摘 要：無B柱車身能夠顯著提升上下車方便性，但車身B柱缺失導(dǎo)致車身剛度較難保證，同時(shí)側(cè)碰安全性也受到了一定的挑戰(zhàn)，因而限制了無B柱乘用車的發(fā)展。熱氣脹技術(shù)可成型變截面閉合管梁，實(shí)現(xiàn)模內(nèi)一體成型，零件剛度好。熱氣脹管梁抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，且高溫成型回彈小、成型精度高。截面膨脹率最高可達(dá)20%，有較高的設(shè)計(jì)自由度。上述特點(diǎn)使得熱氣脹管梁適合應(yīng)用于無B柱車身尤其是大尺寸的無B柱車身中。極氪汽車通過熱氣脹管梁的應(yīng)用成功打造了側(cè)門洞開度達(dá)2010mm的無B柱車身。

關(guān)鍵詞：熱氣脹 無B柱車身 管成型 汽車制造

0 引言

隨著時(shí)間來到21世紀(jì)的第3個(gè)十年，汽車的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到智能化時(shí)代?！耙苿?dòng)的家”“移動(dòng)創(chuàng)業(yè)平臺(tái)”“共享出行”等標(biāo)簽被賦予到汽車上，使其從傳統(tǒng)的交通工具衍變成了一個(gè)智能的多功能平臺(tái)。

在此背景下，更大的車內(nèi)空間、更好的上下車便利性成了安全性之外車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)。近兩年密集上市的新能源汽車，如騰勢(shì)D9、極氪009、理想L9、嵐圖夢(mèng)想家等車型，無不體現(xiàn)了這一設(shè)計(jì)理念。這些車型對(duì)傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如增大車身尺寸和降低地板高度等，滿足市場(chǎng)對(duì)于空間舒暢性和上下車便利性的需求。另外一個(gè)提升上下車便利性和車輛多功能用途的重要方向是無B柱車身。目前市面上無B柱車型多為尺寸較小的A級(jí)車，在一定程度上提升了車輛的上下車方便性，但其尺寸小、空間有限，創(chuàng)新程度有限，無法滿足多場(chǎng)景的應(yīng)用。

限制無B柱乘用車發(fā)展的主要原因是取消B柱后，車身側(cè)面門洞尺寸將擴(kuò)大一倍，在現(xiàn)有車身零件制造工藝（冷沖壓、熱沖壓、一體壓鑄、輥壓等）下，其小偏置碰撞[1]、頂壓、側(cè)碰等工況的考核受到了極大挑戰(zhàn)。因此雖然各大主機(jī)廠都投入了精力去研究無B柱車型，但大多存在于概念階段。

推動(dòng)大尺寸無B柱車身的量產(chǎn)需要一種能顯著提升車身強(qiáng)度及剛度的新型工藝或結(jié)構(gòu)。近年來上車身結(jié)構(gòu)加強(qiáng)手段主要還是通過熱成型工藝，其抗拉強(qiáng)度最高能夠達(dá)到2000MPa，能夠在一定程度上滿足車身碰撞安全的需求。但沖壓件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有較低的截面剛度，需要與其它零件拼焊成腔體來形成完整的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體性及輕量化效果相對(duì)較差。管狀零件的結(jié)構(gòu)整體性較好，但成熟的工藝主要是3D輥彎、液壓脹形等冷成型工藝，其成型強(qiáng)度相對(duì)較低且尺寸精度較難控制，不適用于上車身領(lǐng)域。管狀零件具備熱沖壓成型件的材料力學(xué)性能，會(huì)使其強(qiáng)度和傳力效率必然會(huì)有極大的提升。目前德國的林德威曼已經(jīng)開發(fā)了名為ACCRA的工藝[2]，即管件的加熱氣脹成型與淬火工藝，俗稱“熱氣脹成型”，并且應(yīng)用在了福特的一些相關(guān)車型上。但由于其成本較高，開發(fā)周期較長，很難滿足于國內(nèi)快速發(fā)展的乘用車市場(chǎng)，以致國產(chǎn)車型鮮有應(yīng)用。

由于熱氣脹成型工藝上述的顯著優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)多家供應(yīng)商近年開展了相關(guān)研究，其中航宇智造（北京）工程技術(shù)有限公司率先成功研發(fā)制造出了我國第一套自主設(shè)計(jì)的HMGF+Q熱氣脹成型裝備，并于2020年實(shí)現(xiàn)國家科技重大專項(xiàng)首臺(tái)套熱氣脹示范產(chǎn)線全自動(dòng)生產(chǎn)[3]。在應(yīng)用方面，極氪汽車及江鈴福特率先與其展開了某些車型合作研發(fā)并成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

1 熱氣脹成型工藝介紹

我們知道，熱成型工藝是指將板料加熱到900℃至950℃保溫3-10分鐘，充分奧氏體化后，將板料轉(zhuǎn)移到壓機(jī)中，在該溫度下材料有充分的延展性可以成型復(fù)雜的零件，高溫成型的零件在模具中快速冷卻（水冷），這一過程稱為淬火，奧氏體相變?yōu)轳R氏體[4]。熱成型技術(shù)制作的零件強(qiáng)度可以達(dá)到2000Mpa以上，同時(shí)零件回彈較小，其工藝流程及成型機(jī)理見下圖。

熱氣脹成型是將熱成型技術(shù)運(yùn)用到管件成型過程中，具體工藝為在900℃至950℃條件下，將管材保溫一定時(shí)間使其充分奧氏體化，同時(shí)在模具內(nèi)充入高壓氣體，使管材發(fā)生膨脹與模具表面貼合而得到相應(yīng)的形狀。隨后在模具中以大于30K/s的速度冷卻淬火，以得到具有均勻馬氏體組織的超高強(qiáng)度可變截面管狀零件。

熱氣脹成型采用了和熱沖壓成型同樣的原材料和相近的成型溫度曲線，因此最終獲得的零件具有與熱沖壓成型相當(dāng)?shù)那?qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。另外，預(yù)彎加模內(nèi)氣脹成型的方式可以成型復(fù)雜的變截面。此外，管狀結(jié)構(gòu)能夠保證從前到后傳力結(jié)構(gòu)的一致性，不會(huì)產(chǎn)生明顯變形誘導(dǎo)區(qū)域。同時(shí)，15%的截面變化率提高了與周邊零件的匹配性。熱氣脹成型兼具了液壓脹型和熱沖壓成型的優(yōu)點(diǎn)，即既有液壓脹型管閉合截面的剛度提升，又能達(dá)到與熱沖壓成型同樣的拉伸和屈服強(qiáng)度。并且其采用模內(nèi)保壓冷卻，可保證成型過程中更小的回彈進(jìn)而提高零件尺寸精度。

2 熱氣脹成型零件的連接

熱氣脹成型零件是管狀結(jié)構(gòu)，因此鋼點(diǎn)焊不適合用于與其相關(guān)的連接，應(yīng)考慮單邊可達(dá)的連接工藝如激光熔焊、弧焊、結(jié)構(gòu)膠帶、拉鉚等[6]。并且，由于管梁結(jié)構(gòu)通常軸向尺寸較長，中間區(qū)域微小的尺寸波動(dòng)在端部會(huì)被成倍的放大。因此，與周邊件的搭接應(yīng)盡量避免大面貼合，如圖8所示為推薦的搭接結(jié)構(gòu)示意：熱氣脹管梁與匹配零件在凸臺(tái)處連接，焊點(diǎn)交叉排布。非貼合區(qū)域用結(jié)構(gòu)膠帶粘接，提高連接強(qiáng)度的同時(shí)吸收零件的尺寸公差。

此外，在熱氣脹管梁上設(shè)置安裝點(diǎn)時(shí)，通常采用拉鉚工藝。如確實(shí)需要采用凸焊，則需在管梁對(duì)面開過孔并謹(jǐn)慎評(píng)估對(duì)碰撞安全性能的影響。

3 熱氣脹在無B柱車身上的應(yīng)用

隨著國內(nèi)熱氣脹技術(shù)的發(fā)展，極氪汽車率先將熱氣脹技術(shù)大量應(yīng)用于實(shí)車。在極氪MIX車型上單車共應(yīng)用了6個(gè)熱氣脹成型管梁，幫助其成功打造了超大側(cè)門洞開度的無B柱車身。

3.1 側(cè)碰性能達(dá)成

無B柱汽車并非真的沒有B柱，而是將傳統(tǒng)白車身的B柱轉(zhuǎn)移到車門，在發(fā)生側(cè)碰時(shí)，車門B柱將碰撞力傳遞到上下邊梁，進(jìn)而減小車門B柱的侵入量，減少對(duì)車內(nèi)乘員的傷害。而熱氣脹管梁的高強(qiáng)度、閉合截面等特點(diǎn)使得熱氣脹成型非常適合用于無B柱車身的車門B柱和上邊梁區(qū)域。如圖10所示，極氪MIX在上邊梁區(qū)域采用了1500MPa/2.0mm熱氣脹管梁以及在B柱區(qū)域采用2000MPa/3.5mm的熱氣脹管梁，側(cè)碰CAE分析及實(shí)車碰撞均達(dá)到了“Good”評(píng)級(jí)。

3.2 頂壓性能達(dá)成

由于B柱集成于車門，無B柱車身側(cè)面門洞開口尺寸較有B柱車身擴(kuò)大了1倍，頂壓測(cè)試時(shí)缺少了B柱支撐的車身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到了較大挑戰(zhàn)。熱氣脹成型管梁具有一體成型、結(jié)構(gòu)連續(xù)等特點(diǎn)，可直接連接A柱和C柱，將頂壓的載荷分解傳遞到C柱，共同承擔(dān)頂部壓力。這一關(guān)鍵設(shè)計(jì)使得大尺寸無B柱車身的實(shí)現(xiàn)成為了可能，經(jīng)過CAE分析以及實(shí)車驗(yàn)證，該車型的頂壓承重力達(dá)到了130kN，為整車整備重力的4.4倍。

3.3 減重效果

熱氣脹管梁的應(yīng)用可提高零件集成度，減少零件數(shù)量及無效焊接，減重效果十分顯著。如圖13所示，將上邊梁及B柱總成由拼焊結(jié)構(gòu)改為熱氣脹管梁結(jié)構(gòu)，可將零件數(shù)量由20個(gè)減少至6個(gè)，單車減重可達(dá)20.2kg。此設(shè)計(jì)思路為上車身的一體化、集成化設(shè)計(jì)提供了新的方向。

4 展望

極氪汽車通過極氪MIX打造了一種移動(dòng)出行“新物種”，熱氣脹管梁的應(yīng)用顯著降低了車身重量，減少了零件數(shù)量，在一定程度上提高了上車身結(jié)構(gòu)的集成度。熱氣脹管梁的管狀、可變截面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具備模塊化拼接設(shè)計(jì)的可實(shí)施性。未來可結(jié)合壓鑄接頭甚至一體化成型半固態(tài)壓鑄接頭進(jìn)一步提升其集成度，使汽車車身整體重量減輕的同時(shí)提高車身強(qiáng)度與剛度，使車身整體更耐撞擊而具備更高的安全性。同時(shí)大大縮短生產(chǎn)制造周期，提升生產(chǎn)效率，降低制造成本?！耙惑w化成型上車身骨架結(jié)構(gòu)”或?qū)⒊蔀槲磥砩宪嚿硪惑w化的主流方向之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]李超，萬龍，張東升，等.基于25%偏置碰撞工況下2000MPa級(jí)熱氣脹成形A柱的輕量化研究[J].汽車工藝與材料，2023（3）：9-13.

[2]Lanzerath Horst， Tuerk Markus. Lightweight Potential of Ultra High Strength Steel Tubular Body Structures[J]. SAE International Journal of Materials and Manufacturing， 2015， 8（3）.

[3]程鵬志，成剛，謝亞蘇，等.一種鋼管熱氣脹成形工藝系統(tǒng)：CN202122506150.8[P].CN216065071U[2024-03-14].

[4]解東旋，莊蔚敏，王楠，等.高強(qiáng)度鋼板熱沖壓工藝與裝備研究綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2022，58（20）：20.DOI：10.3901/JME.2022.20.319.

[5]薛戩.熱成型技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車工藝與材料，2018（11）：7.DOI：CNKI：SUN：QCGY.0.2018-11-006.

[6]李軍正，代金龍，楊麗，等.熱成型鋼焊接接頭的組織及力學(xué)性能[J].焊接技術(shù)，2023，52（4）：33-36.