商用车用铝.doc

铝在商用车中的应用概述欧洲铝业协会对商用车用铝的有关资料进行了详细汇编，以解答生产商和用户提出的关于交通用铝的一些问题，内容涉及铝合金的性能及优点、交通用铝合金的生产工艺、交通用铝合金材料的结构设计、铝合金零部件的焊接、防腐、清理、修复、表面处理等十几个专项。由于篇幅限制，我们这里仅对汇编的主要内容进行简单介绍，涉及专业性较强的部分就不在此赘述，希望有助于大家进一步了解交通用铝的有关知识。1、交通用铝的发展自1903年怀特兄弟开创了飞行历史以来，铝逐渐成为航空业中的基础材料，目前空客380中60%的结构性部件都采用铝合金材料生产，而中短程飞机中铝合金结构件的重量更是占到了飞机结构件总重的80%。由于铝具有轻量化及高强度，以及良好的耐蚀性，随着新型铝合金的发展，19世纪20年代铝开始在海运中得到广泛应用。今天，载客量达到1000人的高速客船大部分都采用铝结构，巡航舰上铝材料的应用也越来越多，半数以上的游艇几乎都是铝制的。19世纪80年代，作为一种可降低运行成本、提高车速的金属材料，铝开始在地铁和城市高铁材料中脱颖而出。1996年，巴黎-里昂双向高速列车诞生，载客量提高了40%，而车重减轻了12%。今天，铝在城市交通中得到广泛应用，铝制列车已遍部全球。巴黎到里昂的高速列车 (Alstom-SNCF)随着1899年，一款铝车体的小型跑车在柏林国际车展亮相，铝在轿车中的应用也逐渐普及。1948年，兰德.路华开始采用铝外壳。到2005年，轿车中的铝材料已经达到131公斤。2011Audi TT跑车含铝 58%2011 美洲虎 XJ全铝车体结构，减重150公斤铝制公共汽车自1910年在巴黎亮相后，铝材料开始越来越多地用于商用车的零部件中。20世纪50年代，铝开始出现在油罐车、火车和拖车中。今天，欧洲大部分的油罐车、拖车等都采用铝材料制造，每辆车平均能减重800公斤。 微型铝制拖车 (Tang Fahrzeugbau GmbH)2、为什么铝在商用车中能得到广泛应用运输公司最关注的是收益。随着柴油机价格上涨及新技术投资的增加，生产成本也随之上涨。而由于运输市场竞争激烈，运输价格很难上涨。因此，只有从缩减生产成本入手。而要在不断提高车辆使用性能的前提下减少成本投入，就必须优选汽车生产材料。汽车生产材料的选择总的来说，取决于材料的价格、机械性能和生产成本。另外，从社会效益考虑，节能、减少温室气体排放、道路安全性也是必须优先考虑的因素。铝成为应运而生的优选材料，有以下几个特点：（1）有效载荷增加+残余价值提高=收益增加 使用铝材料可减轻车重，因此在车总承重量相同的情况下，可装载更多的货物，另外，旧的铝制车辆在二手甚至三手市场上都可卖个好价钱，即使到达车的使用年限报废后，仍可作为废品回收。（2）节能+延长使用寿命+减少维修费用=节约成本德国的ICCU研究院与奥地利的格拉茨技术大学合作研究发现：一辆卡车减重1吨，可减少能耗0.6升/100千米。铝众所周知的耐蚀性可提高交通运输工具的使用寿命，即使是在严重腐蚀条件下使用铝制运输工具，也不需要经过特别的表面处理，并且易于清理，这就最大限度地减少了维护费用。（3）应对过路费根据谁使用谁付费的原则，越来越多的国家开始征收过路费，在对载重量有限制的国家，采用大量铝材制造的“微型半拖车”可以在不超过允许载重量的情况下，使车辆的有效载荷达到最大。（4）减少发生事故的危险车辆上需经常操纵的机动部件，如侧卸板、后门等，如果采用轻便的铝合金材料制造，方便移动，可减轻司机的工作量，另外车体和地板的边角处采用圆角设计还可减少碰伤的危险。（5）外形美观现代商用车越来越追求流行化设计，每一位车辆使用者都希望他们驾驶的车外形简洁、美观实用，而铝合金材料往往容易达到这种要求。铝合金挤压材和板材很容易成形，用作有蓬货车车体材料时，在内部和外部都易加工成圆角。铝制车轮轻便、结实、美观。因为铝材表面有一层氧化铝薄膜，能彻底将铝与氧气隔离，防止氧化，起到很好的保护作用，因此一般不需在铝材表面喷涂着色。 锻造铝车轮在生产交通工具用零部件时，有各种各样的铝材可供选择，包括铝合金轧制产品、锻造产品和挤压产品。它们可以用做具有特殊性能的结构件，如螺杆头的凹槽、液压管路、弹簧锁、焊接法兰等。有人质疑铝制零部件不易修复，实际不然。众所周知，路虎车自1948年就开始使用铝制机壳，几十年来，没有人在维修方面产生抱怨，这说明铝制零部件可以修复，只不过修复技术异于传统的钢铁材料。目前世界先进的汽车生产商通过互联网都可提供方便有效的维修服务。另外，铝材料本身具有的一些优异性能也使其能够脱颖而出。如：商用车中铝材料的强度和刚性可以与大多数先进材料相比，并且，与其他金属材料相比，铝材制造的汽车零部件可减重40-60%，一些使用者怀疑铝拖车底盘在高负载情况下会出现问题，但要知道，只要设计得当，设备的使用期限与材料没有太大关系。有经验的设计者可以在尽量减少设备重量的情况下，使材料性能达到最优化。另外还要强调的是，铝制交通工具通常用在路况极差的条件下，当然，设计者们在设计时已考虑到了这一点。英国道路交通工程研究院曾对翻斗卡车的铝制底盘进行A级倾斜稳定性实验，没有发现任何问题，说明铝材料的刚性可与钢媲美。 倾斜稳定性实验（(STAS） 只要使用得当，铝合金材料在任何环境下都具有良好的耐蚀性，无涂层铝材料在船舶中的广泛应用就是一个很好的例子。 无涂层铝巡逻挺（美国海军应用）3、铝在交通中应用的环保及社会效益一辆卡车的静负载减少1吨，运行10万公里可节约1000升燃料；当运输大容积货物时，一辆卡车的静负荷减少1吨，运行10万公里可节约600升燃料；当运送乘客时，一辆公共汽车的载荷减少1吨，每运行10万公里可节约1700-1900升燃料。如果以原铝为原料，并将铝的循环利用考虑进去，铝制车辆可减少的CO2排放量可计算如下：在铰接式卡车上使用1吨铝材料，可减少28Kg的CO2排放量；在公共汽车上使用1吨铝材料，可减少40-45KgCO2排放量。早在二十世纪九十年代，欧洲就对重型柴油机械的氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放量制订了有关环保标准。EURO IV 和EURO V标准对氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放量做了更严格的限定。使用铝制交通运输工具还可增加道路行驶安全性。欧委会正试图在“道路安全行为计划”中引入卡车碰撞能量吸收标准。在碰撞中发生的金属形变是要吸收能量的，铝材料与传统材料相比，在单位重量下可以吸收更多的碰撞能量，因此，铝材料很适于做车体前部、后部和侧面的缓冲器。另外，由于铝易回收且回收价值高，废铝基本不会丢弃在垃圾场，都被回收商回收了。再生铝能保持铝原有的性能，在生产过程中，与原生铝相比，可节约95%的能耗。废料场的铝制翻斗车 (Galloo recycling) 总而言之，铝合金制造的交通工具无论从经济效益还是社会效益看，都具有一系列的应用优势。虽然铝制车辆的成本较钢制车辆的成本略高，但由于增加了车辆的有效载荷，抵消了生产成本的增加，增加的生产成本一般两年内即可收回。4、商用车用铝合金铝本身是一种很软的金属，不适于做结构件，但添加了合金如铜、锰、镁、锌等合金元素并经过适当的加工处理后，物理和机械性能得到了很大改善，可用于生产几乎所有产品。目前，铝工业已经成为一个全球产业，生产商遍布全世界。虽然铝合金种类很多，但用于生产商用车的重要铝合金只有几种。其中用于生产铝轧制板材的最常用合金有：3003,5005, 5059, 5083, 5086, 5088,5182, 5186, 5383, 5454, 5456,5754, 6061， 6082等。用与生产铝挤压产品的常用合金有： 6060,6005A, 6008, 6106, 6082,6061 和7020。用于生产铸造产品的常用铝合金有：21100, 42000, 42100, 43000,44000。温度变化对铝合金的机械性能和耐蚀性能有很大影响。当温度由室温上升到100C以下时，对强度的影响不大。当温度继续升高时，温度对机械性能的影响开始显现。未经热处理的合金在冷变形时会产生加工硬化，增加金属硬度，降低金属的变形能力及塑性。变形量越大，加工硬化率越高。当然，合金组分也会有影响，如含镁4-4.9%的5083合金硬度最高，但变形能力小于含镁2.6-3.6%的5754合金。 通过“退火”热处理可以去除加工硬化效应，改善金属的塑性，退火一般在150350C之间进行，退火温度较低时，可获得中等强度的合金材料，退火温度高于280C后，合金内部组织全部进行了重结晶，硬度达到最小值，最终达到完全退火状态下的加工性能。退火过程中会发生晶体组织和晶粒大小的改变， 5000 系列的合金退火温度一般在320C- 380C下持续 30- 120分钟。5、铝结构件的设计 在进行铝合金结构件的设计时，一般要考虑到工件的比强度、加工性、耐蚀性、耐用性、装配性、修复性等等。特别是铝合金型材产品设计中推出的“个性化”定制服务有别于其他金属材料，这使得铝合金产品更易于加工和装配。铝材和钢材的比较：铝和钢一样，都具有较高的强度，但铝的弹性模量是钢的1/3，说明在粗细相同、载荷相同的情况下，铝梁的弯曲度是钢的3倍；铝的密度是钢的1/3，这说明形状、体积相同的情况下，钢梁的重量是铝梁重量的3倍；铝的热延伸系数是钢的2倍，大多数结构铝合金具有更高的“强度-弹性模量”比率；在焊接过程中，铝合金的加工硬化会有部分回复，而钢材料不会出现这种现象。铝制机壳（底盘）的刚度如果与钢制机壳（底盘）的刚度一样时，可减少45%左右的重量，但强度更高。如果设计得当，铝制车辆的抗疲劳性也高于钢制车辆。铝制底盘一般用于负载系数高的情况下，如果设计得当，其使用寿命可超过20年。通常，可用做底盘材料的合金有： 5083 H32, H321, H34 5086 H24 5383 H34 5454 H22, H24 5456 H34底盘厚度一般如下：运载农产品、煤和沙子等轻负荷载重物时，底板厚度一般为6 mm ；运载中负荷的载重物体的底板厚度一般为8mm；运载重负荷载重物如砂砾时，底板厚度一般为10mm；运载超重负荷载重物，底板厚度可达12mm。铝翻斗货车的底盘 (Benalu） 而在制造运输危险物品的罐体时，必须要遵循危险物品运输协议，金属罐体的工作压力不能超过0.5巴。 铝制油罐汽车(Schrader)6、商用车用铝合金材料的加工铝合金材料通过切割、弯曲、轧制、挤压等加工方式可制造成各种板材、棒材等，用于生产汽车零配件。部分加工程序已经程序化、自动化，甚至已经标准化。大部分商用车用铝合金材料都是轧制铝镁合金（5000系列）卷或铝硅合金（6000系列）挤压产品。5000系列合金成型性优异，但在冷加工过程中会出现加工硬化，为了能够继续加工，必须要通过退化去硬化以恢复合金的塑性，如果需要的话，在加工过程中可反复退火。而6000系列合金即使在完全热处理的条件下，成型性也有限。但由于热状态下合金的机械性能会下降40%左右，因此加工一般应该在冷状态下进行。7000系列的挤压材一般用于制造高强度零部件，其主要合金成为是锌和镁。总的来说，铝合金的生产和加工方法与钢没有太大区别，铝很容易加工成型。但由于铝很软，因此在加工中要避免损伤铝材表面，一定要避免铁、铜等金属造成金属表面划痕而弄脏金属，被弄脏的金属表面很易发生腐蚀，因此铝加工环境一定要清洁。旋压生产铝罐尾部(Knig)7、焊接汽车零部件的接合最常用的就是焊接。由于铝的物理、化学和机械性能与钢不同，在焊接过程中也会表现出一些特性。众所周知，在有氧环境下，铝表面会形成稳定的氧化铝层，其熔点在2000C左右，而氧化层下面的金属熔点为630-650C。在焊接过程中，这一氧化层必须被去除或至少被破坏。虽然铝的熔融间隔比钢要小，但由于高的热导率和比热容，在焊接过程中，大量的热量被迅速传递到基体金属内部，因而在焊接铝及铝合金时，能量除消耗在熔化金属熔池外，还有更多的热量消耗于金属其他部位，从而导致铝焊接过程中消耗的能量不亚于钢焊接消耗的能量。铝受热后的线膨胀系数是钢的2倍，凝固时体积收缩率较大，焊件的变形应力也大。为减小变形的影响，在制定焊接工艺时应尽量减少能量输入。TIG（钨惰性气体焊接）和MIG（惰性气体保护金属极电弧焊）是商用车生产过程中最常用的两中铝焊接方法。随着科技的进步，等离子、激光、电阻及摩擦焊接等也应运而生，并逐渐得到应用。 常压下进行TIG焊接 (SAG) 正在焊接翻斗车的侧板 (Menci)如果对MIG焊接做一个小小的改进，在主电流上叠加一个脉冲电流，这样，在保持电弧稳定的情况下，就可减低焊件的平均电流水平。等离子MIG焊接是将具有高熔化能力的MIG焊接与等离子电弧结合在一起，在焊接熔池内形成一个很好的气体屏蔽，最终形成没有孔隙存在的高质量焊缝。等离子弧在焊炬喷嘴和工件之间，MIG电弧是等离子弧的中心，两种电弧极性相同，等离子电弧的高动能可破坏焊接工件的氧化层表面。随着激光源的发展，铝合金激光焊发展非常迅速。其中CO2激光器中激光束的定位性有限，而Nd:YAG激光器中光导纤维可使激光束直接照射到焊接部位，使用性更广。 激光焊FSW-搅拌摩擦焊接是一种新发明的焊接方式，由TWI Ltd (焊接研究院）发明并受欧洲、美国和澳大利亚专利保护。该焊接是在铝合金的熔点以下的固相中进行，一种带有侧翼的手指形状的工具边以固定的速度旋转边插入焊接点，工具在金属中的摩擦产生热量使焊接区达到所需温度，随着工具的旋转焊接区发生塑性变形并形成焊缝。 搅拌摩擦焊接的汽车尾板剖面8、装饰和精加工尽管铝制商用车不需表面处理也可在其使用年限内保持自然的美观，但通常载重拖车也会进行不同的表面处理，以使其在路上行驶时，即使遇到大雾天气也能被明显分辨出来，避免发生交通事故。也有的厂家在车体表面印上商标或广告以进行宣传。车体表面的装饰有几种方法。在加工时要考虑到铝的表面比较软并且有一层氧化层，一般机械装饰就是直接粉刷车体表面，而化学方法就是电镀和着色。目前卡车和拖车通用的表面装饰方法是着色。9、防蚀纯铝化学性质很活跃，容易与氧或水接触形成氧化物，厚度大约1-10纳米，在铝的表面形成一个天然保护