基于多部件集成的熱沖壓成形技術(shù)研究進(jìn)展

摘 要：高性能金屬板料熱沖壓成形技術(shù)對汽車輕量化極其重要，目前已被廣泛應(yīng)用。隨著超高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)的進(jìn)步，熱沖壓成形技術(shù)從簡單的零件成形正逐步向復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形發(fā)展。以輕量化車身結(jié)構(gòu)件的碰撞能量分布載荷路徑為基礎(chǔ)，選擇不同板厚和強(qiáng)度級別的板料進(jìn)行激光拼焊，經(jīng)過一體化熱沖壓成形后，獲得高強(qiáng)塑性區(qū)域合理分布的多部件集成熱沖壓輕量化車身部件。激光拼焊工藝和高效激光加工自動化裝備保證了其關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。在降低碳排放、提高生產(chǎn)效率、減少材料用量及滿足車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等諸多方面具有突出的優(yōu)越性和實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：車身輕量化；多部件集成；激光拼焊；熱沖壓；工業(yè)4.0

多部件集成(Multi Part Integration，MPI)技術(shù)的核心是超高強(qiáng)鋼激光拼焊技術(shù)與一體式熱沖壓技術(shù)的完美結(jié)合。通過使用激光拼焊技術(shù)將材料的強(qiáng)度和厚度進(jìn)行合理組合，使車身結(jié)構(gòu)剛度大大改善，優(yōu)化整車的振動特性，使汽車振動和噪聲降低，提高了整車的舒適性。材料強(qiáng)度和厚度的可變性保證了某些重要位置的碰撞強(qiáng)化要求，實(shí)現(xiàn)了材料性能的充分利用。

01  汽車車身結(jié)構(gòu)件的高強(qiáng)鋼熱沖壓

超高強(qiáng)鋼和熱沖壓技術(shù)于1977年獲得專利，1990年在車身結(jié)構(gòu)件上獲得初步應(yīng)用，2009年后得到快速發(fā)展[1]。用于熱沖壓的超高強(qiáng)鋼從開始單一的強(qiáng)度級別逐步發(fā)展到1000、1500、1800和2000 MPa多種強(qiáng)度級別，同時也開發(fā)了適應(yīng)熱沖壓技術(shù)的500～700 MPa強(qiáng)度級別的熱成形鋼，如圖1所示[2]。熱沖壓技術(shù)也發(fā)展到變強(qiáng)度(Tailored Temperature Properties，TTP)熱沖壓[3-4]、變厚度(Tailor Rolled Blank，TRB)熱沖壓和激光拼焊板(Laser Tailor Welded Blank，LWB)熱沖壓；雖然一度受到激光去鍍層相關(guān)技術(shù)的限制，但是當(dāng)瓶頸突破后，國內(nèi)的車體零部件熱沖壓成形從單一零件的熱沖壓發(fā)展到基于激光拼焊板的多零件集成的一體式熱沖壓。

圖1 多種材料定制化成形技術(shù)[2]

1.1 多部件集成熱沖壓一體成形

高強(qiáng)鋼的最佳連接工藝是激光拼焊，即將不同材質(zhì)、厚度和形狀的板材焊接成一整塊毛坯板材，再通過熱沖壓成形。ArcelorMittal公司與本田公司在2014年合作研發(fā)了世界上第一款超高強(qiáng)鋼拼焊板制造的門環(huán)[5]，2018年又以Acura RDX為平臺推出了世界上第一款超高強(qiáng)鋼內(nèi)-外門環(huán)，如圖2所示。2021年ArcelorMittal公司在多年技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上提出了MPI概念[6]，MPI技術(shù)結(jié)合了超高強(qiáng)鋼激光拼焊技術(shù)與熱沖壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其和特斯拉公司的鋁合金一體式壓鑄具有異曲同工之妙，但明顯前者具有投資小、技術(shù)較為成熟、性能可定制、尺寸精度高以及維修成本低等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 MPI門環(huán)的熱沖壓成形

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

激光拼焊原理是將材料的強(qiáng)韌性和厚度進(jìn)行合理組合，從而改善車身結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度(圖3[7])。其中，剛度優(yōu)化可以降低汽車振動和噪聲，提高整車舒適性。材料強(qiáng)韌性和厚度的可變性保證了碰撞強(qiáng)化和吸能要求，實(shí)現(xiàn)材料性能的充分利用，提高車身的安全性，增加產(chǎn)品設(shè)計的靈活性。由于不同零部件在成形前通過激光焊接在一起，因而提高了零部件的尺寸精度，降低了零部件的制造及裝配公差，同時減少了生產(chǎn)設(shè)備和簡化了制造工藝，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。

圖3 激光拼焊板技術(shù)原理[7]

02  多部件集成技術(shù)

2.1 多部件集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

目前，大部分汽車車身零件制造采用的是分離成形方法，即利用不同的模具分別成形單個零件，然后將各個零件焊接起來組成目標(biāo)部件。這種方法雖然提高了材料選擇的靈活性，但同時也增加了沖壓、加工和裝配成本以及形狀配合問題，且點(diǎn)焊時的材料重疊也增加了車身重量。

為實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化，車身材料需要逐漸高強(qiáng)化，特別是車身安全結(jié)構(gòu)件，往往使用強(qiáng)度性能很高的先進(jìn)高強(qiáng)鋼。此外還可將不同性能的高強(qiáng)鋼連接起來，從單一材料向多種材料混合使用轉(zhuǎn)變[8]，從而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。因此，焊接工藝十分重要，保證焊縫的穩(wěn)定結(jié)實(shí)、不易發(fā)生斷裂失效等缺陷是基本要求。

與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源汽車的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。由于車身沒有中央通道的存在，故純電動平臺可以實(shí)現(xiàn)貫穿式車身底部橫梁設(shè)計，以保證乘員艙真正形成一個截面閉環(huán)的框架結(jié)構(gòu)，提高整個車身剛性和側(cè)向安全強(qiáng)度。在此情況下，多部件集成的一體式熱沖壓件具有更大的安全優(yōu)勢，其設(shè)計路線如下：

(1)  以汽車載荷傳遞路徑設(shè)計為基礎(chǔ)，對包含一體式拼焊部件在內(nèi)的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(圖4[9])，實(shí)現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)剛度、承載體扭轉(zhuǎn)剛度、車身結(jié)構(gòu)振動特性以及碰撞能量分散與吸收的設(shè)計優(yōu)化，確定不同強(qiáng)度和厚度組合的拼焊板結(jié)構(gòu)性能分配。

圖4 車身載荷傳遞路徑分析[9]

(2) 拼焊板部件的尺寸優(yōu)化?；谔囟ńY(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)、類型、幾何尺寸和布局關(guān)系，通過特定的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化算法對結(jié)構(gòu)的截面尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、體積達(dá)到最小值，材料利用率提高，成本降到最低，由本團(tuán)隊研發(fā)的實(shí)際案例如圖5和圖6所示，A～F表示部件。在優(yōu)化過程中，必須滿足熱沖壓工藝(如最小圓角半徑和側(cè)壁角度、局部成形深度與寬度比以及熱沖壓不能二次成形等)的要求。

圖5 拼焊板部件的尺寸優(yōu)化

圖6 拼焊板的落料工藝對材料利用率的影響

(3) 拼焊板部件的形狀優(yōu)化。設(shè)計人員先進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)拓?fù)洳季?、材料特性等形狀參?shù)的確定，然后通過改變結(jié)構(gòu)邊界形狀來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于可動邊界問題。作為一體化成形方式，不同材料的連接方式從電焊變成了激光焊接，為滿足車身結(jié)構(gòu)服役要求，必須修改邊界形狀以避免缺陷出現(xiàn)。

(4) 采用高速拉伸試驗(yàn)獲得不同拼焊板的高速動態(tài)特性。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的碰撞仿真，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)。

2.2 不同強(qiáng)度和厚度的激光拼焊工藝

通過激光拼焊板制成的成形件不僅具有多種厚度，甚至可以具有多種性能各異的材料，從而可在不同部位采用具有針對性的材料，如在變形量較大的部位采用成形性較好的軟鋼，而變形量較小或者需承受較大載荷的地方采用性能強(qiáng)度更好的高強(qiáng)鋼。同時激光焊接工藝保證了焊縫的性能，使得焊縫強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度[10]。

自2007年ArcelorMitittal公司推出半消融鋁硅鍍層板激光拼焊技術(shù)以來，鋁硅鍍層熱成形激光拼焊板最大程度上發(fā)揮了激光拼焊板和熱沖壓工藝[11-12]輕量化的優(yōu)點(diǎn)。該方案在現(xiàn)今汽車行業(yè)主要應(yīng)用有：等強(qiáng)差厚熱沖壓激光拼焊板、差強(qiáng)等厚熱沖壓激光拼焊板和差強(qiáng)差厚熱沖壓激光拼焊板的設(shè)計方案。國內(nèi)的鋁硅鍍層激光拼焊板在2019年之前一直被ArcelorMitittal公司壟斷供應(yīng)，直至2020年寶鋼提出了填絲激光拼焊工藝才打破了其壟斷地位。

在填絲激光拼焊工藝基礎(chǔ)上，目前應(yīng)用項(xiàng)目的相關(guān)研究內(nèi)容主要為：

(1)采用激光拼焊技術(shù)將不同強(qiáng)度級別、材料和厚度的鋼板拼焊在一起，研究了異種材料焊接過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。測量焊接接頭的顯微硬度，得到接頭顯微硬度與不同材料的關(guān)系。

(2)開展了多種拉伸試驗(yàn)，得到了激光拼焊板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析了焊接工藝對拼焊板的變形規(guī)律的影響；開展了杯突試驗(yàn)，得到了拼焊板的成形極限。通過研究焊縫組織的力學(xué)性能，最終獲得了激光焊接工藝參數(shù)對異種材料焊接組織和力學(xué)性能的影響。

(3)由于采用填絲焊接，焊縫組織中會有少量鍍層融入，因此需要研究不同鍍層組織和填絲材料之間的作用關(guān)系及對最終力學(xué)性能的影響，為選擇合適的填絲材料提供幫助[13]。

2.3 激光拼焊板的熱沖壓工藝及模具

由于激光拼焊板是由不同或相同厚度、強(qiáng)度和材質(zhì)的鋼板拼焊而成的毛坯件，在制定熱沖壓工藝時，除了要考慮不同材質(zhì)、強(qiáng)度和厚度對工藝過程的影響，避免成形缺陷的產(chǎn)生，還需要考慮不同基板的熱沖壓特性而制定工藝參數(shù)區(qū)間。具體研究如下：

(1)由于激光焊縫受兩側(cè)材料的強(qiáng)度和厚度的影響，在熱沖壓成形過程中存在焊縫偏移的現(xiàn)象。較薄的一側(cè)變形量大，強(qiáng)度較低的一側(cè)變形量大，減薄嚴(yán)重，容易導(dǎo)致破裂，因此對沖壓工藝參數(shù)對焊縫偏移的規(guī)律展開了研究。

(2)熱沖壓鋼目前有1500、1800和2000 MPa等級別，其熱沖壓的工藝窗口較為明確，需要綜合考慮相變特性對材料的影響，獲得合適的工藝窗口[14]。

(3)多部件集成的熱沖壓件使用的材料多樣化，需要從材料熱沖壓特性、焊縫偏移規(guī)律、工藝窗口的融合等方面優(yōu)化工藝[15]。

(4)建立多部件集成的激光拼焊板熱沖壓材料本構(gòu)模型，研究熱沖壓過程的相變轉(zhuǎn)化模型、傳熱模型及激光拼焊板的熱力學(xué)模型。通過熱沖壓成形試驗(yàn)，進(jìn)行厚度分布分析及微觀組織測試，通過與數(shù)值模擬結(jié)果的對比驗(yàn)證了材料模型的可靠性[16]。

(5)熱沖壓后的快速冷卻保證了材料相變得到所需組織。但在實(shí)際熱沖壓過程中，焊縫的移動、薄側(cè)起皺和過量減薄等都會影響淬火的效率。需要在模具設(shè)計時考慮這些流動現(xiàn)象的影響，從而使模具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理[17]。

2.4 多部件集成一體式熱沖壓技術(shù)的應(yīng)用

車體門環(huán)是典型的多部件集成，并能夠?qū)崿F(xiàn)一次完成熱沖壓成形-強(qiáng)化。采用激光拼焊的方法將多段不同材料、厚度和性能的高強(qiáng)鋼坯料焊接起來，再通過熱沖壓成形技術(shù)改變其形狀和性能，得到整體的高性能強(qiáng)度的門環(huán)結(jié)構(gòu)。由于門環(huán)不同部位的性能要求不同，往往在選擇材料時，針對不同位置，適配不同強(qiáng)度和厚度的材料，實(shí)現(xiàn)整體的門環(huán)結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最合理、最優(yōu)異的狀態(tài)，不僅使得材料運(yùn)用更合理，大大節(jié)約了模具成本、簡化了生產(chǎn)工藝，同時實(shí)現(xiàn)了材料輕量化設(shè)計。熱沖壓成形的門環(huán)尺寸精度更精準(zhǔn)，力學(xué)性能更優(yōu)秀，大幅提高了乘用車白車身的強(qiáng)度以及側(cè)圍的抗碰撞能力，使得車身結(jié)構(gòu)的安全性更高，有效提升了乘用車白車身的靜態(tài)剛度。

高強(qiáng)鋼熱成形板分為帶表面鍍層(一般是AlSi鍍層或鋅基鍍層)的鍍層板和不帶鍍層的非鍍層板(或裸板)，因其成本較低且來源廣泛，在世界上應(yīng)用廣泛。

最新研究中，集成部件采用中錳鋼或者高強(qiáng)不銹鋼板能夠集成強(qiáng)度合理的輕量化一體部件，并可滿足更多的材料特性(如更高的伸長率和抗腐蝕性)，這些應(yīng)用研究已經(jīng)在試驗(yàn)評估過程中。

無涂層免噴丸熱成形鋼是一種新開發(fā)的抗氧化熱成形鋼板，采用特殊的表面改性技術(shù)在鋼板表面直接預(yù)生成Fe3O4的表面氧化物層結(jié)構(gòu)，使得坯料板在加熱過程中無法生成FeO亞層，可以有效地改善和解決氧化皮脫落現(xiàn)象，提高加熱和成形過程中材料的表面質(zhì)量，抑制熱沖壓工藝氧化皮脫落，為提高材料的使用特性開辟新的途徑[18]。

03  多部件集成的技術(shù)裝備

3.1 激光拼焊板生產(chǎn)線 

根據(jù)激光拼焊板生產(chǎn)線的自動化程度可以分為手工焊縫拼焊、半自動機(jī)器人連續(xù)焊接線和全自動龍門式連續(xù)焊接線。典型的手工焊縫拼焊生產(chǎn)線需要人工裝載料片，并依靠手工布置和定位料片，焊接完成后也需要通過手工卸載拼焊板成品，手工焊縫拼焊生產(chǎn)線需要5名左右操作人員。半自動機(jī)器人連續(xù)焊接線需要手動或自動加載預(yù)材料，并通過精密剪切機(jī)進(jìn)行剪切落料，人工拼對后進(jìn)行自動連接，然后手動或自動卸載焊接坯料，需要3名直接操作人員。全自動龍門式連續(xù)焊接線可以實(shí)現(xiàn)材料自動加載、坯料的自動連接和定位，焊接坯料自動卸載，需要1名直接操作人員。

而專用的門環(huán)拼焊全自動線，其生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)的半自動拼焊線的效率高很多，如圖7所示[19]。寶鋼激光拼焊國際有限公司的新一代生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)拼焊板生產(chǎn)線的2～3倍[19]。

圖7 高效專用門環(huán)坯料拼焊板設(shè)備[19]

3.2 熱沖壓車間與激光加工數(shù)字化車間

由于熱沖壓生產(chǎn)線節(jié)拍與拼焊線節(jié)拍不同步，單條熱成形生產(chǎn)線要與多臺專用激光拼焊設(shè)備(如門環(huán)專用拼焊系統(tǒng))匹配，方能滿足整體產(chǎn)能需求。熱沖壓生產(chǎn)節(jié)拍基本不受零件大小的影響，而激光拼焊生產(chǎn)線的節(jié)拍受焊接路徑長短和焊縫數(shù)量的影響，拼焊的時間也有所不同。由于激光加工設(shè)備是數(shù)字化激光設(shè)備，可以根據(jù)數(shù)字化熱沖壓車間的生產(chǎn)節(jié)拍需要，及時調(diào)整拼焊生產(chǎn)線的任務(wù)，進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，有助于提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率。

傳統(tǒng)的熱沖壓生產(chǎn)線流程是：開卷校平-切割落料-熱沖壓成形-三維五軸激光切割-拋丸清理(對于非鍍層板)。而在新一代數(shù)字化車間的工序流程中，增加了更多的激光加工工序，其流程是：開卷校平-激光切割落料-激光拼焊-熱沖壓成形-三維五軸激光切割-熱沖壓件(某些特殊要求)局部激光軟化加工或者激光組件焊接[20]。

本課題組基于工業(yè)4.0概念的數(shù)字化熱沖壓與激光加工數(shù)字化車間[21-22]的規(guī)劃如圖8所示。在新的數(shù)字化車間的體系架構(gòu)中，由相對獨(dú)立的數(shù)字化制造單元組成系統(tǒng)，單元之間使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接，由于嵌入式環(huán)境系統(tǒng)出現(xiàn)越來越多的交叉，形成了所謂的系統(tǒng)體系(System of System，SoS)，即在熱成形生產(chǎn)情境下，由多個分散自主系統(tǒng)組成的更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)。要理解SoS系統(tǒng)的復(fù)雜性，就需要理解子系統(tǒng)的單獨(dú)特征和相互交互產(chǎn)生的涌現(xiàn)特征。在實(shí)現(xiàn)熱沖壓數(shù)字化車間工業(yè)4.0的實(shí)踐目標(biāo)的過程中，也為金屬板料熱沖壓成形行業(yè)引入了智能制造的課題[23]。

圖8 熱沖壓與激光加工數(shù)字化車間示意圖

3.3 多部件集成熱沖壓生產(chǎn)過程中的CO2減排

多部件集成熱沖壓生產(chǎn)的最突出優(yōu)勢為：車身零件的總用材量減少，拼焊板落料的材料利用率和加工效率提高。同時多部件集成沖壓創(chuàng)新的零件重量減小、沖壓模具數(shù)量減少，零部件裝配的裝配車間的占地面積也大大減少，總體收益明顯增加。

以某車型的熱成形激光拼焊一體式后車體骨架為例(圖9[6])。傳統(tǒng)的集成方法中，該組件由5個零件和10個隔板成形，裝配零件為15件，裝配點(diǎn)焊90個，需要多套沖壓模具和多級組裝。組裝后的重量為11.02 kg，坯料重17.75 kg，材料利用率為62%。多部件拼焊板集成設(shè)計中，采用5個零件集成為1個組件和6個獨(dú)立的隔板，裝配零件為7件，組裝后的重量8.34 kg，坯料重11.24 kg，每輛車減重2.68 kg，材料利用率為74%。

圖9 傳統(tǒng)組件方案與多部件集成方案對比[6]

對該部件而言，CO2當(dāng)量排放由傳統(tǒng)方案的24.29 kg減少到15.53 kg，在汽車生產(chǎn)階段，每輛車的CO2當(dāng)排放量為8.76 kg量，節(jié)省了36%。

多部件集成一體化熱沖壓成形解決方案有利于綠色環(huán)保的落實(shí)。基于UCSB汽車能源和溫室氣體模型用戶指南V5以及BEV SUV設(shè)計實(shí)施的鋼材計算的CO2減排報告可知，該零件生產(chǎn)10年內(nèi)的CO2減排量相當(dāng)于減少了200萬輛汽車的運(yùn)行排量[24]。在生產(chǎn)和車輛使用生命周期中減少17000 t的CO2當(dāng)量，相當(dāng)于4座風(fēng)力發(fā)電站，為3000個家庭提供的用電量。

04 結(jié)論

(1)多部件集成熱沖壓，是激光拼焊板與熱沖壓成形的綜合技術(shù)。應(yīng)用多部件集成高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的輕量化車體成形。該方法適用于不同車輛動力系統(tǒng)的解決方案，包括電動汽車。有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提升和材料利用率的優(yōu)化。

(2)與多部件獨(dú)立設(shè)計成形傳統(tǒng)技術(shù)相比，一體成形技術(shù)總成本更低，可以滿足國際市場的所有相關(guān)安全要求。由于該技術(shù)的零部件集成度和材料利用率高，目前已經(jīng)成為車身輕量化的一種可持續(xù)發(fā)展的解決方案。

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