汽車車身中高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)的應(yīng)用

王文鮮 牛金花 曹銀立 胡亞東 趙巖

凌云工業(yè)股份有限公司汽車零部件制造分公司 河北保定 072761

1 汽車車身中高強(qiáng)度鋼熱成形輕量化應(yīng)用現(xiàn)狀

超高強(qiáng)度鋼作為目前市場上性價(jià)比高的輕量化材料，其制造成本與制造工藝較碳纖維材料、鋁合金材料更具優(yōu)勢。在保證汽車安全性能的條件下，優(yōu)化設(shè)計(jì)以減薄車身零部件，可以有效減輕車身重量，在同等車身強(qiáng)度的情況下，重量降低約20kg。

據(jù)報(bào)道，以安全著稱的沃爾沃XC90車型熱成形鋼約占整個(gè)車身重量的40%，而新款XC40小型SUV熱成形鋼車身重量占比也達(dá)到20%。由此可知在其車身上高強(qiáng)鋼以上的材料占比很大，且主要的安全構(gòu)件均為超高強(qiáng)鋼。從國內(nèi)市場來看，隨著C-NCAP（中國新車安全評價(jià)）的不斷升級，自2016年起，上汽大眾和一汽大眾生產(chǎn)的車型中都用到了20多個(gè)熱沖壓件，而現(xiàn)在在售的自主品牌車型，其A柱、B柱、保險(xiǎn)杠、中央通道等部件均開始使用熱成形鋼板。可以說，近年來市場上對于熱沖壓零件的需求在迅猛增加中。

2 熱成形技術(shù)概況

鋼板熱成形技術(shù)是通過一種常溫下抗拉強(qiáng)度在400-600MPa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)的模具中快速沖壓成型。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)1，500-2，000MPa。

熱成形工藝過程分為直接成形和間接成形兩種。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[1]。

熱成形用原材料被廣泛使用的有兩種，一種是表面鋁硅鍍層材料，一種是裸板材料，其基體均為22MnB5。裸板材料經(jīng)過高溫加熱、空氣中轉(zhuǎn)移過程，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，要對無鍍層熱成形零件進(jìn)行拋丸處理以去掉表面的氧化皮。

3 汽車車身中高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)的應(yīng)用

為了更大程度地實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)應(yīng)對日益嚴(yán)苛的C-NCAP星級評價(jià)，有效提高車身安全碰撞性能、降低開發(fā)成本，更為先進(jìn)的熱成形技術(shù)陸續(xù)在國內(nèi)外各車型上得到應(yīng)用，甚至一種零件應(yīng)用多個(gè)新技術(shù)。

3.1 補(bǔ)丁板（Patch Work）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，可以有效改善車輛在正面碰撞和側(cè)面碰撞等事故過程中的乘員生存空間，降低人員傷亡率，采用補(bǔ)丁板熱成形的零部件具有碰撞安全性好、彎曲載荷較高、可局部補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)又有較好的輕量化效果。

3.2 拼焊板（TWB）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)[2]。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。一體式門環(huán)可有效減少車身零件數(shù)量，提高車輛可靠性。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RAM1500也應(yīng)用了此技術(shù)，2020年換代哈弗H6及哈弗大狗均采用了一體式門環(huán)的結(jié)構(gòu)配置。

3.3 柔性軋制板（TRB）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能量傳遞性能，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)（Softzone）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)。模內(nèi)分區(qū)冷卻工藝通過對沖壓模具局部區(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[3]。局部退火軟化工藝是通常是利用激光束對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 結(jié)語

隨著汽車輕量化和安全性能需求不斷升級，性能更佳的熱成形鋼開發(fā)、使用技術(shù)發(fā)展，其相對于冷成形鋼的優(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。