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【太航金屬】汽車輕量化設(shè)計需靠大比例使用鋁合金來實現(xiàn)

說到汽車的全鋁車身，繞不開的特點就是“輕”，除了那些價格不菲的頂尖超跑會大量運用碳纖維外，汽車輕量化設(shè)計多半都是靠大比例使用鋁合金來實現(xiàn)的。

不過這不意味著鋁合金就便宜了，事實上全鋁車身還有另一個特點就是“貴”，這個不僅僅是材料本身的成本更高，還有門檻更高的制造工藝帶來的成本。所以能用全鋁車身的車型，或許到不了超跑的程度，但也是談不上什么“經(jīng)濟實惠”了。(例如當年奧迪的ASF全鋁車架也只在上代A8上面有應(yīng)用，往下的其他車型實在cover不了這個成本，而且最新一代A8也放棄“全鋁”的概念了，在他們覺得合適的地方也還是用上了高強度鋼)

然而上面兩條都只是鋁合金人盡皆知的特征罷了，細說起來遠不止這么簡單，并且全鋁車身的其他一些特點也都是和這倆特征密切相關(guān)的。

什么是全鋁車身?真的就是100%的鋁嗎?

應(yīng)該沒有還會把全鋁理解成純鋁的吧?其實全鋁車身這個概念，是指車身結(jié)構(gòu)部分主要是由鋁合金來制造，不僅僅允許部分非鋁制零件的存在，而且鋁在這里頭也是以合金形式出現(xiàn)的。

而鋁合金并不是指一種合金，實際上類別也挺多的，國際通行的規(guī)則是用一個四位數(shù)字加一個字母打頭的狀態(tài)代碼來區(qū)分鋁合金的種類，比如建筑行業(yè)常用的6063-T5，第一位數(shù)字是1就代表是純度高于99%的純鋁，2-8分別代表鋁和銅、錳、硅、鎂、鎂+硅、鋅和其他元素組成的合金，9是備用組。后面的數(shù)字主要用于區(qū)分，就不再贅述具體邏輯，總之每一種配方的鋁合金都有特有的標號，對應(yīng)特有的特性。目前汽車全鋁車身用到的主要是5系列和6系列，都屬于密度低，抗拉強度和抗疲勞性好的材料，可以在遠低于鋼材重量的情況下實現(xiàn)更高的強度，包括奧迪ASF全鋁車身等都廣泛應(yīng)用。另外2系列和7系列也也有少量應(yīng)用，2系銅鋁合金硬度較高，會用在一些車身鈑金件上;7系列主要應(yīng)用是航空和軍工領(lǐng)域，屬于超硬、耐腐蝕、耐磨損的材料，當然價格也很感人，國內(nèi)目前7系列鋁材主要依賴進口，不過前段時間蔚來發(fā)布的ES8白車身縱梁用到了7003鋁材。另外還有一些特別的鋁鑄件(HPDC)也有不少應(yīng)用。

搞清楚這些很多誤解也就不存在了，最起碼知道了“全鋁”并不等于“純鋁”。不同的鋁合金特性有所差別，但用在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的鋁合金都有一個共性就是高強度，他們的硬度與同規(guī)格的不銹鋼相比普遍更強，比如一般車身用的6系T4鋁合金在涂裝烘干后屈服強度在200Mpa以上了，而SPCC/DC04也就150-160Mpa。另外全鋁車身并非一個整體，會根據(jù)車身不同部位的受力情況分布不同種類的材料，一般會通過自沖鉚釘、激光焊接、膠接等方式連接，傳說中撞一下整個車身就廢的情況并不真實，可以通過專業(yè)工具把受損部分更換掉的，當然更貴是真的。

1.優(yōu)秀的輕量化效果。鋼的密度是7.8，而鋁的密度是2.7，傳統(tǒng)汽車中車身約占整車重量的30-40%，用高強度鋼替代普通鋼材能減重約11%，而如果采用鋁合金能減重約40%。鋁合金在一輛整車中能夠使用超過500kg，帶來的效果是整車重量能降低40%左右。比如2012年發(fā)布的第四代路虎攬勝是攬勝系列車型首次引入全鋁車身概念，這一代攬勝比第三代車型輕了39%，成功減重350kg。從車上一下減掉了五個成年男性的重量，全鋁車身輕量化好處是不言而喻的，從動力表現(xiàn)、燃油經(jīng)濟性到操控性能都會有很大提升。

2.提高車身強度，增加安全性。論絕對強度的話鋁合金會略遜于鋼板，但低密度讓鋁合金有更大的優(yōu)勢，同等強度鋼板和鋁合金，厚度比為1:1.4，而重量比僅1:0.5，就是說鋁合金僅需一半的重量便能達到同等強度。一般全鋁車身用的鋁合金板件要比普通低碳鋼厚0.2-0.5mm，通過增加厚度能實現(xiàn)比高強度鋼更高的車身鋼性和抗扭性能。

3.提升操控性。這一點是和前面兩點直接掛鉤的，輕量化能降低車身慣量，增加推重比，相同的動力水平下動力表現(xiàn)能有很大提升。而增加車身鋼性和抗扭性后，相當于車身增加了強化拉桿的效果，能給懸掛調(diào)校留出更充足的空間，提升車身極限。另外就是全鋁車身的車型一般也會在底盤懸掛方面進行一些優(yōu)化，例如很少鋁車身的車型擺臂會又用回鋼材的，而全鋁懸掛組件能減輕簧下質(zhì)量，對操控提升有一定幫助。

4.超強的抗腐蝕性能。鋁本身并不穩(wěn)定，很容易氧化。不過鋁氧化會在表面形成一層致密的氧化層，并且與基體牢固結(jié)合，穩(wěn)定性很高能對鋁基體形成嚴密的保護。并且在濕潤大氣環(huán)境下，這個保護層能夠增厚。不過也因為鋁的這種表面屬性以及導(dǎo)電性，全鋁車身的涂裝過程中也比較特別，電泳的槽液要經(jīng)常更換，成本會更高。

5.更好的可塑性。這一點也忍不住想提一下，鋁合金能塑造極美的車身曲面，比如捷豹C-Type、D-Type、以及“最美汽車”E-Type的鋁制車體，今天來看依然極富美感，而這種靈龍浮凸的曲面造型，在當時的技術(shù)來說，鋼材是極難做出來的。當然今天的沖壓、鈑金技術(shù)已經(jīng)可以讓鋼材呈現(xiàn)出復(fù)雜的曲面甚至是銳利無比的折角(奧迪是最好的代表)，不過還是有很多車出于設(shè)計考慮，在引擎蓋等位置選用鋁合金材質(zhì)，只是這已經(jīng)屬于車身覆蓋件的范疇了，和車體無關(guān)。

為什么在全鋁車身性能優(yōu)勢明顯占優(yōu)的情況下，今天市面上全鋁車身的占比不過1%?很簡單，貴仍然是主因。

一方面是純鋁的冶煉和鋁合金的加工成本都較鋼更高，鋁合金本身的價格較高;另一方面是加工工藝比較復(fù)雜，鋁合金在融化焊接過程中氧化鋁不溶阻礙填充金屬潤濕，會形成裂縫，需要通過攪拌摩擦焊接及激光熔纖焊等技術(shù)實現(xiàn)。而在不適合焊接的地方需要用到柳接和粘合劑連接。例如全鋁車身的捷豹XE全車需要2000多個柳釘，而粘合劑使用也需要對表面氧化層處理保證粘合效果，對環(huán)境要求較高，因而帶來較高成本。

一般一個全鋁車身會用到自沖鉚釘、熱融自攻螺釘、鋁電阻點焊、冷金屬焊接、激光焊接、膠接連接等幾種甚至全部工藝，生產(chǎn)流程的復(fù)雜性和自動化程度要求都遠高于傳統(tǒng)車身。

一個利好消息是電動車時代的到來可能會讓全鋁車身有大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)在政策的引導(dǎo)下，從傳統(tǒng)車企到新興的品牌都投入了電動車的行列，大量資金的投入讓這個趨勢已經(jīng)不可逆。在電動車上使用全鋁車身，車重降低10%，電耗可以降低5.5%，從而續(xù)航里程增加5.5%。而實現(xiàn)相同里程增量需要增加的電池成本遠高于此。因而相比燃油車輕量化并不可觀的節(jié)油效果，輕量化讓電動車增加的續(xù)航里程有意義的多。例如大眾e-Golf，通過使用全鋁車身成功減重187kg，而同時優(yōu)化電池配置后成本降低了635歐元：

目前市面上入門級的電動車續(xù)航里程普遍不高，更多的用于城市通勤。走高端化路線的寶馬i系列直接用上了碳纖維車身，底盤結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，已經(jīng)推出的i3和i8售價都比較感人。再有就是運用全鋁車身的特斯拉Model S/X和蔚來ES8，而更入門的Model 3已經(jīng)放棄了全鋁車身，采用成本更低的鋁/鋼混合材料。在可預(yù)見的未來，續(xù)航里程會長期是純電動車最重要的指標之一，鋁制車身帶來的數(shù)百公斤的減重必然會是定位高端的電動車十分看重的一點，而全鋁車身更大范圍的應(yīng)用或許能夠有助于這一技術(shù)降低成本，未來逐步下沉到更入門一些的車型。

總的來說，鋁合金材質(zhì)在性能層面表現(xiàn)是遠好過鋼材的，同等條件下全鋁車身能給車輛帶來安全性、操控性、燃油(耗電)經(jīng)濟性、耐久性等全方位的提升，問題就是成本仍然很高，所以非豪華車很少能用到全鋁車身。福特F-150用上全鋁車身算是很平民化的一次進步了，不過那是美國的平民車，在中國還是豪車。