車身B柱軟區與補丁板技術應用研究

饒俊威 周文煜 閆亮 羅培鋒 楊萬慶

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：B柱軟區 補丁板 耐撞性 輕量化 C-NCAP

1 前言

近年來，隨著人們生活水平大幅度提升，我國汽車保有量也逐年攀升，汽車安全知識的普及使大眾對道路交通安全也越來越關注。中國新車評價規程(以下簡稱C-NCAP)已成為中國汽車產品安全研發的風向標，更成為汽車安全的代名詞。民眾對C-NCAP汽車碰撞星級評價的關注度越來越高，這成為影響汽車銷量的關鍵因素之一。

B柱是車身發生側面碰撞的主要承載體。側碰過程中B柱的變形模式、侵入量以及侵入速度是直接關乎乘員安全的關鍵因素。圖1所示為車身B柱結構與假人身體相對位置。輕量化設計可降低整車質量，從而降低油耗以應對嚴苛的排放法規。因此在車身輕量化設計的同時提高車身結構的碰撞性能是一個重要的技術問題。

圖1 B柱結構對應假人身體部位

國內學者對B柱耐撞性進行了深入的研究，邱瑞斌、陳園[1]等人對B 柱穩健性設計進行了研究，在考慮加工、制造等不確定性因素的前提下對提高了B柱穩健性，且取得了輕量化效果；張維剛[2]等人研究B柱變形模式對側碰的影響，表明合理分配B 柱各部分的侵入速度以及好的變形模式可以有效降低側碰過程中假人的損傷風險；劉迪輝[3]等人開展了車身B柱零件的沖擊試驗,通過采用合適的單元網格劃分提高了沖擊仿真的精度。本文針對應對側碰的B 柱軟區與補丁板技術及其設計思路進行研究，探討B 柱熱成型軟區的主要工藝難點，并結合案例說明B 柱軟區的優勢。

2 車身B柱設計主要思路

2.1 側面碰撞發展趨勢

圖2 可變形移動壁障側面碰撞試驗

2.2 B柱設計思路

車身B 柱的強度決定整車的側碰安全性能。在熱成型技術應用之前，B柱主要采用1.8 mm以上厚度的高強鋼板，如抗拉強度σb≥780 MPa 的高強雙相鋼。在熱成型工藝成熟后，為便于汽車輕量化設計，以應對日趨嚴格的碰撞法規，熱成型B柱得到了更加廣泛的應用。本節將常規熱成型B柱、B柱軟區、B柱軟區與補丁板結合3項技術進行對比分析。

2.2.1 常規熱成型B柱

常規方案B 柱加強板為整體強度一致的熱成型件，其原理為：將原材料為22MnB5的硼鋼于加熱爐中加熱至奧氏體化溫度(900 ℃～960 ℃)于模具中快速成型、冷卻，使鋼板組織成分以馬氏體為主，成型后零件抗拉強度可達1 500 MPa，但其延伸率會大幅下降，易出現焊接冷裂紋、焊接接頭脆化等缺陷，尤其是在高速碰撞過程中，B柱下部容易發生焊點開裂等缺陷，影響碰撞星級評價。

B 柱加強板的碰撞變形模式較難控制，從乘員損傷防護的角度出發，首先應該減小人體正常坐姿下肋骨以上的變形量和侵入速度，因此理想的變形模式為鐘擺式變形模式，即以B柱上端與車頂橫梁連接處為圓心，B柱下端向內繞轉變形的鐘擺式變形模式，但是目前的方案B 柱加強板整體強度一致，僅靠B 柱加強板補板去進行強度和剛度的分配，如圖3所示，變形模式較難控制，碰撞隨機性大。

圖3 常規熱成型B柱設計

2.2.2 B柱軟區強度分配策略

本文中B 柱熱成型軟區結構采用熱成型模內軟區工藝制作而成，主要通過控制熱沖壓軟區模具不同位置的溫度使零件達到變強度要求，熱成型后，硬區屈服強度≥950 MPa，抗拉強度≥1 350 MPa，軟區屈服強度：350～550 MPa，抗拉強度:550～650 MPa，過渡區為硬區往軟區逐步過渡（圖4）。

圖4 B柱軟區抗拉強度分配策略

圖5 為B 柱與側碰壁障相對位置，B 柱結構強度服從上高下低的分布形式，更易獲得理想的B柱變形模式，為了保護車內乘員，應將軟區設置于人體盆骨以下，迫使下部吸收更多的沖擊能量，且下部有汽車座椅的包覆，可更好保護人體（圖6）。成型后上部組織為馬氏體，下部組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，下部焊點更加穩定可靠。

近年來，國內學者圍繞中國乳制品進口貿易進行了較全面的研究。現有研究主要圍繞中國乳制品進口現狀，如貿易格局、結構和進口市場以及進口貿易的特點和對中國乳品產業的影響等展開，同時也涉及中國乳制品進口政策等的相關比較分析。

圖5 B柱與側碰壁障相對位置

為了確保B柱過渡區的性能，需對硬區/軟區過渡區的硬度梯度曲線進行測試，從硬區到軟區測試步長為3 mm 左右，以便于操作為宜，硬度類型可采用HV10 硬度，硬區和軟區至少保證有3 個測量點，提供硬度-位移曲線。理想的硬度梯度曲線如圖7所示。

圖6 B柱軟區位置

圖7 理想的硬度梯度曲線

2.2.3 B柱軟區與補丁板結合

補丁板的工藝技術為在熱成型前將補丁板與B柱加強板進行點焊連接，然后對點焊后的板料進行一體成型，全程只需一套模具即可完成制作（圖8）。

圖8 B柱軟區與補丁板

使用熱成型軟區與補丁板結合的工藝技術進行強度分配，可在獲得理想的B 柱變形模式的同時，對人體肋骨以上區域進行加強，腰線區域折彎程度變小，且侵入速度更小，乘員損傷風險更小。

3 B柱熱成型軟區技術的工藝約束

3.1 熱沖壓工藝約束

圖9 為不同模具溫度下硼鋼的力學性能對比[4]，可知當模具溫度為500 ℃左右時，抗拉強度大于600 MPa，延伸率大于15%，可滿足B 柱軟區的強度以及韌性的要求。

為使模具模面的溫度均勻分布且在500 ℃左右，在模具的上模面設置了加熱棒及冷卻水道，并通過控制柜控制加熱棒的溫度狀態（圖10）[5]。

圖9 不同模具溫度下22MnB5的力學性能[4]

圖10 模內加熱示意[5]

各區域的控制策略如下：

硬區：板料整體加熱至900 ℃～960 ℃，使料片全部完全奧氏體化，高溫成型的零件在模具中快速冷卻（水冷），使料片全部形成高強度淬火馬氏體。

軟區：軟區部位模具內部布置電阻絲，外部連接電加熱系統，迫使軟區部位持續穩定加熱至500 ℃，直至需要軟化的部分的奧氏體轉化為含有珠光體、鐵素體和貝氏體組織，以實現同一零件上不同區域不同的機械性能，實現軟區低強度、高變形能力的特征。

過渡區：過渡區域組織在軟區組織的基礎上會夾雜一點馬氏體，力學性能介于軟區與硬區之間，可以防止性能突變導致的側碰鈑金撕裂問題。

出模具時軟區為450～500 ℃左右，過渡區為400 ℃左右，硬區為200 ℃左右，然后在空氣中進行自然冷卻。

3.2 尺寸工藝約束

B柱軟區零件在實際的生產中會出現零件與檢具間隙超差或干涉現象，這種現象說明，模具模面需要進一步的補償重構，以提高零件精度。

3.2.1 原因分析

模具由常溫狀態加熱至500 ℃工作狀態，熱膨脹現象將導致模具模面產生較大的位移，并將影響到B柱零件的最終成形狀態。B 柱軟區零件上、下2 部分溫度控制策略不同，導致變形程度不一致也是使零件最終面輪廓度超差的重要因素。如圖11 所示為前期模具優化匹配過程中的零件形態，由圖可知B 柱下部呈中間拱起的形態，這也是熱成型軟區零件常見的問題。

圖11 零件形態

零件精度超差將導致車身鈑金異響和安裝面的品質問題，為提高零件的精度，熱沖壓模具模面的設計極其重要。

3.2.2 解決思路

為使生產的B柱零件達到精度要求，需要對模具模面補償重構，以獲得優化后的模面，并按照優化后的模面制造熱沖壓模具[6]。

模面優化流程如圖12所示，首先借助有限元模型提取模面節點的位移數據，通過對比準確數模，判斷模面精度是否滿足要求，若精度超差則設定補償系數，并重新生成模具模面，對三維模型進行重構，并再次進行模具熱應力分析，直至模具模面滿足要求，進而獲得能生產出滿足零件精度的模具模面。

圖12 模面優化流程

3.3 金相組織成分

熱沖壓成型鋼22MnB5 主要用于汽車防撞部件。熱沖壓成型鋼顯微組織的差異對產品的力學性能和產品的最終使用性能有著極其重要的影響。

熱成型鋼板及鋼帶成型前主要為鐵素體和珠光體，如圖13(a)所示，允許少許貝氏體存在。熱成型車身零部件硬區的金相組織主要為馬氏體，如圖13(b)所示，微觀結構應轉化均勻，不能存在裂紋，在強度滿足要求的前提下，允許少量鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體。當模具溫度較高時冷卻速度較慢，由圖13(d)可知[7]，軟區部分金相組織主要由鐵素體與貝氏體及少量珠光體組成。如圖13(c)所示，由于貝氏體組織硬度值較高，軟區部分的組織形態能夠滿足相關的力學性能要求。

圖13 硼鋼CCT曲線及金相組織

4 側面碰撞性能分析

為對B柱軟區的碰撞性能進行驗證，建立了側面碰撞的有限元模型，分別將常規B 柱熱成型與B 柱軟區碰撞形態進行對比（圖14）。

當采用常規B柱加強板時，B柱頂部搭接處彎折，折彎點往上移，門檻翻轉增加，肩部彎折增加，乘員損傷風險更大。常規B柱熱成型與B柱軟區最大侵入量相當，均為170 mm 左右，但是采用B 柱軟區后，通過強度設定改善了側碰變形模式，且最大侵入速度降低，如表1所示，軟區結構提高了碰撞的可靠性，減少了乘員損傷風險。如采用常規B柱熱成型結構，為了保證碰撞的可靠性，需在下部增加焊點或者提升料厚對B 柱進行加強，因此B 柱軟區結構能起到一定的輕量化效果。

表1 最大侵入速度對比

圖14 B柱碰撞形態對比

5 結束語

本文綜合考慮車身輕量化設計及整車側面碰撞安全性能，提出針對側碰的B柱軟區及補丁板優化設計的整體思路。分別探討熱沖壓工藝約束、尺寸精度約束、金相組織成分對B 柱軟區的影響，通過常規熱成型B 柱與B 柱軟區碰撞性能的對比，證明采用B 柱軟區結構側碰變形模式較為理想，能有效平衡耐撞性與輕量化設計的需求。