高强钢成形技术及其在汽车轻量化中的应用

      汽车轻量化是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地减轻汽车的整车质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车的快速发展方便了人们的生活，但同时带来了金属、石油等资源、能源的过量消耗，大气严重污染，通过汽车轻量化实现降低排放和油耗成为汽车工业最具挑战的目标。有研究表明，当钢板厚度分别减小0.05mm、0.1mm和0.15mm时，车身减重分别为6%、12%和18%，可见增加钢板强度的同时减小板厚是减轻车重的主要途径。

　　高强钢具有较高的强度，且成本较轻金属低，汽车采用先进高强钢的主要效果有：高强钢的使用降低了板厚使得汽车结构轻量化、汽车的抗凹陷性、耐久强度和大变形冲击强度安全性均得到提高。高强钢的优点使得其在汽车行业中得到快速发展及广泛应用，如1980年日本和欧洲的汽车公司，白车身中高强钢用量分别为12%和5%，目前均上升到50%以上。高强钢的应用不仅为轻量化创造了更多的机遇，更有助于使汽车达到轻量化和提高安全性的统一。

一、高强钢的种类

　　高强度钢板的分类主要有按冶金特点、强化机理和生产工艺等几种划分方法。

1.按冶金特点分类

　　根据国际钢铁协会USL-AB项目的定义，屈服强度为210～550MPa及抗拉强度为270～700MPa的为高强度钢（简称HSS）。普通高强度钢为单一铁素体组织，由于采用了以相变为主的复合强化方法，基体的强度和综合性能得到提高。普通高强度钢包括有微合金钢、碳锰钢、烘烤硬化钢、各向同性钢、高强度IF钢和低合金高强度钢等几种。屈服强度大于550MPa及抗拉强度大于700MPa的则称为先进高强度钢（简称AHSS）。AHSS的研究基于HSS朝2个方向发展，一个方向是强度基体不变，提高其塑性；另一个方向是塑性基体不变提高其强度。强度提高的钢种包括复向钢（CP）、马氏体钢（MS）等，塑性提高的钢种包括有双相钢（CP）、相变诱发塑性钢（TRIP）等。图1为汽车用高强钢按照强度分类示意图。

图1  汽车用高强钢按照强度分类示意图

2.按强化机理分类

　　按照钢材的强化机理，高强度钢可分为固溶强化形加磷钢、弥散强化形的低合金高强度钢、相变强化形的双相钢和烘烤硬化形钢等。

3.按生产工艺分类

　　高强钢的生产工艺有冷轧和热轧2种形式。冷轧高强钢主要用于车身零件，包括外板（车门、发动机罩外板）、内板（车门、发动机罩内板）和结构件。热轧高强度钢板在载货汽车上用量很大，约占其热轧钢板总量的60%～70%，主要用于车架纵横梁、车厢纵横梁、车轮、刹车盘等受力结构件和安全件。

二、高强钢的成形技术

　　高强钢的减薄和高强度2个优势使其在汽车轻量化的减重和安全方面得到了广泛应用，但高强钢的成形范围较窄，成形过程中遇到了较传统钢材更难解决的问题。因此许多先进的加工工艺及方法不断地应用到汽车工业中。高强钢的成形技术主要包括冷冲压形、热成形、液压成形等。

1.高强钢冷冲压成形技术

　　高强钢的冷冲压成形技术与传统钢材冷冲压相似，但高强钢成形范围有限，成形后容易产生回弹，且其回弹量远大于普通低碳钢冲压成形零件的回弹量，钢材特性难以详细描述，这就给回弹的预测及控制带来了很大的困难；同时高强钢在应用时面临着成形件的起皱和开裂等问题，这些特点都导致高强钢在成形时尺寸和形状精度不良。为了克服这些缺陷，欧美及日本等国家的钢铁公司及汽车制造商不断开发出新形钢板和高级润滑油等。日本钢铁工程控股公司(日本JFE公司)研究应用张力控制成形、数字化模拟优化工具形状等方法减少回弹及薄壁的翘曲。日本开闭器株式会社（日本NKK公司）开发了一种新的钢板易冲压技术来解决高强钢板冲压过程中开裂的问题，该技术通过从模具上的开孔注入润滑油，使钢板与模具之间产生数十微米的间隙，从而防止了冲压过程中钢板开裂的问题，且这种方法在普通冲压机上稍加改动就可实现。

　　根据高强钢的性能、种类的不同，高强钢在整车应用部位也有显著的区别。如高强度IF钢和烘烤硬化钢大多用在轿车车身覆盖件上；590～980MPa的双相钢大多用在轿车车身结构件、加强板上；800MPa的TRIP钢主要用在轿车车身加强板、保险杠和防冲柱上；屈服强度为650～700MPa大梁板和抗拉强度1 500MPa的弹簧钢主要用在商用车当中。

2.高强钢热冲压成形技术

　　当钢强度超过1 000MPa时，一些形状复杂的零件，常规的冷冲压工艺难以成形，即使可以采用冷冲压工艺，所需冲压力大、成形件易开裂、回弹大，因此热成形技术应运而生。热冲压成形技术是将硼钢钢板（初始强度为500～600MPa）加热至奥氏体化状态，快速转移到模具中高速冲压成形，在保证一定压力的情况下，制件在模具本体中以大于27℃/s的冷却速度进行淬火处理，保压淬火一段时间，以获得具有均匀马氏体组织的超高强钢零件的成形方式 (如图2) 。

图2  热冲压高强钢在汽车轻量化当中的应用

　　高强钢热冲压技术通过将成形和强化分为两个步骤来解决高强钢强度与塑性的矛盾。该成形技术的主要优点是：变形抗力小、塑性好、成形极限高、冲压成形性好；回弹易于控制，成形零件尺寸精度高；冲压机吨位要求降低；钢材成形抗力低，模具单位压力小；成形件生产周期短等。但热冲压技术也存在一些缺点，如设备投资大、模具设计和加工复杂、维护和保养成本高等[5]。近年来高强钢板的热冲压成形技术已经广泛应用于发达国家的汽车工业实际生产当中，国内由于受到技术和设备的限制，发展较为缓慢，但已经得到了众多钢铁和汽车企业的重视。高强钢板热冲压技术主要用于生产A柱加强板、B柱加强板、前后保险杠、侧面防撞杆等零件。

3.高强钢液压成形技术

　　液压成形技术主要是依靠高压液体（水或油）作为传力介质或模具使工件成形的一种塑性加工技术(如图3)。液压成形过程中板材通过传力介质的压力作用贴合凸模或凹模成形，其成形技术为一种柔性加工工艺。液压成形件主要为管材、板材和壳体。普通管材液压成形要求介质压力一般在400MPa以上，采用液压成形技术的主要有点包括：成形技术一次整体成形沿构件轴线和截面有变化的空心构件，且成形工艺节约材料；零件数量和模具成本都降低；成形零件精度得到提高，回弹也减小；将原有需要分割成输个零件组合的部件改为单一的零件代替，同时增加车体的刚性，达到减轻质量的目标。

图3  液压成形的典形汽车零部件

　　目前液压成形技术在先进高强钢制零件中得到广发应用，尤其是结构件，例如汽车座椅骨架、侧面撞击横梁、保险杠、发动机支架、散热器支架、仪表板横梁、散热器支架和车顶横梁等结构件。

4.冷弯成形技术

　　冷弯成形是通过顺序配置的多道次成形轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面形材的塑性加工工艺。该技术的主要特点是生产效率高、适合大批量生产、加工产品不受长度的限制、可实现连续化生产、成形产品表面质量好、成形件尺寸精度高、生产线中可集成冲孔焊接等工艺、生产工艺较其他工艺节约材料15%～30%、生产过程噪音低污染小[8]。冷弯成形工艺广泛应用于前/后保险杠、门槛、驾驶员座椅调整机构的滑轨、车身B柱和底盘等高强度钢板汽车部件的制造中。

5.激光拼焊技术

　　汽车轻量化技术的发展要求汽车不同位置采用不同的材料来实现汽车轻量化的合理分布，但随着高强钢中合金元素添加量的增加，高强钢与原有软质钢材同等条件下的焊接变得困难，同时在大输入热量焊接的情况下，强化组织的破坏造成钢板强度的降低，激光拼焊技术的产生解决了这一问题。激光拼焊技术的工艺过程为：先将不同或相同厚度、强度、材质的冷轧钢板切成合适的尺寸和形状，然后用激光焊接成一个理想的整体，然后将拼焊板冲压成特定的零部件来装配汽车，图4展示了该技术在汽车中的应用。这种激光拼焊技术很好地 满足了汽车生产厂商和消费者提高汽车质量、降低生产成本、减轻车重、减少油耗、保护环境等多种需求，在汽车生产过程中采用该技术后，可使零件质量减轻24%，零件数量减少19%，焊点减少49%，生产实践缩短21%。

图4  激光拼焊板在汽车中的应用

　　目前，几乎所有的著名汽车制造商都采用了激光拼焊技术，采用激光拼焊版制造的结构件有车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩板、底板、中间支柱等。世界轻质钢制车身社会的最新统计显示，50%新形的钢制车身结构中采用了激光拼焊版制造。

6.连续变截面板轧制（TRB）技术

　　连续变截面板轧制（TRB）技术由德国亚琛工业大学金属成形研究所IBF开发出来。其核心技术是柔性轧制，其实质类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺，但TRB技术可以利用计算机的实时控制来自动连续地调节轧辊的间距，从而得到板材沿轧制方向预先设定好的变截面形状。TRB技术的主要优势有：减重效果好，机械性能变化连续、适应性强，厚度分布可根据需要进行设定，变截面板制造成本较低，后续加工成形可靠性高等。目前TRB技术广泛应用于与安全相关的车身零件、底盘零件等（如图5）。

图5 TRB在车身、底盘中的应用实例

三、高强钢成形技术在汽车轻量化过程中面临的问题

　　在实际汽车生产制造过程中，高强钢的应用比在不断提高，同时高强钢在成形方面也面临着越来越大的挑战。虽然各种先进成形技术已经逐步应用到高强钢成形技术当中，但对于高强钢的基本材料属性、高强钢成形模具、成形过程的温度、轧辊控制等方面扔不完善。

　　为了更好的应用高强钢，对于其材料的力学性能、回弹行为、冲压力、微观结构、焊接特性和应变速率等行为非常必要。对于冷冲压成形工艺，需要重点关注冲压零件的公差精度；对于复杂几何形状的零件，要关注冲压力的计算及冲压件的回弹行为；高强钢成形过程中遇到的另一个问题是起皱和开裂，开裂主要受到切边质量（间隙、刀具和冲头边部质量）的影响，起皱则需要合理的控制压边力和成形条件，因此成形中模具制造、调试难度较大、设计周期较长。热冲压成形过程除冷冲压需要面临的问题，还包括冲压过程中升温、保温与降温过程模具内温度的分布问题，要避免模具因温度不均造成热应力破坏。由于高强钢中含碳量和合金元素的增加，汽车用高强度钢使用性能数据不足，特别是高速拉伸性能、疲劳性能数据严重不足，这就限制了高强钢的广泛应用。

　　因此，为了更进一步扩大高强钢在汽车轻量化中的应用，需加强高强钢使用的数据积累，优化模具结构，研究高强钢零件成形技术数字化建模技术，应用成形过程模拟控制回弹。加强对高强度钢板成形技术攻关，以此来解决高强钢成形过程中的问题，同时科学分配高强钢的使用，针对车身不同部位的不同需求来配备不同的材料、不同的结构，在保证车身安全的同时兼顾成本控制。

四、结语

　　在现代汽车设计制造中，随着轻量化、安全性与节能减排要求的提高，新车的设计也一直不断地改善排放、安全性和燃油效率。高强钢以其高强度、屈强比低、瞬时硬化能力好、疲劳和撞击性能好等优点，成为汽车轻量化的关键材料之一。同时高强钢的特殊、复杂的成形性能又需要不断地进行技术创新，高强钢的发展总趋势是高强度化和良好的成形性。随着汽车结构优化、先进成形工艺、模拟仿真等技术的快速发展，高强钢以其优势特点逐步应用于汽车制造过程当中，高强钢的开发与应用将在汽车轻量化过程中发挥出的更大的作用。