汽車車身中高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)的應(yīng)用

李偉

摘 要：汽車的安全性能以及節(jié)能減排要求越來越高，輕量化是汽車行業(yè)重要的發(fā)展方向之一，高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、節(jié)能減排，保證安全性等方面具有顯著優(yōu)勢和潛力。近10年來，熱成形鋼在汽車車身中應(yīng)用以及熱成形技術(shù)迅速發(fā)展。本文簡要介紹了熱成形技術(shù)的原理、分類以及先進(jìn)熱成形技術(shù)，最后對(duì)高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用做了介紹和展望。

關(guān)鍵詞：熱成形技術(shù) 輕量化 汽車 高強(qiáng)度鋼

Application of Hot Forming Technology of High Strength Steel in Automobile Body

Li Wei

Abstract：The safety performance， energy saving and emission reduction requirements of automobiles are getting higher and higher. Lightweight is one of the important development directions of the automobile industry. High-strength steel hot forming technology has advantages in realizing automobile lightweight， energy saving and emission reduction， and ensuring safety， which is of great significant advantages and potential. In the past 10 years， the application of hot-formed steel in automobile bodies and the hot-forming technology have developed rapidly. This article briefly introduces the principle， classification and advanced hot forming technology of hot forming technology. Finally， the application of high-strength steel hot forming technology in automobile lightweight is introduced and prospected.

Key words：hot forming technology， lightweight， automobile， high-strength steel

1 引言

隨著中國汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車產(chǎn)銷量迅速增加，如中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年中國汽車產(chǎn)量達(dá)2572.1萬輛，銷量完成2576.9萬輛，產(chǎn)銷量繼續(xù)蟬聯(lián)全球第一。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，在為生活帶來便利的同時(shí)，也產(chǎn)生了油耗、污染、安全等問題。汽車節(jié)能減排和提高安全性已是必然的發(fā)展趨勢，國家汽車碰撞、排放等強(qiáng)制法規(guī)也相繼推出，而汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。在車身上使用高強(qiáng)度材料，在保證汽車性能同時(shí)降低鋼板厚度和用量實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的必由之路。

高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行傳統(tǒng)的冷成形時(shí)，容易出現(xiàn)回彈變形、起皺、開裂以及模具壽命低等問題。熱成形技術(shù)將特殊高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速?zèng)_壓，通過模具保壓并實(shí)現(xiàn)淬火，高溫狀態(tài)下材料成形性好，可有效減少回彈并保證模具壽命，此外成形淬火后的零件具有超高強(qiáng)度且價(jià)格合理，因此熱成形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和安全性的先進(jìn)成形技術(shù)[1]。

2 熱成形技術(shù)概況

2.1 熱成形技術(shù)原理

鋼板熱成形技術(shù)是通過一種常溫下抗拉強(qiáng)度在400～600 MPa的硼合金鋼板沖壓料片加熱并保溫至奧氏體化狀態(tài)，然后快速移至內(nèi)置冷卻水道系統(tǒng)的模具中快速?zèng)_壓成型。制件在沖壓成形時(shí)被快速冷卻實(shí)現(xiàn)淬火處理，使奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，最終獲得具有馬氏體組織的超高強(qiáng)沖壓制件，強(qiáng)度可高達(dá)1，500～2，000 MPa。

2.2 熱成形工藝分類

熱成形工藝過程分為直接成形和間接成形兩種[2]，如圖1所示。在直接熱成形工藝中，鋼板在沖壓落料后，直接進(jìn)行加熱，接著快速送至具有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)進(jìn)行沖壓和淬火，然后進(jìn)行修邊等后處理。在間接熱成形工藝中，鋼板在沖壓落料后，先對(duì)料片冷沖壓預(yù)成形，然后進(jìn)行加熱、熱沖壓完全成形、后處理，間接熱成形可適用于形狀復(fù)雜、成型較難或拉深深度大的零件。

2.3 熱成形鋼板表面涂層

裸板硼鋼經(jīng)過加熱、沖壓，表面極易產(chǎn)生氧化皮，而氧化皮影響零件在后工序焊裝工藝的焊接性能以及涂裝工藝的油漆附著力且易銹蝕。因此，要對(duì)無鍍層熱成形零件進(jìn)行加工后處理以去掉材料表面的的氧化皮，一般進(jìn)行拋丸處理或者酸洗處理。

為了避免熱成形過程中表面氧化和脫碳，在鋼板材表面預(yù)先進(jìn)行涂層處理，應(yīng)用最為廣泛的是Al-Si涂層。該涂層具有高導(dǎo)熱性、耐磨損及抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使得涂層鋼板在熱成形程中不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)且有良好的耐腐蝕性能，無需進(jìn)行去氧化層后處理，減少后工序和設(shè)備投入。目前Al-Si涂層應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)一些其他涂層比如納米Zn基涂層、新型Zn-Ni涂層等也在開發(fā)應(yīng)用中[3]。

3 先進(jìn)熱成形技術(shù)

為了更大程度地實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)提高車身安全碰撞性能、降低應(yīng)用成本，更為先進(jìn)的熱成形技術(shù)已陸續(xù)在國內(nèi)外車型中得到應(yīng)用。

3.1 補(bǔ)丁板熱成形

補(bǔ)丁板熱成形，是一種預(yù)先在主體件局部位置連接襯板進(jìn)行局部加強(qiáng)，然后一起加熱、熱沖壓成形的工藝，該工藝主要用于需局部加強(qiáng)的零件，如汽車B柱、A柱內(nèi)板、前圍板加強(qiáng)橫梁等。其優(yōu)點(diǎn)是碰撞安全性好、彎曲載荷較高、可局部補(bǔ)強(qiáng)，具備較好的輕量化效果。如圖2所示為廣汽乘用車GA6車型B柱加強(qiáng)板熱成形補(bǔ)丁板及工藝流程示意圖。

3.2 拼焊板熱成形

拼焊板熱成形是通過激光拼焊將不同厚度的熱成形板料連接在一起，然后一體熱沖壓成形的技術(shù)。拼焊板熱成形應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)零件不同部位的不同性能需求，其在車身中應(yīng)用主要是前/后縱梁、B柱加強(qiáng)板、中通道加強(qiáng)板等。拼焊板熱成形技術(shù)典型的應(yīng)用是一體式激光拼焊熱成形門環(huán)。這種一體式門環(huán)設(shè)計(jì)，采用激光拼焊將最合適的材料厚度和強(qiáng)度放在最合適的位置上，提高材料利用率，同時(shí)可以保證良好的能量傳遞和抗碰撞性能。一體式激光拼焊熱成形門環(huán)于2014年首次應(yīng)用在本田謳歌MDX車型實(shí)現(xiàn)了23%減重，2017年克萊斯勒大捷龍和2018年道奇RAM 1500也應(yīng)用了此技術(shù)。

3.3 柔性軋制板熱成形

柔性軋制板是一種在軋制過程中實(shí)時(shí)調(diào)整軋輥間距，從而獲得在沿著軋制方向上變截面形狀的薄板。柔性軋制板熱成形零件料厚是連續(xù)變化的，強(qiáng)度分布連續(xù)，具有良好的承載和碰撞安全性能，其不足之處是受軋制工藝限制，其厚度變化只能在板料的初始軋制方向上。柔性軋制板熱成形在白車身上的應(yīng)用包括前后地板縱梁、B柱和門檻加強(qiáng)板、中通道加強(qiáng)板等。

3.4 局部軟區(qū)熱成形

某些零件設(shè)計(jì)上出于乘客保護(hù)考慮，需要局部區(qū)域降低強(qiáng)度，如前、后縱梁局部位置，需要低強(qiáng)度導(dǎo)潰來引導(dǎo)形變，在保證足夠的生存空間同時(shí)又能夠有效吸能，減少車輛碰撞對(duì)乘客造成的傷害;局部軟區(qū)熱成形技術(shù)主要可通過模內(nèi)分區(qū)冷卻、爐內(nèi)分區(qū)加熱和局部退火軟化三種工藝實(shí)現(xiàn)[4]。模內(nèi)分區(qū)冷卻工藝通過對(duì)沖壓模具局部區(qū)域進(jìn)行加熱以降低模具和板料之間熱傳導(dǎo)，控制淬火時(shí)的降溫速度，生成較軟的組織，從而形成軟區(qū)。爐內(nèi)分區(qū)加熱工藝是對(duì)成形前料片強(qiáng)度要求低的區(qū)域加熱只達(dá)部分奧氏體化或未奧氏體化，使該區(qū)域最終組織含較多強(qiáng)度較低的貝氏體或珠光體。局部退火軟化工藝是通常是利用激光束對(duì)成形后的零件局部區(qū)域進(jìn)行加熱退火，使該區(qū)域強(qiáng)度下降，通過激光熱輸入能量的大小控制區(qū)域最終強(qiáng)度。

4 汽車用高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)應(yīng)用展望

熱成形高強(qiáng)度鋼因其超高強(qiáng)度、材料輕量化、碰撞安全性等特點(diǎn)，已得到世界各國鋼鐵和整車廠的高度重視和廣泛應(yīng)用。截止2018年的數(shù)據(jù)，全世界共有400條以上的熱沖壓生產(chǎn)線，而中國已有130多條熱沖壓生產(chǎn)線和試模生產(chǎn)線[1]。熱成形技術(shù)在歐美已被普遍作為實(shí)現(xiàn)車身輕量化、提高碰撞性能的有效途徑。已有量產(chǎn)的熱成形鋼車身零件包括A/B柱加強(qiáng)板、前/后縱梁、門檻、保險(xiǎn)杠橫梁、中通道加強(qiáng)板、前壁板加強(qiáng)橫梁、四門防撞梁、輪罩加強(qiáng)板等，如奧迪A3中白車身熱成形比例為21.7%，沃爾沃XC90車型熱成形鋼用量已經(jīng)達(dá)到30%。

國內(nèi)自主品牌熱成形應(yīng)用起步較晚，且受限于部分國外專利、技術(shù)封鎖，發(fā)展水平與國外先進(jìn)汽車制造企業(yè)仍有很大的差距。隨著我國汽車油耗、環(huán)境保護(hù)和汽車安全方面的法律法規(guī)日趨嚴(yán)格，熱成形技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化節(jié)能減排和提高車身被動(dòng)安全性的可行技術(shù)方法，國內(nèi)鋼廠、熱成形件供應(yīng)商以及國內(nèi)各整車廠都在積極研究熱成形技術(shù)的應(yīng)用，熱成形高強(qiáng)度鋼在白車身材料中的占比呈不斷上升趨勢，如廣汽傳祺GS4車身熱成形鋼板應(yīng)用比例超過15%，一汽紅旗HS5車身應(yīng)用比例為16.8%。隨著國外熱成形技術(shù)和設(shè)備對(duì)國內(nèi)企業(yè)進(jìn)一步開放，國內(nèi)各主機(jī)廠設(shè)計(jì)分析能力提升，以及鋼廠熱成形材料技術(shù)水平提升，熱成形高強(qiáng)鋼在車身中應(yīng)用勢必會(huì)有更大的發(fā)展，成為最為重要的輕量化材料之一。另外國內(nèi)車型熱成形鋼持續(xù)提升占比，使得綜合成本下降產(chǎn)生良性發(fā)展循環(huán)，未來的熱成形技術(shù)將向補(bǔ)丁板、激光拼焊板、局部軟區(qū)熱成形等先進(jìn)熱成形工藝及復(fù)雜零件應(yīng)用逐步發(fā)展。

5 結(jié)語

熱成形技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的高強(qiáng)鋼板成形技術(shù)在減輕車身質(zhì)量、滿足車身零部件高強(qiáng)度需求及尺寸精度穩(wěn)定等方面具有顯著的優(yōu)勢，在汽車車身中得到越來越廣泛的應(yīng)用。熱成形技術(shù)在國內(nèi)車身應(yīng)用起步較晚但發(fā)展很快，在汽車產(chǎn)銷量長期處于世界第一的發(fā)展過程中，熱成形技術(shù)的應(yīng)用也從引進(jìn)消化吸收，發(fā)展到協(xié)作和源頭創(chuàng)新。隨著汽車輕量化和安全性能需求不斷升級(jí)，將進(jìn)一步擴(kuò)大熱成形技術(shù)應(yīng)用，對(duì)熱成形鋼的強(qiáng)度、韌性需求多元化和經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高，必將推動(dòng)各鋼廠、熱成形件供應(yīng)商及汽車整車廠等技術(shù)協(xié)同發(fā)展和創(chuàng)新。隨著性能更佳的熱成形鋼開發(fā)、使用技術(shù)發(fā)展，其相對(duì)于冷成形鋼的優(yōu)勢將不斷增加，更多先進(jìn)熱成形技術(shù)將在汽車車身中得到應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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