铝的传奇3:奇瑞捷豹路虎全铝工厂探访

BY 刘远 沈凌云

问题一:为什么要采用全铝车身?

对于这辆XFL来说,这个问题简直就是它“车生”的终极问题。也许每个人都会有不同的理解。从我的驾驶感受来说,全铝车身让这辆捷豹XFL显得比较轻盈,像是尺寸更小级别的车。虽然经过加长之后,这辆车的长度已经超过了5米,当我专注于路面的时候,方向盘带来的转向回馈和后轮的循迹性都更像是一辆紧凑型的轿车。而偶尔回看一眼后视镜的时候我发现,原来后排还有被三面遮阳帘包围着的宽敞私密空间。

铝的传奇3:奇瑞捷豹路虎全铝工厂探访

而对于捷豹来说,全铝车身是它们独特的icon,奇瑞捷豹路虎总裁戴慕瑞这样解释。回顾捷豹路虎的发展历史,很多重要的车型上都能看到铝材的身影。捷豹的创始人里昂斯爵士早在上世纪三十年代就选用铝合金面板设计汽车,造就了流线型、轻量化的机器,极大地提升了公司的知名度。在二战后的复苏时期,英国钢材普遍匮乏,而战争时期的飞机制造业大大带动了铝合金制造业的发展,致使那时的铝材相对丰富。第一代揽胜的设计师斯彭•金(Spen King)受到航空业启发,选择当时供应充裕的铝合金作为路虎(Land Rover)车型的外壳。全铝车身极大提高了汽车的抗腐蚀性并使车身的重量大大降低,同时,实用性与稳定性的结合让路虎车型很快取得了巨大成功。

在接下来数十年中,捷豹SS100、XK120、C-Type、D-Type等使用了轻量化车身的车型屡屡创造当时的最高时速,并在赛场上大展雄风,赢得了勒芒24小时耐力赛、蒙特卡洛拉力赛、法国巡回赛、银石赛道1000公里赛等众多国际重大赛事的冠军头衔。而开创了铝质车身先河的斯彭•金也奠定了揽胜在全地形豪华领域至今仍难以被撼动的地位。可以说每一款捷豹车型都与铝合金有着不可分割的联系。轻量化的铝质车身成就了捷豹在赛道上的辉煌,也帮助捷豹造就了性能绝佳的公路轿车。同时,实用性与稳定性的结合让路虎车型很快取得了巨大成功。

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问题二:铝合金材料有什么优点?

铝合金的最大优势当然是轻。合金钢的密度大约是7.8吨/立方米,铝合金的密度只有2.7吨/立方米。因此,白车身应用铝合金比例达到75%的捷豹XFL,白车身重量仅有297公斤。同时,铝合金的比强度比较高,接近或超过优质钢,因此采用铝合金白车身的XFL的刚度也比上一代提升了28%。

同样来自于英国的路特斯创始人柯林·查普曼(Colin Chapman)曾经说过:“如果你想让你的车子变得更快、更容易操控,最好的方法就是简化结构,然后减少重量。”除了能够减轻重量之外,铝合金的可塑性还可以帮助车辆简化结构。比如悬架的基座,原先的钢结构需要6个零件组合焊接而成,而采用铸造铝合金之后,只需要一个零件就能够实现原先的功能。

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戴慕瑞告诉我们:“使用全铝车身技术,意味着汽车从设计开始就要按照铝合金的技术特点进行全新的设计。铝让我们的设计语言更容易化身为现实,更适合打造华丽且具肌肉感的车体表面。捷豹的智能全铝车身架构,不仅仅是一种车身制造方式,更是一套全新的造车理念,在制造工艺方面就足以体现。”

戴慕瑞表示,有着轻盈、可塑性等突出优势的铝合金,能帮助捷豹创造更轻质、更快速响应、更具环境友好性的汽车。这一点从我对XFL的感受上也可以得到印证。我们从上海一路开车到常熟,路途经过了从高速公路到省道等各种复杂的路况,XFL的悬架在不同路况下表现出很好的适应性。大多数时间里,悬架给我一种轻盈而敏捷的反馈,保留了清晰的路面信息,但对于细碎颠簸的过滤却很充分,显示出一种沉稳的态度。车身轻盈带来的另一个优势就是转向响应也很迅速,精确,开起来让人很有信心。

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问题三:制造全铝车身和钢车身有什么不同?

在奇瑞捷豹路虎的常熟工厂,有一个非常特殊的车间,这个车间就是全铝车身车间。这个车间紧邻着焊装车间,它们的功能都是拼接出白车身。白车身(Body in White)是指完成焊接但未涂装之前的车身,不包括四门两盖等运动件。而捷豹XFL的白车身加上前发动机舱盖和后行李厢盖都是采用铝合金材质的。

钢结构的白车身主要采用焊接工艺,焊接机器人一路火花带闪电,伴随着轻微的烟雾和焦糊味道,是焊装车间中常见的景象。而隔壁的全铝车身车间,虽然也被工人们称为“焊装”,但工作过程和环境却完全不同。首先是温度,焊装的高能火花让焊接车间的温度要略高于室温,而全铝车间采用的是铆接技术,没有高温,车间内的温度很适宜。同时,铆接机器人工作时的噪音也要明显小于焊接机器人,因此车间中就像是教室一样安静。

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既安静又干净的全铝车身车间很符合当下节能减排和环保的要求。事实上,整个全铝车身车间拥有335台机器人,其中,自冲铆接机器人数量高达232套,为国内最多,实现100%自动化。

自冲铆接是迄今为止汽车制造行业车身连接工艺中最为环保的连接方式之一。车身连接处不会产生热变形,无飞溅产生;仅需气源,无需循环水冷却,整个过程无任何污染物产生。铆接技术拥有更高的抗疲劳强度和静态紧固力,能够大幅增加车身强度。自冲铆接与车身结构黏合剂的组合,比单纯铆接的强度高2至3倍。这个技术在XFL的车身中占比高达72%。在车辆遭受外来撞击时,使用这种铆接技术连接的车身能承受更长时间和更剧烈的碰撞。

为了全方位实时监测全铝车身的制造品质,包括自冲铆接在内的全部工序都能够实时监控,并且要经过激光在线精度测量控制系统、铆接点的无损检测和破坏性测试等流程才能够进入下一个生产环节。

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问题四:全铝车身各部分的铝合金材料都一样吗?

就像是钢材的不同标号代表不同的性能一样,铝合金根据合金成分的不同,也具有不同的性能表现。比如拿发动机来举例:发动机缸体所采用的铝合金要求较低的热膨胀率和良好的耐磨性,因此选用适合铸造的A390、AC2B等标号的铝合金;而缸盖的结构复杂,又需要有高耐热、耐冲击和疲劳强度等综合性能,可采用A356、AC2A等标号;活塞需要的高强度和韧性、耐热和耐冲击性,需要用到AC8A,ZL109等标号的铸锭。

而在车身结构上,奇瑞捷豹路虎也采用不同系列、不同特点的高强度铝合金材料,应用于智能全铝车身架构之上,在XFL上独家采用的RC5754高强度铝合金,由国际铝业巨头诺贝丽斯为捷豹路虎专属定制,不仅是可回收材料,更在强度、耐腐蚀性、连接性及成型性等方面表现出众,应用于车身加强部分。而在防撞梁的部分,XFL采用AC300 T61 高强度铝合金碰撞结构,具有高强度、高吸能的优势。

用不同性能的铝合金实现不同的功能,这让捷豹XFL车身的铝合金应用比例达到了75%,而为了将不同的铝合金联结起来,捷豹XFL车身上共有2754个铆点,通过自冲铆接和PT3(第三代预处理)专利技术,实现了比焊接车身更少的联结个数。在激光焊接应用之前,一辆钢制车身的焊点通常要超过4000个。

铝的传奇3:奇瑞捷豹路虎全铝工厂探访

 

问题五:铝合金的制造成本如何?

目前,在有色金属交易市场上的铝合金锭的价格约为15000元/吨,而钢材的价格不到4000元/吨,铝合金几乎是钢的4倍,而且如果从新造铝合金来说,用电解氧化铝的方式提炼纯铝,需要消耗大量的电能。看起来,采用铝合金成本又高又不低碳。

但是,戴慕瑞提醒我们,在同样的能量消耗下,铝有更好的可回收价值,而可回收再利用的铝材,所消耗的能耗只占到新生产铝能耗的5%,在这过程中可以减少92%的温室气体排放。捷豹XFL上所采用的铝材,99%都是可回收的,而我们在采访上海交通大学材料科学与工程学院的张佼教授时,他也表示,铝合金有一个独特的特性,就是几乎没有腐蚀损耗,人类从能够制造铝开始,所生产出来的铝就一直存在在地球表面。按照这种趋势,总有一天,地球上的存留的铝足够多,就可以完全不需要造新的铝了。

当然从目前来看,随着政策法规对于汽车厂家节能减排的要求,铝还会越来越多的被应用到汽车上,因此,新造铝还不可避免。国外的一些专家认为,生产铝的正确方法应该全部围绕可再生能源,水力发电、太阳能、风能、地热等。所以相应的,生产铝的地方也应该是那些更多依靠这些新能源的地方。比如冰岛、西伯利亚、加拿大魁北克,都在使用水利和地热发电来生产铝,而同时拥有充足的铝土矿和光照资源的澳大利亚内陆地区,也有发展太阳能发电的优势和潜力。      

但在现实中,世界上超过一半的铝材仍是由我国通过烧煤的火力发电来提炼的,当然由于种种原因,我们的生产成本更低,但这也是现阶段我们发展要所付出的代价。

用不同性能的铝合金实现不同的功能,这让捷豹XFL车身的铝合金应用比例达到了75%,而为了将不同的铝合金联结起来,捷豹XFL车身上共有2754个铆点,通过自冲铆接和PT3(第三代预处理)专利技术,实现了比焊接车身更少的联结个数。在激光焊接应用之前,一辆钢制车身的焊点通常要超过4000个。

 

问题六:铝合金材料的不足在哪里,如何应对?

硬币都有两面,铝合金既然拥有那么多的优点,也必然会存在一定的问题,除了上文提到的成本高之外,铝合金还有哪些在应用上的问题呢?张佼教授告诉我们,现在的铝合金的成型性还需要改善,因为铝合金板材的局部拉延性不好,容易产生裂纹。并且回弹难以控制,在设计时要采用回弹少的形状。而比钢材柔软的铝在运输过程中对环境的要求也更高,并且无法采用传统的磁力搬运的方式,导致运输过程更加复杂。

针对这些问题,捷豹是否有相应的对策呢?我们把这个问题也提给了戴慕瑞,他说,捷豹路虎的铝制车身历史悠久,这让捷豹路虎从设计之初就可以着手对于铝合金材料进行设计。而不是考虑用铝替换钢结构。“如果从最初就按照铝合金的特性来设计的话,你的思路会完全不同。”戴慕瑞给我们举了两个例子,一个是前文提到的悬架基座,通过铸造铝合金,可以减少零件拼接的数量,用一个部件代替了原有的6个零件;而另一个例子是底盘上给传动轴预留的几字形纵梁结构,这个结构由于贯穿整个车身,要是用钢结构的话,需要把钢板冲压卷曲之后焊接而成,而如果用铝合金的话,根据铝合金的可塑性,可以一体铸造出这样一个很长的纵梁结构,并保持和钢材相同的强度。

同时,捷豹路虎也在和全球著名铝材供应商诺贝丽斯一起,针对每一个零件的设计性能来调配铝合金的型号,如上文所述的RC5754、AC300 T61等捷豹XFL上专用的铝合金材料。

用不同性能的铝合金实现不同的功能,这让捷豹XFL车身的铝合金应用比例达到了75%,而为了将不同的铝合金联结起来,捷豹XFL车身上共有2754个铆点,通过自冲铆接和PT3(第三代预处理)专利技术,实现了比焊接车身更少的联结个数。在激光焊接应用之前,一辆钢制车身的焊点通常要超过4000个。

 

问题七:铝合金材料的未来的发展趋势如何?

铝合金的应用贯穿了整个汽车工业的发展。事实上,早在1899年,第一款采用铝合金车身的跑车已在柏林国际车展上亮相。1901年,联合成立奔驰的卡尔本茨搭建了第一台采用铝制部件的汽车发动机。由于早期铝合金的加工难度大和成本高,在经过60多年的发展之后铝合金才被广泛应用于汽车行业。

1961年,路虎批量生产的V8发动机缸体使用了铝制气缸,成为了当时的重大突破。自那以后,铝合金在汽车零部件中的应用逐渐站稳了脚跟,例如轮圈和变速箱壳体,再发展到气缸盖和悬架接头等等。这种近乎可无限回收的金属已经成为了动力总成和轮圈的主要材料,并继续在车身覆盖件和结构件中占据更多的市场。如今,铝合金是汽车工业中用量第二高的材料,仅次于钢。

铝的轻量化可以帮助车辆改善排放和油耗,据统计,车重减小20-30%,相应可以减少10%的燃油消耗。对于豪华品牌来说,减轻的白车身重量也让后期再给车辆装配其它舒适性配置时的自由度变得更高。众所周知,豪华车型大多数都配备了大量的高科技装备和舒适装备,每一个配置都有一定的重量,与其在后期为了减重而绞尽脑汁,不如在前期就预留充足的空间。这一特点在电动车上更加明显,为了给庞大的电池组留下空间和设计余量,特斯拉等电动车都采用了铝合金材料制作车身,更轻的车身也能够在一定程度上延长电池组的续驶里程。

因此,无论是传统汽车节能减排的要求,还是新能源汽车提高效率的需求,铝合金都将会越来越多地应用在汽车上。戴慕瑞表示,相对固定的研发成本,能够通过大量的生产来平摊成本,不排除将来在更低级别的车型上应用全铝车身的可能性。而张佼教授也很认同这一看法,他所带领的团队,也在和国内众多汽车品牌合作开发适合汽车用途的铝材。

用不同性能的铝合金实现不同的功能,这让捷豹XFL车身的铝合金应用比例达到了75%,而为了将不同的铝合金联结起来,捷豹XFL车身上共有2754个铆点,通过自冲铆接和PT3(第三代预处理)专利技术,实现了比焊接车身更少的联结个数。在激光焊接应用之前,一辆钢制车身的焊点通常要超过4000个。

 

TIPS 

关于奇瑞捷豹路虎常熟工厂:

奇瑞捷豹路虎全铝车身车间占地面积48,384平方米,拥有全球最先进的铆接胶合技术和设备,自动化率高达100%。从这里下线的首款产品是捷豹XFL。奇瑞捷豹路虎常熟工厂同时生产捷豹和路虎两个豪华汽车品牌,采用高度定制化的订单式生产,充分、精准地迎合豪华汽车消费者的个性化需求。

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奇瑞捷豹路虎是业界首个启用基于端到端汽车制造流程MES系统的企业,除订单管理外,MES系统实现制造管理、质量管理、物流拉动、防错管理、追溯管理等的全覆盖。智能制造通过工业互联网实现远程生产线自动启停和实时状态监控,保障产品在每个制造工艺中的品质。独创开发的基于互联网云平台建立的远程服务体系,主要包括电子车辆健康检查系统和远程技术诊断保障系统,保证了良好的经济和社会效益。

用不同性能的铝合金实现不同的功能,这让捷豹XFL车身的铝合金应用比例达到了75%,而为了将不同的铝合金联结起来,捷豹XFL车身上共有2754个铆点,通过自冲铆接和PT3(第三代预处理)专利技术,实现了比焊接车身更少的联结个数。在激光焊接应用之前,一辆钢制车身的焊点通常要超过4000个。

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