泡沫铝技术在车身轻量化中的应用

吴海臣 夏文科 王新华 陈稳宏 周瑞俭 徐世伟

吉利汽车研究院（宁波）有限公司 浙江省宁波市 315336

1 引言

汽车自问世以来，给人们的生活带来了重大改变。尤其是家用汽车普及的今天，汽车给人们的生活带来了巨大改变，它不仅改变了人们的生活品质、同时也缩小了人们的生活半径。当今，汽车行业的发展更是日新月异，新技术不断涌现，汽车产业正在朝着电动化、智能化、数字化转型。但是，汽车为我们带来了舒适便利的同时，也给我们带来了一些负面影响。噪音、污染、交通拥堵等问题，给人们带来了诸多烦恼。在当今汽车蓬勃发展的进程中，可持续发展、低碳环保、节能减排等成为汽车发展面临的重大课题。车身轻量化成为目前各大车企热衷研究的技术。有数据表明，如果整车重量减轻10%，可以减排4%，这对可持续发展将大有裨益。

车身轻量化的途径可以通过新技术、轻质材料、结构优化等实现。其中，轻质金属材料目前普遍使用的有高强度钢、热成型钢、铝合金、镁合金等材料。泡沫铝是一种新型轻质材料，因为它具备多种优良性能而被应用到很多行业，比如航空器、太阳能电池背板、大型车床部件、大型列车车厢、建筑外墙、剧院消音内饰等都可以应用泡沫铝。

2 泡沫铝的特性

泡沫铝一种以铝材质为主体，具有多个气泡型空腔结构的材料。具有质量轻、密度低、比刚度、比强度大、吸能能力强、阻尼减震性能好的特点。同时，泡沫铝也具有耐腐蚀、耐高温、易加工的特点。

图1 泡沫铝材料

泡沫铝的密度为0.25～0.6g/cm3，仅为铝的10%～40%，是钢的3%～8%。但是，它的抗弯比刚度为钢的1.5 倍。在车身钣金件总成中装配泡沫铝结构件，可以明显提升车身总成的强度和刚度。

将泡沫铝材料与钣金零件连接形成复合结构，可以代替传统的钢板钣金件作为车身的吸能零件取得更优的吸能效果。

泡沫铝可应用于车身结构件、电池包壳体等，例如：吸能盒、防撞梁、AB 柱、电池包壳体。

3 泡沫铝的结构及成分

轻质板材的结构通常有整体式、组合式、夹层式，如图3 所示。

图2 泡沫铝汽车零部件

图3 轻质板材的结构

泡沫铝的夹层式结构由外板、粘合层、夹心材料组成。夹心材料分为均质材料和不同结构形式的结构。均质材料一般是泡沫物填充或多层平铺填充。不同结构形式分为蜂窝状结构、圆筒状结构、波形结构、矩形结构。

图4 泡沫铝结构

泡沫铝的中间结构主要成分是镁铝合金或铝硅合金。结构相同但密度不同的泡沫铝材料，抗压强度各不相同。

图5 泡沫铝中间结构

表1 不同密度泡沫铝的抗压强度

中间结构与白车身的连接方法主要有螺接、卡接、粘接等。

4 泡沫铝的生产工艺技术

泡沫铝的制备方法有如下两种：一种是去除法，通过去掉铝中的杂质来制成；一种发泡法，将铝融化，在其中生成气泡来生成泡沫铝。

以铝为基材生产出的泡沫材料，是先将融化的金属注入设备中，再将气体注入，从而获得泡沫铝，它具有封闭的单元。为了获得稳定性，需要在熔融物中加入细陶瓷粉或合金元素来生成稳定的熔融物。通过上述操作，金属熔融物中出现的泡沫就会相当稳定。

在金属熔融物中形成泡沫的常用方法有：

一、在液态金属中注入空气、氮气、氩气，

液态金属中会产生气泡并均匀分布。再将金属液体过滤，剩余的部分变成干液体泡沫，最后将其冷却，由于有陶瓷粉的作用，泡沫将非常稳定。冷却后的泡沫可以直接在铸机中使用，也可以通过切割或机械加工成各种形状

二、在熔融金属中加入生气剂，进而让液体生出气泡，生气剂会分解出一种气体促进发泡。

表2 泡沫铝生产工艺

三、将金属粉末和生气剂混合后，将混合物压实，形成密度较高的物质。要使生气剂均匀地嵌入金属基体中，如果存在残余孔隙或缺陷，将会影响到接下来的加工效果。混合好后，将混合物熔化，生气剂释放的气体使混合物膨胀，进而生成泡沫铝材料。

5 泡沫铝在车身轻量化的应用实例

在一辆中型轿车中，约有20%的车身零部件可用泡沫铝代替，减重27kg 左右。节能减排、提升燃油效率或电车续航里程的同时，可以有效降低生产成本。下图是泡沫铝的应用推荐位置，Audi A8 车身在前保险杠内测的前防撞梁应用了泡沫铝。

在汽车设计的过程中，泡沫铝的应用一般有两种形式。

图6 Audi A8 泡沫铝应用位置

一种是将泡沫铝填充在两层板中间，形成三明治结构。这种材料既可以保证有较高的强度，又可以轻量化，同时还可以减震，一举多得，这种零件可代替一些冷冲压钢板零件。三明治泡沫铝与车身的连接方式可以通过粘接、螺接、卡接等形式。还有一种技术是填充将泡沫铝填充在车身空腔或空管中。

图7 泡沫铝特性及其在汽车中的应用

我们在公司某车型的研发中，将B 柱上端的加强件，用泡沫铝零件代替冷冲压加强件采用该种泡沫铝材质的填充结构，可以极大地提升车身顶压强度。白车身顶压强度在冲压钣金方案达到极限的情况下，应用泡沫铝零件后提升约6.7KN，而泡沫铝零件的重量仅为0.349kg，强度提升量与重量比高于冲压钣金方案。

图9为泡沫铝结构的顶压仿真分析结果。

图8 某车型样车采用泡沫铝的车身结构

图9 泡沫铝结构的顶压仿真分析结果

该车型中，泡沫铝零件与车身其它钣金件的连接方式为粘接，我们对连接的界面强度按GB/T 7124-2008/ISO 4587：2003 的检验方法进行拉伸强度的试验，结果合格。

图10 泡沫铝拉伸试验结果

经过试验验证，界面胶合强度较强，失效形式均为泡沫铝样片断裂，说明泡沫铝通过结构胶与车身连接可以满足连接强度需求。

6 结论

目前基于车身轻量化的开发要求，许多新型材料在逐步取代原有材料应用到车身上。泡沫铝作为一种新型替代材料，因其生产成本原因还没有广泛推广开来。当前需要亟待解决的问题是通过异形形状的模具成型来降低生产成本，来推广这种材料的使用，从而推进车身轻量化的快速发展。