宋力強(qiáng)，劉 浩，杜會(huì)軍，高 鵬

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

在汽車行業(yè)，熱壓成形技術(shù)是一項(xiàng)用來(lái)成形高強(qiáng)度鋼板、獲得超高強(qiáng)度沖壓件的有效途徑，可提升整車安全、疲勞耐久、輕量化以及整車舒適等綜合性能［1］.熱沖壓技術(shù)的核心在于通過(guò)含有冷卻管道的模具，對(duì)零件實(shí)現(xiàn)快速成形、淬火，得到1 500 MPa左右甚至更高抗拉強(qiáng)度的沖壓件，將鋼板的抗拉強(qiáng)度提高到原來(lái)的2.5倍以上［2］.隨著抗拉強(qiáng)度的提高，冷沖壓成形性能嚴(yán)重下降，造成大量產(chǎn)品出現(xiàn)開(kāi)裂和回彈現(xiàn)象［3］，而熱沖壓成形技術(shù)能克服傳統(tǒng)工藝回彈嚴(yán)重、成形困難、容易開(kāi)裂等諸多難題，已在歐、美等汽車和國(guó)內(nèi)合資企業(yè)大范圍成熟應(yīng)用［4-8］.從表1部分主機(jī)廠車型應(yīng)用現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用最普遍的部位為A柱、B柱、中通道、前后防撞梁、邊梁及地板橫梁等車身安全部件和結(jié)構(gòu)件.本文針對(duì)工業(yè)化條件下的熱成形產(chǎn)品進(jìn)行性能分析，包括熱成形板材的基礎(chǔ)性能、焊接性能分析及金相分析，同時(shí)針對(duì)具體零部件采用有限元模擬方法分析了碰撞安全、頂部壓潰等性能，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，總結(jié)出工業(yè)化條件下的熱成形零部件的應(yīng)用要點(diǎn).

1 車身典型零部件方案設(shè)計(jì)

1.1 熱壓成形材料特性

目前使用最多的硼合金鋼為22MnB5，其主要特點(diǎn)是，含有微量的B和較多的Mn，此外還有微量的Ti，熱壓成形鋼化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 熱壓成形技術(shù)應(yīng)用情況

表2 22MnB5熱成形鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

22MnB5在常溫下抗拉強(qiáng)度只有600 MPa左右，成形時(shí)把常溫下抗拉強(qiáng)度為600 MPa左右的硼合金鋼加熱到880～950℃，使之均勻奧氏體化，然后快速送入通有冷卻液的模具內(nèi)進(jìn)行沖壓成形，并快速保壓淬火，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，成形件在加工硬化和淬火硬化的作用下產(chǎn)生高強(qiáng)度.通常，淬火后零件抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 500 MPa，但延伸率卻只有6%左右.表3列出了3種熱沖壓材料沖壓前后的性能變化，可見(jiàn)熱沖壓后，高強(qiáng)度汽車板的抗拉強(qiáng)度得到了大幅度提高，都在原來(lái)的2倍以上［9］.

表3 3個(gè)鋼種熱沖壓后的性能對(duì)比

對(duì)熱壓成形焊接試片的樣品熱影響區(qū)組織及板材組織進(jìn)行了金相分析，見(jiàn)圖1.由圖1可見(jiàn):母材金相組織為較粗大的低碳馬氏體+少量殘余奧氏體;焊點(diǎn)處組織為回火馬氏體;熱影響區(qū)組織為保留馬氏體位相的回火屈氏體，金相組織均為強(qiáng)度很高的相，從金相學(xué)上解釋了熱成形鋼具有高強(qiáng)度的原因［10-11］.

1.2 驗(yàn)證熱壓成形材料的焊接性能

根據(jù)熱壓成形鋼板擬應(yīng)用部位選擇焊接搭配關(guān)系，選取具有代表性的板厚、鍍層進(jìn)行典型試驗(yàn).點(diǎn)焊試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4.

對(duì)3組點(diǎn)焊進(jìn)行鑿試試驗(yàn)及熔核直徑進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示.第1組試驗(yàn)，無(wú)飛濺，敲開(kāi)焊點(diǎn)為紐扣斷裂(圖2(a));第2組試驗(yàn)，產(chǎn)生飛濺，敲開(kāi)焊點(diǎn)為紐扣斷裂(圖2(b));第3組試驗(yàn)，產(chǎn)生飛濺，敲開(kāi)焊點(diǎn)為紐扣斷裂，但與鍍鋅板粘連(圖2(c);在焊接拋離試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在焊點(diǎn)的周圍熱成形板上會(huì)產(chǎn)生如圖2(d)的焊點(diǎn)裂紋問(wèn)題，初步分析可能的原因是熱成形鋼板塑性太差，焊接后在焊點(diǎn)周圍產(chǎn)生熱影響區(qū)，此處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在拋離過(guò)程中極易開(kāi)裂，產(chǎn)生細(xì)微的裂紋.

圖1 22MnB5熱壓成形鋼顯微組織

表4 點(diǎn)焊試驗(yàn)參數(shù)

僅從本次焊接的3組試驗(yàn)結(jié)果分析:第1組試驗(yàn)效果最好，焊接過(guò)程中沒(méi)有飛濺，且所需電流為最小，可以作為工業(yè)化工藝參數(shù)調(diào)整的初始值;第2、3組試驗(yàn)均產(chǎn)生飛濺，可以適當(dāng)降低電流參數(shù)進(jìn)行焊接(I1=I2+2;I3=I2/2經(jīng)驗(yàn)公式).上述試驗(yàn)都是在現(xiàn)有生產(chǎn)線上進(jìn)行的，熱成形鋼板與汽車常用鋼板焊接性能經(jīng)過(guò)調(diào)試完全可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)，不需要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造.為避免焊點(diǎn)裂紋問(wèn)題對(duì)整車性能造成影響，可調(diào)整焊接工藝，采用雙焊點(diǎn)，減小因焊點(diǎn)裂紋造成的失效問(wèn)題.如大眾部分車型已經(jīng)將雙焊點(diǎn)工藝應(yīng)用在熱成形焊接中.

1.3 典型熱壓成形零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著計(jì)算技術(shù)尤其是有限元理論和方法的不斷發(fā)展，描述宏觀尺度的塑性變形物理模型數(shù)值計(jì)算方法日臻完善，數(shù)值模擬成為研究塑性變形過(guò)程的有力手段［12-16］.本文將通過(guò)某車型B柱加強(qiáng)板參考熱態(tài)下材料的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)［17］，融合帶有冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的熱沖壓模具特點(diǎn)［16-17］，應(yīng)用AUTO-FORM軟件進(jìn)行熱成形過(guò)程的成形分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)意見(jiàn).

某B柱加強(qiáng)板原設(shè)計(jì)為1.4/1.8 mm激光拼焊板，為保證整體的裝配關(guān)系及設(shè)計(jì)硬點(diǎn)，按照B柱加強(qiáng)板的外形輪廓進(jìn)行熱壓成形工藝設(shè)計(jì)，零件厚度可用屈服強(qiáng)度-厚度的經(jīng)驗(yàn)換算公式表征.

式中:t1為鋼種1的厚度，mm;Re1為鋼種1的屈服強(qiáng)度，MPa;t2為鋼種2的厚度，mm;Re2為鋼種2的屈服強(qiáng)度 ，MPa.

根據(jù)屈服強(qiáng)度-厚度的經(jīng)驗(yàn)公式，擬采用1.5 mm熱壓成形技術(shù).通過(guò)AUTO-FORM進(jìn)行成形性模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在B柱的中間部位過(guò)度減薄開(kāi)裂，如圖3所示.通過(guò)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、凸臺(tái)高度降低6.5 mm，減薄量從48%降低至15% ，與原設(shè)計(jì)相比改動(dòng)不大，不會(huì)影響到B柱加強(qiáng)板的裝配關(guān)系及安裝硬點(diǎn).

圖3 B柱加強(qiáng)板成形仿真分析(a)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化(b)

1.4 典型熱壓成形零部件性能分析

熱壓成形B柱加強(qiáng)板在被動(dòng)安全中起到重要作用，要評(píng)價(jià)B柱加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，應(yīng)該清楚地了解車輛在行駛時(shí)B柱所要承受的各種不同的力.根據(jù)實(shí)際環(huán)境需要考察B柱侵入量、侵入速度、車體加速度以及頂部加壓.

在側(cè)碰過(guò)程中B柱的侵入量是考察側(cè)碰安全性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo).考察方式如圖4所示，通過(guò)在B柱加強(qiáng)板沿Y方向施加一定的力，對(duì)比采用B340/590DP與22MnB5兩種材料沿載荷方向的變形情況.如圖5所示在B柱加強(qiáng)板下部的不同部位采集5個(gè)點(diǎn)，利用CAE的分析手段來(lái)計(jì)算5個(gè)點(diǎn)的侵入量情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.從計(jì)算結(jié)果可知，在第2點(diǎn)處達(dá)到侵入量減小的最大值23.2 mm，與傳統(tǒng)B340/590DP用材對(duì)比，熱壓成形方案侵入量相關(guān)性能提升.

圖4 B柱變形圖對(duì)比

圖5 B柱侵入測(cè)量位置

表5 兩種狀態(tài)B柱侵入量對(duì)比 mm

側(cè)碰過(guò)程中B柱處的侵入速度對(duì)成員的安全起關(guān)鍵作用，如圖6所示，22MnB5的侵入速度為7 546.6 mm/s，B340/590DP的侵入速度為7 390 mm/s，應(yīng)用熱成形鋼后侵入速度增加了156.6 mm/s.雖然B柱加強(qiáng)板應(yīng)用熱成形鋼后的侵入量較小，但其侵入速度較高，不利于乘員保護(hù)，若應(yīng)用熱成形鋼，則需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)侵入速度進(jìn)行有效控制.對(duì)于車體加速度需要考察整個(gè)碰撞過(guò)程的加速度變化情況，圖7為應(yīng)用兩種材質(zhì)的側(cè)碰過(guò)程的車體加速度對(duì)比:熱成形材料22MnB5的車體加速度最大為16.60 g，傳統(tǒng)材料B340/590DP的加速度最大為16.54 g，相差不大，對(duì)側(cè)碰性能不會(huì)造成影響.

圖6 B柱侵入速度對(duì)比

目前，各國(guó)對(duì)車頂加壓的測(cè)試越來(lái)越關(guān)注，使得B柱加強(qiáng)板在頂部加壓測(cè)試中具有至關(guān)重要的作用.頂部加壓的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6，使用熱成形后強(qiáng)質(zhì)比增大0.14，但仍不滿足北美法規(guī)要求，評(píng)價(jià)結(jié)果為差，表明B柱加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)板的作用不可忽視.通過(guò)對(duì)大量車型B柱部位的結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，可從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):1)保留B柱加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)板，提升B柱部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;2)取消B柱加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)板，增加B柱加強(qiáng)板的厚度至2.0～2.2 mm，這樣可以達(dá)到滿足頂部加壓的法規(guī)要求以及改善側(cè)碰侵入速度的雙重效果.

圖7 車體加速度對(duì)比

表6 頂部加壓測(cè)試結(jié)果

另外，B柱加強(qiáng)板應(yīng)用熱壓成形后可以減少零部件數(shù)量，如圖8所示，取代B柱內(nèi)加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)板(保證頂部加壓的前提下)和螺母安裝加強(qiáng)板，但結(jié)構(gòu)更改會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，經(jīng)CAE分析，車門(mén)剛度太低，造成車門(mén)下垂，不滿足目標(biāo)要求.

圖8 B柱內(nèi)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

改進(jìn)方案:B柱加強(qiáng)板可以使用熱沖壓成形件代替，但需要保留下鉸鏈螺母安裝板，又因去除加強(qiáng)板內(nèi)板，故需要在鉸鏈安裝點(diǎn)處增加螺母安裝加強(qiáng)板，材料使用B340LA，經(jīng)CAE分析，車門(mén)下垂剛度可以達(dá)到初始設(shè)定水平.同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整車綜合減重2.36 kg，見(jiàn)表7，對(duì)整車輕量化做出了重要貢獻(xiàn).

表7 零件質(zhì)量對(duì)比結(jié)果

2 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)熱成形材料特性的分析及焊接性能驗(yàn)證，熱成形鋼板與汽車常用鋼板焊接完全可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)，不需要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造，針對(duì)焊點(diǎn)裂紋問(wèn)題可以應(yīng)用雙焊點(diǎn)工藝避免失效.

2)對(duì)于白車身側(cè)碰被動(dòng)安全性能，從計(jì)算結(jié)果可知，應(yīng)用熱成形鋼后B柱處侵入量減小的最大值為23.2 mm，車體加速度最大值相差0.06 g，而侵入速度增加了156.6 mm/s.雖然B柱加強(qiáng)板應(yīng)用熱成形鋼后的侵入量較小，與車體加速度最大值相差不大，但其侵入速度較高，不利于乘員保護(hù)，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)侵入速度進(jìn)行有效控制.

3)對(duì)B柱進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)更改，取消B柱加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)板，增加 B柱加強(qiáng)板的厚度至2.0～2.2 mm，可以達(dá)到滿足頂部加壓的法規(guī)要求以及改善側(cè)碰侵入速度的雙重效果，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整車綜合減重2.36 kg，實(shí)現(xiàn)良好輕量化效果.

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