6000系鋁合金短時效在汽車制造中的不利影響及應(yīng)對策略

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(yīng)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(rèn)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(yīng)商引入以及國產(chǎn)化鋁板認(rèn)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(dǎo)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(yán)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(rèn)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(yīng)用從奧迪車型如Q5等開始，后隨各項設(shè)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(jī)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(yīng)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(yīng)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(jī)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(shè)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(dǎo)致鋁板機(jī)械性能等方面的變化，進(jìn)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(jī)廠提出的材料標(biāo)準(zhǔn)，要求供應(yīng)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(yīng)策略

T4狀態(tài)的6000系列鋁合金由于其機(jī)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(dǎo)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(fù)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(jìn)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(jìn)行。

為保障沖壓生產(chǎn)順利進(jìn)行，減小時效期鋁板性能變化的影響，汽車廠應(yīng)盡量提高模具的成形裕度，以適應(yīng)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(shè)計方面，雖然各種模具結(jié)構(gòu)設(shè)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(dá)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(yīng)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(jìn)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(shè)計或減少沖壓時材料的預(yù)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(shè)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(shè)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(jìn)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(yīng)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(dāng)溫度過高，如海運溫度超過45℃時，建議供應(yīng)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(jìn)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(fù)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(dǎo)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(yīng)商提供的6000系鋁合金在化學(xué)成分、合金配比、制造工藝、材料機(jī)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(yīng)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(xué)成分比較如圖3所示。

圖3 不同廠家及不同合金的化學(xué)成分比較

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

圖4 變換供應(yīng)商進(jìn)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(jìn)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(yīng)商也應(yīng)與客戶建立嚴(yán)格的預(yù)警機(jī)制，對倉儲時間過長的材料進(jìn)行預(yù)警和提醒使用。此外，鋁板的近地和國產(chǎn)化供應(yīng)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(yīng)從兩點著手開展研究：

⑴鋁板供應(yīng)商進(jìn)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(yīng)商提供設(shè)備和工藝，保障鋁合金在卷料狀態(tài)下，可重新回到鋁廠進(jìn)行再處理，從而將材料性能恢復(fù)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(jī)械性能的恢復(fù)；二是材料表面狀態(tài)的恢復(fù)，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(yù)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(yīng)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(jìn)行再次熱處理恢復(fù)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(yīng)用起到極大的促進(jìn)作用。