熱成型技術的應用現狀和發展趨勢

　　摘要：闡述了熱成型技術在汽車行業的起源和發展過程，簡單介紹了熱成型的分類與技術原理，探討了先進熱成型技術的發展趨勢，分析了國內外的具體應用及現狀，總結了熱成型技術在國內自主品牌應用中所存在的問題。

　　關鍵詞：熱成型 輕量化 碰撞

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　　前言

　　隨著汽車新材料的不斷應用，以及滿足市場對輕量化和高安全性能汽車需求的先進設計理念的不斷引入，製造工藝也需要不斷革新。採用高強度鋼板衝壓件製造車身是同時實現車體輕量化和提高碰撞安全性的重要途徑。目前汽車車身安全件普遍採用1 300~1 500 MPa 級的超高強零件，但是高強度鋼板強度越高，越難成形，尤其是當鋼板強度達到1 500 MPa時，常規的冷衝壓成形工藝幾乎無法成形。熱成型技術的採用可以很好地解決超高強零件的成型問題。

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　　熱成型技術發展歷程

　　19世紀中期，瑞典SSAB公司研發出了第一代熱軋與冷軋含硼鋼；20 世紀70 年代，熱成型工藝首先在瑞典得到開發並取得專利。

　　瑞典SSAB 汽車公司在1984 年成為第一家採用硬化硼鋼板的汽車製造商，生產出第一件熱成型汽車零件——客車門內防撞梁。隨後，這一技術相繼應用於保險槓橫梁、A柱和B柱加強件以及底盤組件等，但是由於加工緩慢，且價格高，應用熱成型技術生產的零件種類非常有限，只被原始設備製造商所接受。

　　80 年代中期之後，熱成型技術進入高速發展階段，當時有3 家公司可提供零件；1991 年，熱成型保險槓橫梁用於福特汽車；全球生產的熱成型零件數量從1987年的3百萬件增加到1997年的8百萬件。從2000 年起，更多熱成型零件被用在汽車上，而且年產件量在2007 年上升到約1.07 億件。2013 年，約80%的白車身骨架類零件均可由熱衝壓技術加工，產量超過3億件。

　　目前，全世界熱成型生產線已超過200 條，Benteler 擁有其中近40%，是世界上最主要的熱成型零件供應商，GESTAMP 是世界上首個提供熱成型件的廠家，其客戶主要集中在歐洲車系，COSMA也是主要的熱成型供應商之一。國內熱成型零部件企業近年發展突飛猛進，建成（含在建）的生產線有50多條，其中比較著名的是上海寶鋼、上海賽科利、屹豐集團、凌雲吉恩斯等。

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　　熱成型技術概述

　　目前，熱成型分為直接熱衝壓和間接熱衝壓，如圖1所示。在直接熱衝壓中，半成品先被加熱，再轉移到閉式模具內成型和淬火；間接熱衝壓主要使用預成型冷模，對形狀較為複雜或拉延較深的零件先進行一次冷衝預成型，之後與直接熱衝壓工藝基本相同，如中通道等零件。

　　22MnB5 是熱衝壓技術最為常用的鋼種，通常，熱衝壓前其組織為鐵素體+珠光體，抗拉強度約600 MPa，經熱衝壓後組織為全馬氏體，抗拉強度達約1 500 MPa（見圖2a）。眾所周知，C 含量對材料淬火後的強度影響較大，而Mn、Cr 等元素的影響較小。在調整好元素後，通過柔性化的冷卻速率便可獲得期望的相變和硬化效果，其中B 元素對硬化的貢獻較大，它能減緩奧氏體向軟相（鐵素體）轉變，即提高淬透性。

　　為了獲得這類組織和硬度的轉變，半成品將被在950℃持續奧氏體化至少3 min，然後成型，在冷卻水中淬火5~10 s。只要板材在模具中冷卻速度超過馬氏體臨界轉變速度（約27 ℃/s），就將導致非擴散馬氏體組織的轉變。馬氏體轉變溫度在425℃左右，轉變終止溫度在280℃左右，最終產生高強度的零件（見圖2b）。

　　目前，國際上熱衝壓鋼板材料從成分上可分為Mn-B、Mn-Mo-B、Mn-Cr-B、Mn-Cr和Mn-W-Ti-B系列，其中Mn-B 硼鋼系列使用量最大，技術也最成熟，主要鋼種的成分與力學指標如表1所示。我國因處於應用初級階段，以Mn-B 硼鋼系列為主，Mn-Mo-B系列主要在歐洲、北美等地區所用，Mn-Cr-B 為高淬透性熱衝壓用鋼，Mn-Cr 為部分馬氏體熱衝壓用鋼，Mn-W-Ti-B系列為韓國浦項Posco開發的高烘烤硬化的細晶粒熱衝壓用鋼，強度級別有1 200 MPa、1 300 MPa、1 500 MPa、1 700 MPa。

　　國內各大鋼廠也積極開發熱衝壓用硼鋼，現已能批量供貨無鍍層熱衝壓硼鋼（冷軋B1500HS；熱軋BR1500HS）。

　　寶鋼開發的硼鋼，經過950℃左右單相奧氏體區的加熱保溫後，當冷卻速度大於15 ℃/s時（與其它研究的試驗值差別較大），鋼板轉變為全馬氏體組織，其硬度為450~500 HV，強度達到1 300~1 500 MPa，如表2所示，缺點是無鍍層。

　　奧氏體化條件下，鋼與空氣接觸後將快速形成氧化膜。為了避免表面氧化和脫碳，會在金屬板上塗覆保護塗層，在直接熱衝壓中應用最為廣泛的是Al-Si 塗層。這些合金鍍層通常採用持續熱浸電鍍工藝，溶液中Si、Fe、Al 的質量分數分別為10%、3%和87%。工件熱處理時，Al-Fe 合金遷移到表面，因其有著更高的熔點防止了表層被氧化。不過，由於Al-Si 較低溫度下成形困難，熱浸鍍鋁板因不適合冷成形而不能用於間接熱衝壓過程，其次，熱衝壓後氧化層必須經過噴丸移除，以避免不良的塗料附著。帶鍍層鋼板（Al-Si、GI、GA、Zn-Al等）與非鍍層鋼板的特點如表3所示。

　　隨著應用要求的提高，熱成型專用鍍層鋼板的應用越來越多，不同鍍層硼鋼的抗腐蝕性能如圖3 所示。目前，Al-Si 鍍層硼鋼仍然是熱成型鍍層鋼板的主要選擇，但是GI、GA 鍍鋅硼鋼已經可以應用於一些特有的熱成型產品。

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　　先進熱成型技術

　　隨著輕量化要求的不斷提高，為了更大程度地實現輕量化、減少零件數量，並有針對性地提高局部安全碰撞性能、降低綜合成本，傳統的等厚熱成型技術已無法滿足要求，更為先進的熱成型技術開始出現在國外車型中。

　　4.1 補丁板熱成型

　　補丁板熱成型又稱為襯板熱成型，是將主件和襯板先聯結在一起後再一步成型的工藝（見圖4），用於生產帶預塗層的熱成型複雜零件，主要用於需要局部加強的零件，如B柱、門檻等。其優點是碰撞安全性好、彎曲載荷和扭轉載荷較高、參數可調，可實現輕量化，整體模具費用低。

　　FIAT 500屬於微型車，要需提高碰撞性能，在原有熱成型B 柱的基礎上，設計了熱成型襯板以便提高強度，應用後單件減重1 kg，單件成本下降2 歐元（約合20 元人民幣），模具成本下降了25 萬歐元（約合250萬元人民幣）。

　　4.2 拼焊板熱成型

　　拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB）熱成型的原理與普通拼焊板近似，不同的是要求不同厚度的熱成型板料焊接在一起，然後再進行熱衝壓，如圖5所示。拼焊板熱成型的優點是減少了相關零件數量和材料消耗、優化了結構、實現了整車輕量化、簡化了裝配工藝，其主要應用部位是前保險槓橫梁、前、後縱梁、中通道加強板、B柱、門檻、頂蓋加強板、後側圍內板等。

　　TWB熱成型可以根據需要對板料任意進行拼接，因而具有極大的靈活性，並能按照等強度的概念優化設計一些以往設計為等厚度的車身零部件，將鍛造加工轉換為衝壓加工，既可提高加工效率，又可節省加工能源。

　　4.3 變截面鋼板熱成型

　　變截面鋼板（Tailor Rolling Blanks，TRB）又稱為差厚板，是通過柔性軋制技術獲得的連續變截面薄板。柔性軋制技術類似於傳統軋制加工方法中的縱軋工藝，但其最大的不同之處是在軋制過程中，軋輥間距可實時調整，從而使軋制出的薄板在沿著軋制方向上具有預先定製的變截面形狀。

　　TRB連續變化的截面提供了有利於後續成型加工的可能性。比如，事先運用有限元分析或數字模擬技術判斷車身覆蓋件在衝壓過程中可能出現拉裂或材料流動性較大的部位，在車身設計階段即可為某一部件的某個部位預先分配較大的板料厚度，從而有效地避免廢品的產生。

　　變截面鋼板熱成型技術的生產過程特點為：料厚連續變化、料厚不同但漸變區域一致、厚度公差小、料厚變化不影響成本、良好的碰撞安全性能及可實現輕量化。主要應用部位有後保險槓橫梁、前圍板、A 柱、B 柱、中通道加強板、頂蓋側邊梁、車門防撞板等。

　　福特福克斯的B柱原採用熱成型雙層加強板，現設計成單件的不等厚B 柱加強板，如圖6 所示，在碰撞安全性不降低的情況下，質量大幅減輕，成本也沒有增加。

　　4.4 局部熱成型

　　某些零件在設計時要求既有良好的抗碰撞性能，又要兼顧裝配焊接性，如B柱要求上端強度高以便碰撞時保護乘員，下端塑性好以便吸能，門防撞板要求中間部位強度高、兩端塑性好。局部熱衝壓的優點是改善碰撞性能、提高自身吸能能力，如圖7所示。

　　4.5 TWB 與TRB 的異同

　　TWB 和TRB 都是為輕量化而誕生的，根據工程力學中薄壁梁承載性能的基本理論，如果將等厚度板、TWB 及TRB 分別做成具有相同剛度的結構件，TWB和TRB材料用量顯著減少。

　　由於TWB 存在料厚差和焊縫的影響，且焊接部位與母材在材料特性上必然有差異，可能導致TWB 在長度方向上的硬度也發生相應變化，這都為後續的成型工藝帶來不利影響。其次，TWB 的焊縫在外觀上無法徹底掩蓋，因此不適合用作外覆蓋件，只能用於製作內板或支架結構件。相比之下，TRB具有良好的機械性能，連續變化的厚度足以適應車身各部位的承載要求，且其表面是連續光滑的，可以製作各種車身外覆蓋件。

　　TWB可以通過雷射焊接將不同牌號的鋼板進行任意拼接，具有很強的靈活性，但不同厚度板材的對接或搭接處板料厚度有突變。此外，焊縫及其附近會產生局部硬化，需要熱處理來消除硬化效應，從而加大了工藝複雜程度。

　　TRB 靠柔性軋制工藝在不同厚度的板料之間形成連續的、緩變的過渡區，不存在TWB的焊縫問題。其不足之處是受軋制工藝和軋機設備的限制，其厚度變化只能發生在板料的初始軋制方向上。此外，現有的軋制工藝還無法把不同金屬材料的板料「軋制」在一塊整板上，即在靈活性上不如TWB。

　　由以上對比分析可知，TWB和TRB在輕量化、機械性能、製造工藝等方面各有特色和不足之處，從綜合指標來看，TRB具有更大的優勢，未來輕量化安全車身的熱成型應用將以TRB 熱衝壓為目標，如圖8所示。

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　　熱成型技術應用現狀

　　5.1 國外應用

　　熱成型技術在歐美，特別是歐洲得到非常廣泛的應用，被普遍認為是實現整車輕量化、提高碰撞性能和降低車身製造成本的有效手段。

　　2003 年、2004 年歐洲白車身會議熱成型技術僅應用於少數高端車型，從2005 年開始呈現飛躍式發展，隨後每年至少有一半參展車型使用了熱成型工藝，2013 年有8 款車都採用了熱成型技術。材料方面，早期採用22MnB5，後來逐步發展到帶塗層的Usibor 1500P 和本特勒的BTR165，板材厚度為1.0~2.0 mm，如圖9所示。

　　2005 年以後，全球主流新車型都採用了熱成型技術，單車應用平均比例在穩步提高，達到5%左右，如圖10所示。同時，最高紀錄也不斷被刷新，其中，大眾公司的熱成型技術應用水平一直領先。圖10中，2013的下滑是由於當年參展車型以混合動力、高級跑車和高檔車型為主，大量使用了塑料、碳纖維和鋁鎂合金等先進材料，傳統鋼材應用下降。

　　將10年內歐洲白車身會議的所有熱成型件進行統計，結果如表4所示：A柱、B柱是使用最廣，最常見的熱成型零件，包括歐、美、日系均成熟應用；保險槓橫梁、門檻、門防撞板、前擋板加強橫梁已成為主流，主要是歐系車採用，如大眾、斯柯達；側邊梁、中頂橫梁、中通道、底板橫梁、底板縱梁只有少數高檔車型採用，如寶馬、奧迪；C柱、輪罩加強板、窗框加強板只有特殊要求或高檔車採用，如敞篷跑車、寶馬、奧迪。

　　奧迪A3 全車採用各類先進技術和輕質化材料，共可減重80 kg。其中白車身（帶四門兩蓋）熱成型比例為21.7%（見圖11）；如果只計算白車身骨架，熱成型比例更可高達26.4%。熱成型件包括A柱本體、B柱本體、前圍板下部本體、前、後地板連接板本體、中通道加強板。從扭轉剛度上看，扭轉剛度較上一代增加了3 600 N·m/(°)，增幅為15.1%。

　　碰撞安全分析中，奧迪A3在傳載路徑上將幾個重要結構件定義為熱成型件。由於這些熱成型件的強度較原結構件高，使得其料厚可以減薄，進而實現輕量化。另外，前、後地板連接板本體採用不等厚板進行熱成型製造（見圖12），除了提高安全性的同時，單車可減重10.2 kg。

　　5.2 國內應用

　　合資品牌中，目前歐、美系10萬元級別車型均已採用熱成型技術。以大眾邁騰為例，採用的熱成型件分別為A 柱上加強板、B 柱加強板、B 柱上鉸鏈加強板、門檻加強板、中通道本體、門檻前部本體、門防撞板和前保險槓橫梁本體等。

　　自主品牌熱成型應用起步較晚，但是發展很快，為了滿足安全性和輕量化的雙重要求，相關技術也在逐步發展（見表5），如奇瑞艾瑞澤7採用了7個件，質量比例達到4.76%，但技術上主要依靠熱成型供應商，主機廠設計和分析能力不夠。未來，國內車型將持續擴大應用，使得綜合成本下降，形成良性循環，且主機廠的設計和分析水平也將逐步提升。

　　目前，國外熱成型技術應用已從傳統的等厚板熱衝壓逐步向先進熱成型發展，並已有量產車問世。國內除合資品牌外，自主品牌的熱成型仍以傳統等厚板熱衝壓為主，並且應用過程中還存在以下問題：

　　a.原材料成本高、來源少。原材料以無鍍層板為主，無法保證最終零件的防腐性和表面質量，歐美廠家幾乎全部採用塗層熱成型鋼。現階段Al-Si鍍層等厚鋼板和雷射拼焊板受專利保護，只有一家國外供應商提供，軋制差厚板也只有一家德國供應商提供。

　　b.CAE分析能力差。目前難以準確描述軋制差厚板和變強度板的性能，導致CAE分析精度不高。c.軟模件質量差。用不帶鍍層的鋼板加工快速軟模零件時，由於加熱階段不帶保護氣氛，導致零件表面質量很差；模具不帶冷卻管道，導致零件性能的穩定性無法保證。

　　d.設計水平低。設計主動權仍在熱成型供應商手中，自身不具備完整的設計和分析能力，包括完整的模擬仿真能力。

　　e.驗收標準不完善。隨著熱成型件的普及，各大自主品牌急須建立正規完善的驗收標準才能保證最終產品的質量，包括外觀、尺寸、成分、性能和微觀組織等評判要求。

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　　結束語

　　對於未來自主品牌的熱成型應用，建議基本車型均採用A柱、B柱、門防撞板的熱成型件，以增強側碰安全性能，2018年以後，可運用先進熱成型技術生產複雜零件，如TRB 中通道、TWB 縱梁等，整體提升車型的品質。隨著國外技術、設備對國內企業的開放，越來越多的國內企業將進入這一行業，熱成型零部件在國內會有更大的發展，成本也將逐步降低。

　　來源：期刊—汽車工藝與材料

　　作者：薛戩

　　（奇瑞汽車股份有限公司）