熱成形的應用與質(zhì)量控制技術

文/樊艷俠,徐慧剛,謝佑清,蘇琦·神龍汽車有限公司技術中心

熱成形的應用與質(zhì)量控制技術

文/樊艷俠,徐慧剛,謝佑清,蘇琦·神龍汽車有限公司技術中心

樊艷俠，工程師，主要從事車身底部結構設計以及結構件（包含成形熱成形零件）國產(chǎn)化項目管理工作。

本文介紹了熱成形零件的類型以及這幾種類型在白車身上的分布以及應用情況；同時，從熱成形的微觀和宏觀兩個方面介紹了熱成形的質(zhì)量控制技術。

世界節(jié)能與環(huán)境協(xié)會的研究報告指出：汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，面對國內(nèi)汽車保有量不斷攀升、排放增大、環(huán)境污染日趨嚴重、全球資源短缺、新能源汽車續(xù)航能力不足等問題，汽車輕量化將是未來汽車重要的發(fā)展方向之一。綜合比較鋁合金、鈦合金、鎂合金，以及非金屬碳纖維復合材料等輕量化材料，高強度鋼是目前滿足車身輕量化，同時提升碰撞安全性能的最佳材料之一。近年來，熱成形在主機廠的應用越來越廣泛；同時，隨著熱成形技術的不斷創(chuàng)新，新的熱成形類型應運而生并且技術越來越成熟，給主機廠帶來了更多的選擇。本文著重介紹目前已經(jīng)量產(chǎn)的幾種類型。

由于熱成形零件涉及很復雜的金屬材料熱、力、相變等多物理場耦合等等問題，所以相對冷沖壓件，熱成形零件在質(zhì)量控制上有很多特殊的要求。在這種背景下，熱成形的工藝過程控制技術，將作為主機廠和熱成形供應商共同研究的一個課題并且會持續(xù)不斷更新。

熱成形零件的類型，分布以及應用

隨著熱成形技術的發(fā)展，熱成形種類越來越多，并且也越來越成熟。表1是目前比較成熟的熱成形類型在成形前的板料截面示意圖，這幾種類型已經(jīng)應用到很多車型上并且已經(jīng)量產(chǎn)。另一方面，由于車身輕量化以及碰撞的要求越來越高，熱成形零件在白車身上的分布越來越廣，單車上熱成形零件使用數(shù)量也越來越多。根據(jù)碰撞時力的傳遞，白車身上有接近40個零件都是可以使用熱成形工藝的，如圖1光亮處所示。

表1 成形前板料截面示意圖（5種類型）

以下是熱成形類型在成形前的板料截面介紹。

⑴等厚。熱成形前的板料為一塊等厚板料。等厚是目前應用最廣的類型，一個白車身上等厚的熱成形零件占所有熱成形零件的90%以上。如圖1中紅色零件一般都設計成等厚熱成形零件。

圖1 熱成形零件的分布圖

⑵激光拼焊板（TWB）由兩種料厚不一致，材料不一致的料片通過激光拼焊的方式連接在一起，兩塊料厚最佳比例為1.5∶1；同時，強度較弱的部位，如中立柱下部區(qū)域采用的是一種新的可用于熱沖壓成形鋼種Ductibor600，兩種材料拼焊后再熱成形。激光拼焊板可以實現(xiàn)同一個零件不同強度，目前普遍應用在中立柱加強板上,還可以應用在前縱梁、后縱梁上。但是激光拼焊結構要保證焊縫起弧位置的強度。某車型中立柱加強板就曾遇到過起弧處撕裂的情況，所以保證激光拼焊的焊縫強度是材料供應商重要的研究項目。同時，激光拼焊板在模具調(diào)試階段較其他車型相對困難，所以，對于主機廠來說，TWB的結構一般都不會是最優(yōu)先選擇的結構。

⑶打補?。≒ATCH）由一個或者幾個小的料片在熱成形前通過懸點焊的方式與另一個大的料片焊接在一起，然后再進加熱爐。小料片的材料和大料片一致，但是大小尺寸不一樣，料厚也可能不一致。PATCH結構能起到局部加強的作用，一般應用在風窗支柱加強板以及中立柱加強板上部。該結構對焊點的數(shù)量以及布置要求很高。熱成形后由于硬度、強度很高，PATCH焊點的檢測非常困難。目前普遍采用的是檢測熱壓前的焊點強度，所以需要將熱壓前的焊點強度和熱壓后的焊點強度做一個對應關系的比對，通過檢測熱壓前的焊點強度來評判熱壓后的焊點強度。

⑷原材料為軋制不等厚（TRB），同一塊板料上實現(xiàn)幾種不同的料厚，不同的料厚之間為漸變式過渡區(qū)域。TRB可以滿足不同區(qū)域、不同強度的需求，一個零件可以取代幾個零件，目前全球僅一家提供TRB的板料，原材料采購周期長；原材料成本相對較高。TRB目前主要應用于縱梁以及中立柱加強板上，某款車型的縱梁有9處不同的料厚，如圖1紫色零件所示。

⑸軟區(qū)。板料為一個等厚料片，通過熱成形加熱爐設備或者模具實現(xiàn)不同區(qū)域、不同強度的功能。同一個零件上分成了2個區(qū)：硬區(qū)和軟區(qū)。硬區(qū)抗拉強度仍為1500MPa,屈服強度為950MPa；軟區(qū)屈服強度有3種，1)軟區(qū)屈服強度400MPa,抗拉強度600MPa；2)軟區(qū)屈服強度550MPa,抗拉強度700MPa；3)軟區(qū)屈服強度700MPa,抗拉強度900MPa。如果通過加熱爐來實現(xiàn)軟區(qū)和硬區(qū)，需要增加設備投資；所以目前一般通過模具實現(xiàn)：硬區(qū)布置冷卻水道，冷卻速度快，軟區(qū)布置加熱器，冷卻速度慢。這對供應商的調(diào)試能力要求很高。

對于需要不同潰縮量的同一個零件，可以采用軟區(qū)的設計結構，例如前縱梁前部可以設計成軟區(qū)；中立柱下部潰縮量比上部大，則中立柱可以采用軟區(qū)結構，中立柱下部可以設計成抗拉強度550MPa,屈服強度500MPa。同樣，后縱梁也可以采用軟區(qū)的結構。軟區(qū)較其他幾種類型，模具成本較高，但是其輕量化比較明顯。所以，對于類似中立柱加強板/前縱梁/后縱梁，可以采用多種熱成形結構時，需要從質(zhì)量、成本、周期、性能和輕量化等幾個方面綜合考慮后，最終確定一種設計方案。

熱成形零件質(zhì)量控制技術

機械性能和微觀組織的過程控制

和冷沖壓不一樣的是，熱成形需要將板料加熱至930℃左右并保溫一段時間，保證奧氏體組織均勻化，然后再進入帶冷卻系統(tǒng)的模具中成形并快速冷卻淬火，保壓，最終變成均勻的100%馬氏體組織；抗拉強度可以達到1500MPa,屈服強度≥950MPa, 延伸率＞6%, HV50(中央)≥400。

所以，除和冷沖壓一樣，需要對原材料的料厚，板料表面外觀（是否有裂紋，鱗片，氧化等）、原材料的化學成分、原材料的機械性能、鍍層重量、模具的閉合高度、氣墊壓力、板料在模具中的定位等等監(jiān)控外，熱沖壓件有其特有的工藝參數(shù)，主要表現(xiàn)在：

⑴加熱爐的溫度。

加熱爐劃分了很多溫區(qū)。例如，35m的爐子可能會劃分15個溫區(qū)，每個溫區(qū)的溫度都控制在930℃左右。將板料加熱至930℃并保溫一段時間，使板料充分奧氏體化。

⑵加熱時間。

因為板料料厚不一樣，一般不同的零件會設定一個不同的加熱時間并在生產(chǎn)過程中作為參數(shù)進行控制。但是往往在實際生產(chǎn)過程中，會遇到各種各樣的小故障，有時會間接迫使停留在加熱爐中的板料的加熱時間比參數(shù)中設定的時間要長。這樣，直接會導致熱成形零件表面出現(xiàn)不同的顏色。如果時間更長，超過某個值，機械性能以及微觀組織就會受到影響。

顏色的變化一般會發(fā)生在鋁硅鍍層的板料上，隨著加熱時間的增加，鐵離子和鋁硅發(fā)生不同的化學反應，從而導致鍍層表面顏色的變化。產(chǎn)生色差的原因是光線的干涉，干涉色是光透過膜上的反射光和底面的反射光所產(chǎn)生的干涉作用。

表2 加熱時間對應的顏色以及性能報告

表2是某熱成形零件加熱時間對應的顏色以及性能報告（本實驗所得數(shù)據(jù)為每種顏色3套零件平均值，實驗中正常零件取值來自前期實驗的平均值）。

通過大量的實驗數(shù)據(jù)表明：隨著零件加熱時間的增加，零件顏色逐漸變淺；到1000s時，顏色變深，硬度值降低。目前來講，比較安全的加熱時間是控制在1200s以內(nèi)；有的供應商甚至控制在900s以內(nèi)，在這個區(qū)間內(nèi)，零件性能以及微觀組織基本上沒有問題。如果在批量生產(chǎn)過程中遇到顏色的問題，可以和供應商共同建立色板卡，來評判零件是否合格。

⑶成形前的坯料溫度。

板料從加熱爐中取出到達模具進行成形淬火前，板料冷卻主要是空氣對流散熱和輻射換熱。在實際生產(chǎn)過程中，熱成形沖壓設備上都會裝有一個溫度傳感器，檢測板料成形前的溫度。不同零件成形前的溫度會有差異，理想的溫度是750℃左右。

關于坯料從加熱爐出來移至模具型腔的時間，可以通過板料成形前的溫度，板料的厚度、尺寸、鋼板表面的熱流密度等等計算得出，并靠設備來保證該時間。

對于上述表1中的PATCH結構，在模具設計時，沖壓方向一定是PATCH面指向大面的方向。主要是因為：⑴在加熱爐中，PATCH面不能直接接觸滾輪，而應該保證熱成形板料的大面接觸滾輪。如果PATCH直接接觸滾輪，那么在滾輪運動過程中， PATCH料片有可能被卡在兩個滾輪之間，會造成停線；⑵熱成形板料從加熱爐移到模具中，由于受節(jié)拍、成本等限制，端拾器都不會設計成將板料從加熱爐中取出，旋轉(zhuǎn)180°后再放到模具中?；谝陨蟽牲c，在PATCH模具設計時，要特別注意限制條件。

⑷保壓時間。

保壓在模具中實現(xiàn)，熱成形的模具集成形和冷卻淬火于一身。鋼板保壓淬火階段，鋼板溫度隨時間的變化主要由鋼板與模具間的熱阻和接觸面積決定。熱成形模具上帶冷卻系統(tǒng)，通過模具傳遞熱量使零件快速冷卻，最終轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

冷卻時間可以先模擬計算一個值，后續(xù)調(diào)試過程中，可以不斷進行優(yōu)化。某車型中立柱加強板在實際生產(chǎn)過程中，冷卻時間不斷優(yōu)化，第一次將冷卻時間由11s優(yōu)化到9s；第二次由9s優(yōu)化到7s并保持不變。

⑸冷卻速度。

只有在冷卻速度超過某一臨界值后，才能使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，目前研究出來的熱沖壓工藝冷卻速度最小30℃/s。

幾何尺寸的過程控制

⑴熱成形零件的型面幾何尺寸。

熱成形零件的型面尺寸主要取決于上下模鑲塊的加工精度、模具的閉合高度、溫度等等。熱成形模具在普通模具的基礎上增加了冷卻系統(tǒng)，上下模鑲塊都設計了冷卻水道；同時對于復雜零件同樣也需要增加壓料的設計結構，先壓料再成形。目前對于熱成形零件，貼合面面位置度公差帶能控制在1mm以內(nèi)，非貼合面面位置度公差帶能控制在2mm以內(nèi)；與低強度冷沖壓鋼材（如DC04）相比，熱成形由于受到溫度等因素影響，型面尺寸精度穩(wěn)定性稍差；但與高強度鋼冷沖壓（抗拉強度大于400MPa）對比，由于高強度鋼板冷沖壓回彈較大，熱成形尺寸的符合性和穩(wěn)定性具有較大的優(yōu)勢，冷沖壓板材強度越高，熱成形優(yōu)勢越明顯。

⑵熱成形零件修邊線以及孔尺寸。

根據(jù)零件功能的需求，有些零件的部分修邊線采用預開發(fā)，后續(xù)不再進行激光切割；有些是必須要采用激光切割的。目前，判定修邊線是否采用激光切割的公差帶臨界值基本設定在4mm。低于4mm的，采用激光切割；高于或者等于4mm的采用預開發(fā)以節(jié)約成本。

如果采用預開發(fā)，后續(xù)不再激光切割，修邊線誤差的控制來源于以下幾個方面：

①開卷落料所帶來的公差。

開卷落料優(yōu)點是材料利用率高，但是缺點是多布局沖裁后獲得最終料片，存在誤差累積；誤差累積±0.5mm，生產(chǎn)通過調(diào)整關鍵位置，最多可以控制誤差量±0.4mm。

②熱壓成形在模具中的定位誤差。

同冷沖壓模具一樣，熱成形模具上同樣會采用定位銷定位，板料孔與定位銷間隙0.1～0.2mm，否則板料會卡住，放不進模具。

③熱成形過程中材料流動。

熱壓過程中材料在模具中流動不均勻，產(chǎn)品形狀隨料片投入角度位置、初始觸料位置、沖壓速度（應變速度）、沖壓變形壓力、模具溫度和環(huán)境溫度等等的變化而發(fā)生變化。所有零件均存在波動，依據(jù)零件形狀，不同部位產(chǎn)生不同波動。這個誤差需要根據(jù)具體零件來具體分析，以后縱梁加強板為例，會產(chǎn)生±0.5mm的偏差。

④零件在激光切割后的應力釋放產(chǎn)生±0.2mm的偏差。

⑤成形性的自身因素會產(chǎn)生±0.5mm的偏差。

對于后續(xù)修邊線需采用激光切割的工藝，以下幾個參數(shù)需要控制：

①零件在激光切割夾具上的定位：工序件在激光切割夾具上的定位，對成品件的穩(wěn)定性有著決定性的作用。目前最優(yōu)的定位方式是1個翻孔+型面來定位。其中翻孔孔徑φ16mm，翻邊高度1～3mm；

②使用氣體的壓力（高壓）；

③使用氣體的壓力（低壓）；

④切割速度等等因素。

一般激光切割后的孔徑公差最高可達到0.2mm，孔位以及修邊線的位置度可控制在1mm以內(nèi)。

關于熱成形后的修邊線，除了激光切割的方式，還可以采用冷切的方案。

激光切割設備一次性投入較高，但是設備可以供其他零件使用；單個零件上激光切割區(qū)域越多，所需時間就越長，成本越高；激光切割需要投資1套夾具。冷切投入的模具費用較設備投資相對少，但是不能與其他零件共模，生產(chǎn)效率比激光切割高。對于產(chǎn)量達到或高于一定數(shù)量的車型，用修沖孔模替代激光切割，可以減少激光切割的成本，同時提高生產(chǎn)效率，從而降低零件成本。目前，已有零件采用后續(xù)冷切的方案進行批量供貨。

同時，對于修邊線，從技術上來講，也可以在熱壓過程中進行修邊。

對于在熱壓過程中進行修邊，有的供應商也研究過，但是目前由于節(jié)拍達不到要求，并且控制方面穩(wěn)定性差，所以一直處于研究階段，并沒有實現(xiàn)量產(chǎn)。

熱成形件的可追溯性標識

所有的零件必須要有可追溯標識，可追溯各個工序的生產(chǎn)信息、數(shù)量、人員及原材料。對于熱成形零件也不例外。冷沖壓件會在成形工序上打標識。但是和冷沖壓不同的是，在熱成形過程中實現(xiàn)打標識難度很大：⑴增加的打印標識的鑲塊會影響冷卻系統(tǒng)；⑵在材料流動的情況下進行打刻，打印標記內(nèi)容會受到影響。所以，對于熱成形零件來說，一般在拆垛系統(tǒng)中增加一個打碼工位，機器人取料片→打標識→將料片送至滾輪上→再進加熱爐加熱。這套打碼的設備可以適用于不同車型的不同熱成形零件。

結束語

隨著輕量化和碰撞要求越來越高，熱成形的設計也在不斷的革新。熱成形材料供應商，設備供應商以及模具供應商等和主機廠將面臨更多的挑戰(zhàn)與機遇。同時，熱成形的工藝控制技術將隨著熱成形設計的變化不斷更新，質(zhì)量控制將作為主機廠和熱成形供應商共同研究的一個課題并不斷優(yōu)化。