汽車輕量化熱成形技術應用概述

莊厚川 石海鑫 金科 董笑飛

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130013）

主題詞：輕量化 熱成形

1 前言

輕量化能夠降低車輛排放、提升動力和操控性能，尤其對于新能源汽車，減重能夠顯著提升續駛里程。對于白車身的輕量化，目前應用高強鋼仍然為主流手段，首先其成本極具競爭性，其次高強鋼的強度水平可以較好的滿足日益嚴苛的安全碰撞要求。隨著強度水平的不斷提升，冷成型高強鋼制件出現沖壓開裂、回彈翹曲等典型問題，而熱成形兼顧成形性和強度[1]。近些年來，在傳統熱成形工藝方案基礎上，行業內發展了諸多新的派生技術以更好適應車輛輕量化和碰撞性能兩方面不斷增加的需求。

2 熱成形技術概況

2.1 熱成形技術原理

鋼板熱成形技術是將硼鋼沖壓料片加熱至奧氏體化狀態，快速移至內置冷卻水道的模具中，制件被沖壓成形的同時，以一定的冷卻速度實現淬火處理，最終獲得具有均勻馬氏體組織的超高強沖壓制件。

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]。在直接熱成形工藝中，坯料被加熱后，直接送至閉式模具內進行沖壓和淬火，然后進行切邊、沖孔等后續工藝。在間接熱成型工藝中，先對料片冷沖預成形，然后進行加熱、熱沖壓完全成形、切邊沖孔等工藝。

兩者區別在于，間接熱成形在加熱前多了冷沖預成形工序，如圖1[2]所示。一般而言，直接熱成形工藝方法適用于簡單零件，間接熱成形適用于形狀復雜零件或深拉深零件。

圖1 直接、間接熱成形工藝圖[2]

2.3 熱成形鋼板表面涂層

無鍍層鋼板在加熱、沖壓過程中有氧化皮產生，后續需要進行噴丸處理。無鍍層熱成形零件在儲存、使用過程中容易發生銹蝕。為了避免該情況，最早由安塞洛公司研發了Al-Si涂層工藝，該涂層具有低密度、高導熱性、耐磨損及熱膨脹系數小等優點，涂層鋼板在生產過程中不會發生氧化反應，無需進行表面處理，減少了工藝環節和生產設備，零件耐腐蝕性能好。除此以外，Al-Si涂層能夠一定程度上降低鋼板和模具間的摩擦系數，改善沖壓成形性能。目前Al-Si涂層應用最為主流，同時也存在一些其他的涂層技術，比如納米Zn基涂層、新型Zn-Ni涂層以及較為前沿的由有機和無機材料組成的非金屬復合涂層等[4]。

2.4 熱成形鋼板的機械性能

熱成形鋼板優勢在于能夠兼顧良好的成形性和極高的強度。

良好的成形性得益于未淬火之前鋼板本身拉延性能較好，故能夠保證間接熱成形一定程度的預成形，而在奧氏體化加熱后，成形性能進一步得到增強。

沖壓淬火后的零件微觀組織為馬氏體，決定了其具有極高的強度。理想情況下，零件組織為全馬氏體，由于零件各部位（沖壓角度不同）與模具之間壓合力細微差別會致使淬火程度不同，各部位的強度也會有細微差別，這也是熱成形零件結構設計時需重點關注的問題。目前應用最為廣泛的熱成形鋼板抗拉強度在1 500 MPa級別，強度級別更高的1 800 MPa熱成形（或稱2 GPa熱成形）也已經在部分國內外鋼廠、高校研發成功，正在積極推向市場。另外安塞洛公司提供低強度級別的熱成形鋼板Ductibor?500和Ductibor?1000，主要用在拼焊熱成形部件中，以便于實現零件不同部位匹配不同強度的設計靈活性。

3 先進熱成形技術

3.1 熱成形補丁板

補丁板，是一種在基板局部連接襯板獲得的變厚度板材，連接上去的板材對構件局部起到加強結構承載能力的作用。熱成形補丁板工藝即主板和襯板通過點焊連接在一起，然后進行整體加熱、熱沖壓成形，如圖2所示，該工藝屬于局部補強，具備較好的輕量化效果。

熱成形補丁板目前主要用于汽車B柱、前縱梁后段、鉸鏈加強板、A柱內板、前圍板加強橫梁等。如圖3所示為斯巴魯IMPREZA車型A柱熱成形補丁板。

圖2 熱成形補丁板工藝流程

圖3 斯巴魯IMPREZA車型的熱成形補丁板A柱[6]

該工藝需要關注以下幾點[5]：

（1）主板和襯板料片若出現高強鋼焊接常見的脫焊、虛焊、焊點拉脫等問題，會嚴重影響后續工序，造成零件連接強度減弱、補丁板竄動、尺寸誤差，嚴重時甚至損壞模具；

（2）對于涂層板，由于補丁板區域沖壓過程中變形相當劇烈，當模具間隙過小、材料流動程度較大時，容易破壞涂層；

（3）補丁板熱成形的料厚突變，對于沖壓工藝的要求極高，容易產生廢品。

3.2 熱成形拼焊板

拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB）熱成形是將兩塊或多塊不同厚度的熱成形板料通過激光拼焊連接在一起，然后進行整體沖壓，以實現零件不同部位的性能需求。

拼焊板熱成形優勢體現在提升材料利用率、結構設計靈活性高、實現整車輕量化，其主要應用部位主要是前/后縱梁、B柱、中通道加強板、門檻、頂蓋加強板、后側圍內板等。

圖4 一體式激光拼焊熱成形門環[7]

目前熱成形拼焊板技術最有效果的應用是一體式激光拼焊熱成形門環（Tailor Welded Hot Stamp Door Ring），如圖4所示[7]。這種門環根據性能需求，不同部位板料厚度或強度級別不同，通過激光焊接為整體料片，一體沖壓成型。這種門環剛度和強度性能極佳，作為汽車碰撞“安全籠”概念的重要組成部分，在正碰、側碰尤其是小角度偏置碰防護中表現優異。另外該技術還具備良好的輕量化效果，激光拼焊較點焊工藝省略焊接搭接邊，在側圍門環整體尺寸上衡量，其降重效果尤為可觀；其次由于零件不同位置厚度或強度精確分布，避免了性能冗余帶來的非必要性重量增加。目前謳歌、本田、克萊斯勒相關車型均有應用此技術。

3.3 TRB熱成形

柔性軋制板（Tailor Rolled Blank），簡稱TRB，是一種通過變厚度軋制方法生產的縱向變厚度鋼板。

TRB熱成形工藝與TWB熱成形具有一定相似性，均能實現性能定制的目的。其差異體現在[8]：

（1）TRB不同厚度之間是連續變化的，強度分布連續，承載效果優異，而TWB板厚是突變的；

（2）生產工藝特點決定了TRB板料的厚度只能在一個方向，即軋制方向上變化，TWB焊縫雖然多為直線，但是位置和角度可調，在料片設計靈活性、材料利用率方面好于TRB。

TRB熱成形在白車身上的應用非常廣泛，包括前后地板縱梁、B柱和門檻加強板、頂蓋各個橫梁、儀表盤支架、中通道加強板等，目前在B柱上的應用最多（圖5）。

圖5 TRB熱成形B柱示意[9]

3.4 局部軟化熱成形

熱成形零件抗拉強度能達到1 500 MPa以上，能夠有效抵御碰撞，但一個零件并非全部位置越強越好，如前、后縱梁局部位置，需要一定導潰來引導形變，既保證足夠的生存空間，又能夠有效吸能，減少車輛碰撞瞬時加速度對乘客造成的傷害，圖6[10]展示了具有“軟區”導潰設計的后縱梁碰撞仿真結果和實體試驗結果的對比，一致性良好。又比如B柱側碰希望實現的“鐘擺”效果，要求上部強度高于下部，用以保護駕駛員頭部。以上這些性能需求催生了不同的軟硬分區熱成形技術。

軟硬分區熱成形工藝主要分為3大類：模內分區冷卻熱工藝、爐內分區加熱工藝和局部退火軟化工藝[11]。

圖6 “軟區”熱成形后縱梁碰撞結果[10]

（1）模內分區冷卻工藝

模內分區冷卻工藝對沖壓模具局部區域進行加熱以降低模具和板料之間熱傳導，減弱淬火程度，從而生成較軟的組織，如貝氏體、珠光體等，達到不同部位不同強度的目的。模具中局部加熱的位置和形狀通過特定鑲塊實現。

（2）爐內分區加熱工藝

爐內分區加熱工藝是指沖壓前對熱成形料片不同區域進行不同程度的加熱，根據零件的性能設計要求，強度需求高的區域充分加熱至奧氏體溫度以上，這部分區域在沖壓淬火后組織為全馬氏體；強度要求低的區域加熱程度低，只達部分奧氏體化或未奧氏體化，該區域沖壓后組織中強度較低的貝氏體或珠光體居多[12]。

爐內分區加熱常用方式是通過使用2D或3D形狀的輻射加熱器和屏蔽輻射的掩模來實現。

（3）局部退火軟化工藝

局部退火軟化工藝是指對成形后的零件局部區域進行加熱退火，使該區域強度下降。目前主要手段是通過激光束操作，退火區域的最終強度水平能夠依靠激光熱輸入能量的大小進行控制。

激光局部退火工藝的優勢在于，可以在很小尺寸范圍內進行復雜軟區形狀設計，保證安全碰撞部件更為精確的導潰路徑，更為重要的是，其有希望解決更高強度如2 GPa熱成形零件受沖擊后，其應力集中區域產生早期裂紋的風險，該裂紋會使零件過早失效而達不到高強度材料所預期的防沖擊效果。相關機構的研究結果（圖7）表明[13]，局部進行激光退火軟化處理的熱成形零件在沖擊試驗中能夠有效的避免微裂紋的產生。

4 結論

熱成形技術發展比較早，熱成形鋼板超高的強度、良好成形性能和性價比使其成為白車身安全部件首選材料。最近一段時期，熱成形材料、工藝技術獲極大的優化和豐富，以應對更為緊迫的車輛降重趨勢和不斷提升的安全性能需求。

圖7 熱成形后激光退火軟化對抗沖擊性能的提升[13]

目前國內車企的熱成形鋼板用量迅速增加，但由于起步較晚，缺少先進裝備并受限于國外部分專利、技術封鎖，熱成形技術和應用水平較國外還有一定差距。隨著國外技術、設備對國內企業進一步開放以及國內汽車產業規模的進一步增大，熱成形材料和技術勢必會有更大的發展，成為最為重要的汽車輕量化材料之一。