以通過試驗證明：材料屈服強度、抗拉強度都會隨時間而增長，而延伸率、n值、r值隨時間變化不明顯，但材料的包邊性能下降較大。

針對主機廠提出的材料標準，要求供應商所提供的6000系鋁合金的材料性能保障生產(chǎn)品質(zhì)的時間至少為六個月。

生產(chǎn)制造過程中鋁合金時效帶來的影響及解決方法

沖壓不利影響分析及相應策略

T4狀態(tài)的6000系列鋁合金由于其機械性能變化區(qū)間較大，如屈服強度0～6個月變化范圍通常約為15～40MPa，材料成形性能差異很大，因而材料使用的階段不同，沖壓件品質(zhì)就會相差較大。甚至部分性能變化區(qū)間會超出模具的裕度，造成沖壓件開裂等質(zhì)量問題。同時，材料性能的變化會導致零件尺寸的波動，從而造成一系列零件匹配問題，甚至需要頻繁調(diào)整模具。具體狀態(tài)視零件的復雜程度、模具狀態(tài)而定。

圖1所示為轎車翼子板因材料性能波動產(chǎn)生的開裂，最終通過模具的可逆調(diào)整解決了問題。

在新車型調(diào)試階段，鑒于鋁合金的時效期問題，根據(jù)模具調(diào)試周期，一汽-大眾一般調(diào)試料會分2～3批次進行采購，并具體規(guī)定材料的熱處理時間，保障了新車型調(diào)試按期進行。

為保障沖壓生產(chǎn)順利進行，減小時效期鋁板性能變化的影響，汽車廠應盡量提高模具的成形裕度，以適應更寬范圍的材料性能變化，減少沖壓生產(chǎn)的敏感性和零件廢返品率。

在沖壓工藝設計方面，雖然各種模具結(jié)構(gòu)設計的原理沒有太大區(qū)別，但是鋁合金沖裁間隙較鋼板大；模具圓角比鋼件大；回彈控制方面難度較大，技術(shù)要求高；鋁制模具對表面的要求更高。一汽-大眾通過系統(tǒng)的沖壓工藝策略，使鋁件達到幾乎與鋼件相同的生產(chǎn)穩(wěn)定性。

焊裝不利影響分析及相應策略

6000系鋁合金時效期內(nèi)材料性能變化對焊裝工藝的影響主要有兩個方面：

⑴包邊性能。

根據(jù)包邊性能試驗的結(jié)果顯示，鋁合金包邊性能隨時間變化逐漸變差。在實際生產(chǎn)中，不同時間的鋁合金材料，在其他生產(chǎn)條件相同時，包邊狀態(tài)也會有不同。

圖1 翼子板沖壓開裂

圖2 發(fā)罩外板壓合開裂

圖2為發(fā)罩外板壓合開裂示意圖。鋁板材料經(jīng)過熱處理時間接近6個月后再進行生產(chǎn)時，發(fā)罩外板的包邊就發(fā)生了大范圍的邊部開裂。更換其他材料后，邊部開裂消失。

鋁合金自然時效的效果對零件的包邊狀態(tài)影響很大，但并不是唯一決定最終零件狀態(tài)的因素。通過合理的包邊工藝設計或減少沖壓時材料的預變形可以有效減少鋁板在時效期對零件包邊的影響。

在包邊壓合設計時，盡量不要使壓合角過于尖銳或變形量過大；在包邊壓合工藝方面，可以降低壓合速度、優(yōu)化壓合模具或者滾邊壓合的工藝；必要時，可以提升材料的變形能力，如采用包邊性能優(yōu)化的材料，即在車身設計時，對有包邊要求的零件，選用包邊系數(shù)小的鋁合金，等到壓合時零件就不容易開裂。

⑵零件尺寸。

鋁合金的連接方式除了包邊壓合之外，還有激光焊、鉚接、粘膠等其他焊接方式。其中，激光焊工藝對零件的尺寸精度要求極高。由于自然時效使鋁板性能波動從而造成零件尺寸波動時，對總成激光焊質(zhì)量也會產(chǎn)生影響。實際生產(chǎn)時，汽車廠需要采用有效的檢測和監(jiān)控方法來對批量焊接質(zhì)量進行控制，以保障正常連接強度和剛度。

溫度對鋁合金時效期的影響及策略

試驗證明，鋁合金的時效反應與溫度的關(guān)系也極大，溫度越高，材料性能變差得越快，對生產(chǎn)越不利。因此在必要時，當溫度過高，如海運溫度超過45℃時，建議供應商采用恒溫冷藏運輸。在南方夏季溫度過高的環(huán)境下，對鋁板進行恒溫倉儲（最有利于保障鋁合金成形性能的適宜溫度為15～20℃）。該措施實施后，經(jīng)反復試驗證明在很大程度上緩解了鋁合金自然時效性能加速變差而導致的質(zhì)量問題。

其他不利影響分析

經(jīng)過專業(yè)分析和試驗，鋁合金時效對其他工藝影響較小。如對于涂裝，通過對油漆附著力、耐腐蝕性能等試驗，發(fā)現(xiàn)即使對超過6個月時效期的材料試驗時仍然滿足要求。一汽-大眾各企業(yè)也在持續(xù)積累相關(guān)方面的經(jīng)驗。

另外，目前不同的供應商提供的6000系鋁合金在化學成分、合金配比、制造工藝、材料機械性能等方面的差異較大，其時效期的特點和變化范圍也不同。因而在選擇供應商時，要充分考慮其差異性。可能的影響包括沖壓、焊裝、涂裝等。不同廠家及不同合金的化學成分比較如圖3所示。

圖3 不同廠家及不同合金的化學成分比較

圖4為鋁板供應商變換時，進行零件試沖之前采用新供應商材料數(shù)據(jù)進行的網(wǎng)格試驗分析，對試沖工作提供理論指導。

圖4 變換供應商進行網(wǎng)格試驗

鋁板自然時效對汽車廠生產(chǎn)管理效率也提出了較高的要求，諸如有效的物流組織、更短的倉儲周期以及先進先出庫存管理方面。這些都需要汽車廠盡量優(yōu)化，材料供應商也應與客戶建立嚴格的預警機制，對倉儲時間過長的材料進行預警和提醒使用。此外，鋁板的近地和國產(chǎn)化供應也是有效的方法之一。

未來鋁板時效期問題解決的思考

鋁合金自然時效對白車身生產(chǎn)制造的不利影響是使用6000系鋁合金必然要面對和解決的問題，未來對材料方面應從兩點著手開展研究：

⑴鋁板供應商進一步研發(fā)新的鋁合金或通過新的鋁合金生產(chǎn)工藝，使鋁合金性能不隨著時間變化或變化較小，不會產(chǎn)生大的生產(chǎn)制造問題。

⑵鋁板供應商提供設備和工藝，保障鋁合金在卷料狀態(tài)下，可重新回到鋁廠進行再處理，從而將材料性能恢復到第一次熱處理時候的性能和狀態(tài)。

未來研究該方向需要解決大致三個問題：一是機械性能的恢復；二是材料表面狀態(tài)的恢復，包括固態(tài)潤滑劑的清除和二次涂覆以及對Ti/Cr涂層的處理；三是材料寬度在軋制過程中的變化對沖壓生產(chǎn)的影響。

結(jié)束語

隨著汽車輕量化需求日益加劇，鋁合金越來越受到青睞，但鋁合金的時效期問題為汽車制造商帶來了不少的技術(shù)困難和成本損失。如果汽車制造商能夠熟悉、提前預防并最大程度地減少鋁板時效期內(nèi)對材料品質(zhì)造成的影響，將為他們節(jié)省很多成本。若材料供應商能夠通過技術(shù)創(chuàng)新，使6000系鋁合金的自然時效性能變化減小或使鋁卷可回廠進行再次熱處理恢復至出廠時的T4熱處理狀態(tài)，勢必會從根本上解決鋁合金材料大規(guī)模用于車身制造之中產(chǎn)生的困難，這將對鋁合金大規(guī)模應用起到極大的促進作用。