2022年汽车行业报告：一体压铸新趋势，汽车制造大变革
报告出品/作者：信达证券、陈陆敏、曹子杰
以下为报告原文节选
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一、 汽车轻量化大势所趋，铝合金材料优势突出
1.1 政策直接推动+电动化要求，汽车轻量化大势所趋
1.1.1 政策要求推动汽车轻量化
政策直接推动汽车轻量化发展，纯电动车减重需求更为迫切。2020 年汽车工业协会发布《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》，要求燃油乘用车整车轻量化系数于 2025、2030、2035 年降低 10%、18%、25%，纯电动乘用车整车轻量化系数降低 15%、25%、35%，客车整车轻量化系数降低 5%、10%、15%。汽车轻量化的公式为，其中 L 为车身轻量化系数，m 为白车身骨架重量（不包含四门两盖及前后挡风玻璃），k TG 为白车身静态扭转刚度，A 为白车身四轮的正投影面积（即轮距×轴距）。由于白车身静态扭转刚度和白车身四轮的正投影面积 难以大幅度降低，因此整车轻量化系数的降低主要取决于白车身骨架重量的降低，其中政策对纯电动乘用车的要求最高，纯电动乘用车减重需求最为迫切 。
政策要求燃油车节能减排，也间接推动汽车轻量化发展 。2020 年汽车工业协会发布《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》要求货车油耗于 2025、2030、2035 年较 2019 年降低 8%-10%、10%-15%、15%-20%，客车油耗降低 10%-15%、15%-20%、20%-25%；乘用车总体新车平均油耗在 2025、2030、2035 年分别为 4.6L/km、3.2L/km、2.0L/km，其中传统乘用车新车为 5.6L/km、4.8L/km、4.0L/km，混动乘用车新车为 5.3L/km、4.5L/km、4.0L/km。 这一方面是要求节能在 与新能源汽车的占比提高，汽车工业协会的目标是节能汽车与新能源汽车在2035 年各占 50 % ；另一方面也是要求汽车本身节能减排，由于汽车轻量化能够显著降低汽车油耗，因此间接推动了汽车轻量化的发展。
1.1.2 轻量化帮助燃油车节能减排，助力电动车提升续航里程
燃油车减重能够降低油耗，电动车减重则可以增加续航里程。汽车行驶过程中会受到加速+爬坡阻力、滚动阻力和空气阻力，分别占汽车受到阻力的 35%、40%和 25%，其中加速+爬坡阻力、滚动阻力与车身重量成正相关。对于燃油车来说，整车减重 10%可以降低 6%-8%的燃油消耗、降低 4%的排放、减少 5%的制动距离、减少 6%的转向力、提升 8%的百公里加速度；对于电动车来说，根据《电动汽车—能量消耗率和续驶里程—试验方法》和汽车功率平衡方程式，可知其消耗的功率 P 与汽车重量 m 正相关，而续航里程 S 则与汽车重量 m 负相关，数据表明电动车减少 2kg 可以提升 1.5%的续航里程，减重 150kg 则可以提升 12%的续航里程。
1.1.3 电动车的 “ 里程焦虑 ” 加速了轻量化进程
电动车电池系统更重， “里程焦虑”推动汽车轻量化 。传统的燃油车发动机的重量较轻，最常用的 4 缸发动机的重量在 90-160kg，6 缸发动机的重量在 140-200kg，8 缸发动机的重量在 180-320kg。以宝马 3 系为例，其采用四缸发动机，整备质量为 1587kg，发动机系统的重量占比约为 5.7%-10.1%。根据最新的 2022 年第 8 批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》的数据，电动车电池的重量在 209-669kg，电池重量占比在 15.1%-28.3%之间，并且随着电动车续航里程的提高，电池重量和整备重量有提高的趋势。 在“里程焦虑”背景下， 电动车对轻量化的需求更为迫切， 减重也是提高电动车续航里程、降低电池成本的重要途经。
1 .2 铝合金是汽车轻量化的关键材料
材料轻量化的效果最显著，是汽车轻量化的主要方法。汽车轻量化的方法分为结构轻量化、工艺轻量化和材料轻量化。 结构轻量化是指通过符合要求强度的最优结构实现材料使用的最小化； 工艺轻量化是指使用比现有材料更精细的加工来减少材料的使用量； 材料轻量化是指用轻量化材质来代替现有钢材，或者使用部分结合的方式实现轻量化。一般汽车中各材料的使用比例为：钢铁占 64%，高分子及复合材料占 9%，铝占 8%，弹性材料占 4%，玻璃占 3%，铜占 2%，其他材料占 10%。分结构来看，以钢材为主材的动力总成、车身、底盘以及悬挂部分重量占比超过整车的 70%。因此，材料轻量化是效率最高、效果最显著的轻量化方式。
铝合金、镁合金、碳纤维密度远低于钢，是常见的轻量化材料。汽车常用的材料有钢、铝合金、镁合金和碳纤维，其中钢是汽车的主要材料，但是其密度高、重量大，需要使用轻量化材料替代。铝的密度大约为钢的三分之一，具有导热率高、耐腐蚀好、加工性能优良等优点，并且铝合金比钢更能吸收碰撞能，大约是钢的 2 倍，能够有效提高汽车的碰撞安全性；镁的密度为铝的三分之二，钢的四分之一，是实际应用中质量最轻的有色金属材料，具有很高的比强度和比刚度，还具有阻尼减震、散热性好和容易回收等优点；碳纤维材料的密度较铝更低，具有耐腐蚀、比强度和比刚度高等优点。
铝合金密度小，价格较低，适合作为汽车轻量化的替代材料 。传统汽车使用普通钢，轻量化的替代材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、金属+碳纤维和碳纤维，其中碳纤维价格过高，使用量较少。价格上，2022 年 10 月 10 日我国镁锭、铸造铝合金、螺纹钢的价格分别为 27000、20300、4090 元/吨，铝的价格约为生铁的 5.0 倍，镁的价格约为生铁的 6.7 倍。
结合大众、奥迪等欧洲品牌的轻量化技术路线来看，使用铝合金能够降低车身 40%的重量，镁合金能够降低车身 49%的重量。 我们认为铝、镁均适合作为汽车轻量化的替代材料，其中铝的价格较低，轻量化比率完全符合汽车工业协会 2 25 035 年的要求，是一种性价比较高的选择。
参考飞机轻量化过程，飞机轻量化经历了钢→ 铝 → 复合材料的过程。在第一阶段，飞机的结构较为简单，主要用到的材料有木材、蒙布、金属丝、钢索等，早期飞机用木三夹板、木条等来做飞机大梁和飞机骨架，采用亚麻布做机翼的翼面；在第二阶段，许多国家逐渐用钢管代替木材做机身骨架，用铝板做蒙皮，制造出全金属结构飞机；在第三阶段，美国道格拉斯公司出产的 DC-T 机发动机的防火壁和短舱上首次使用了钛材，后期钛合金开始被应用于飞机上，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金；在第四阶段，机体主要是铝、钛、钢、复合材料结构。以铝为主；在第五阶段，机体主要是复合材料、铝、钛、钢结构，以复合材料为主。 对比飞机轻量化的发展历程，我们认为当前阶段汽车轻量化的核心材料为铝。
纯电动车铝材渗透率快速提高，未来十年间单车用铝量翻倍增长。根据国际铝业协会的数据，纯电动车整体单车铝用量、渗透率均高于燃油车，具体而言，2018 年 纯电动车单车铝用量为 128.4kg，整体渗透率为 31%，预计 2025 年单车铝用量为 226.8kg，整体渗透率达到 50%，2030 年单车铝用量进一步提升至 283.5kg，渗透率为 56%，细分来看，2018-2030 年底盘和悬架、车轮和制动器、车身封闭件绝对铝用量提升较大；2018 年 燃油车单车铝用量为 118.7kg，渗透率为 24%，预计 2025 年单车铝用量为 179.8kg，渗透率达到 38%，2030 年进一步提升至222.8kg，渗透率为 44%，细分来看，2018-2030 年车身结构、底盘和悬架绝对用铝量提升较大。
汽车铝材市场广阔，2030 年有望达到 3292亿元。市场规模的测算基于以下假设：1）2021年我国新能源汽车的销量为 352 万辆，我们预计 2030 年达到 1909 万辆，年复合增速为 21%，其中混动约为纯电动汽车销量的四分之一，燃油车销量随新能源汽车的渗透率提高而下滑，2030 年销量为 748 万辆；2）根据国际铝业协会的统计数据，2021 年纯电动、混动、燃油车的单车铝用量分别为 173、207、145 千克，预计 2030 年分别达到 284、265、223 千克；3）我们预计 2022 年汽车铝材价格为 44 元/千克，整体呈波动上行的态势。波动上行是因为铝一般由电解制成，电解是高耗能工艺，能耗双控大背景下铝产能受限，需求不断提升，因此未来铝价中枢有望提升。综上所述可得 2021 年纯电动、混动、燃油车汽车铝材的市场规模为 232、69、1569 亿元，2030 年分别为 2033、476、783 亿元，年复合增速分别为 27%、23%、-7%，汽车铝材总规模从 2021 年的 1870 亿元增长至 2030 年的 3292 亿元，年复合增速为 6%。
我们认为汽车铝材市场处于蓝海市场，整个市场空间有望达到 3000多亿元，在汽车电动化， 的大背景下，纯电动车、混动车的铝材的成长性更好，22021-2030 年 年复合增速有望超 22%
二、 一体化压铸新趋势，汽车车身制造迎来大变革
2.1 传统车身制造工艺难以适应铝合金用量提高的趋势
传统汽车主要使用钢材， 车身制造主要由冲压、焊装、涂装以及总装四大工艺构成。冲压：利用压机对钢板施加压力，使其模具中成型。主机厂的冲压车间主要负责生产高质量要求的大型外覆盖件(侧围、发动机盖、翼子板、门外板等)；内部的结构件由各零部件供应商负责制造，主机厂采购。 焊装：冲压好的车身板件局部加热或同时加热、加压而接合在一起形成车身总成。 涂装：对焊接完成后的车身总成进行防腐和喷漆处理，起到保护和装饰作用。 总装：将车身、发动机、变速器、仪表板、车灯、车门等构成整辆车的各零件装配起来生产出整车。
传统车身制造工艺有车身重、灵活度低、成本高、 效率低 、 零件强度 低等痛点 ，难以适应铝合金用量提高的趋势。车身结构件较多，传统车身制造工序较为复杂，具体包括了发动机盖、翼子板、车门、侧围等大型外覆盖件的冲压，并将覆盖件与结构件焊接形成白车身总成，共计由 300-500 个零部件构成，焊接点位高达 4000-6000 个。传统车身制造工艺存在以下痛点：1）车身重：传统工艺加工铝合金难度高，全铝车身普及受限；2）灵活度低：造型灵活度低，难以进行多零件一体成型；3）成本高：数百个零部件+数千个焊点导致设备成本（主要指模具）、制造成本、人力成本较高；4）效率低：众多零件生产和焊接工序耗费大量时间，生产效率低；5) 零件强度低：材料本身强度低以及多零件安装焊接强度更低。
铝合金焊接复杂，现有工艺难度大，成本高。铝合金具有表面的氧化层熔点较高等特性，采用传统熔化焊存在热输入过大引起的变形、气孔、焊接接头系数低等问题，同时由于型材的厚度、断面都各不相同，在焊接时就产生了很多种组合，尤其在厚度差异很大时，热输入非常难以控制，因此传统焊接工艺无法满足铝合金材料的连接要求。目前采用的解决方法一类是发展先进焊接技术，包括主流的摩擦搅拌焊以及更加先进的激光焊，另一类是发展新型连接技术包括冲铆技术、螺栓自拧紧技术和胶接技术，但采用新型焊接和连接技术的方案在提高工艺难度的同时还会增加设备和时间成本。以奥迪 A8 为例，其车身结构材料中 70%为铝合金，20%为热成型钢，镁合金和其他材料的比例不超过 2%；为使铝合金和热成型钢材等材料实现链接，其采用了 16 种连接技术，复杂的连接工艺增加了制造难度，提高了制造成本。
2.2 一体化压铸重塑车身制造工艺
汽车铝合金加工工艺分为铸造和形变，其中铝铸件的用量最高。铸造铝合金是指将铝合金加热至熔融状态，流入模具中冷却成型后加工成汽车零部件； 形变铝合金是指通过冲压、弯曲、轧制、挤压(非挤压铸造)等工艺使其组织、形状发生变化的铝合金。实际应用中铸造铝合金一般用于结构更加复杂的部件，例如发动机气缸、汽车摇臂、轮毂、变速箱壳体等耐久性要求高、结构更为复杂的位置，形变铝合金则适用于结构较为简单、对机械性能要求更高的汽车部位。根据《铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望》的统计数据，2017 年我国铸造铝合金约占汽车铝合金市场份额的 77%，形变铝合金的市场份额则为 23%。
铝合金压铸具有产品质量好、生产效率高、经济效果优良的优势。压铸是铸造工艺中最成熟、效率最高的制造技术之一，目前在汽车铸件中占比超 70%。 产品质量好：铝铸件尺寸精度高，表面光洁度好，强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高 25-30%，但延伸率降低约 70%，尺寸稳定，互换性好，并且可压铸铝薄壁复杂的铸件。 生产效率高：铝铸件的压铸模使用次数多且适用于大批量生产，例如国产 JⅢ3 型卧式冷空压铸铝机平均八小时可压铸铝 600-700 次，小型热室压铸铝机平均每八小时可压铸铝 3000-7000 次。 经济效果优良：由于压铸铝件尺寸精确，表泛光洁等优点，一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又降低了加工设备的用量和人员工时。
高压压铸是生产铝铸件的常用工艺，流程可分为合模、配汤、 射出、开模、产品顶出等，是指将液态或半固态金属或合金，或含有增强物相的液态金属或合金，在高压下以较高的速度填充入压铸型的型腔内，并使金属或合金在压力下凝固形成铸件的铸造方法。压铸时常用的压力为 4～500MPa，金属充填速度为 0.5—120m/s。金属液的充型时间极短，约0.01—0.2 秒（须视铸件的大小而不同）内即可填满型腔，高压、高速是压铸法与其他铸造方法的根本区别，也是重要特点。
高压压铸铝铸件力学性能较弱 ， 业内有降低压力、降低速度、减少空气含量 三种技术升级路线 。高压压铸工艺具有成型精密、生产效率高等优点，但由于高速压射时模具型腔中的气体不能被有效排除，会形成气孔缺陷，导致铸件力学性能相对较弱。为了满足汽车零部件的性能与质量要求，业内产生了降低压力、降低速度或者减少空气含量三种主要技术升级路径，其中低压/差压压铸通过降低填充压力以提高铸件内部质量，设备操作难度增加，工艺效率有待提升；超低速压铸可降低工艺压射速度，但生产效率大幅降低，且会对后续清理工作带来困难；真空压铸减少型腔中空气含量，设备成本较高，对工艺技术要求高。
一体化压铸 采用超高 真空高压压铸工艺，能够实现多个铝合金零件的一体化成型。 一体化压铸是指采用特大吨位压铸机，将多个单独、分散的零部件高度集成，压铸一次成型为几个大型铝铸件，从而替代多个零部件先冲压再焊接或铆接组合的方式。 一体化压铸是对传统压铸工艺的全方位升级：1）生产效率高：大型压铸机一次压铸加工时间通常在 80-90 秒，每小时能够完成 40-45 个铸件生产，每天生产铸件数接近 1000 个，而传统加工流程需要 1-2 小时，优势明显；2）材料回收利用率高：废料回收可直接融化，重新铸造，回收利用率约 95%；3）维护成本较低：无需排查每个零部件的制造状态，节约大量人力和时间；4）品控进一步提升：零部件数量减少使得误差累计大幅减少。
一体化压铸能够显著降低传统铝合金加工工艺的连接成本。根据信公咨询数据，传统钢制车身的重量约为 350-350kg，当前钢材价格约为 8 元/kg，预计全钢车身材料成本为 2800-3600元，白车身焊接点以 3000 个进行计算，每个焊接点焊接成本 0.2 元，连接成本 600 元，合计成本在 3400-4200 元；以铝合金用料多的奥迪 A8 做测算，假设钢铝混合车身、全铝车身的重量分别为 280、200-250kg，当前铝合金的单价为 20 元/kg，每个焊接点焊接成本为 0.65元，以此推算出钢铝混合冲焊车身、全铝冲焊车身、一体化压铸铝合金车身的综合成本分别为 5666、5950-6950、4195-5195 元， 一体化压铸铝合金车身工艺 通过减少焊接点显著降低了加工成本。
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