基于多部件集成的熱沖壓成形技術研究進展

摘 要：高性能金屬板料熱沖壓成形技術對汽車輕量化極其重要，目前已被廣泛應用。隨著超高強鋼熱沖壓成形技術的進步，熱沖壓成形技術從簡單的零件成形正逐步向復雜結構成形發(fā)展。以輕量化車身結構件的碰撞能量分布載荷路徑為基礎，選擇不同板厚和強度級別的板料進行激光拼焊，經(jīng)過一體化熱沖壓成形后，獲得高強塑性區(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鍵技術的實現(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構優(yōu)化等諸多方面具有突出的優(yōu)越性和實用價值。

關鍵詞：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)技術的核心是超高強鋼激光拼焊技術與一體式熱沖壓技術的完美結合。通過使用激光拼焊技術將材料的強度和厚度進行合理組合，使車身結構剛度大大改善，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。材料強度和厚度的可變性保證了某些重要位置的碰撞強化要求，實現(xiàn)了材料性能的充分利用。

01  汽車車身結構件的高強鋼熱沖壓

超高強鋼和熱沖壓技術于1977年獲得專利，1990年在車身結構件上獲得初步應用，2009年后得到快速發(fā)展[1]。用于熱沖壓的超高強鋼從開始單一的強度級別逐步發(fā)展到1000、1500、1800和2000 MPa多種強度級別，同時也開發(fā)了適應熱沖壓技術的500～700 MPa強度級別的熱成形鋼，如圖1所示[2]。熱沖壓技術也發(fā)展到變強度(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技術的限制，但是當瓶頸突破后，國內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[2]

1.1 多部件集成熱沖壓一體成形

高強鋼的最佳連接工藝是激光拼焊，即將不同材質、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鋼內-外門環(huán)，如圖2所示。2021年ArcelorMittal公司在多年技術發(fā)展的基礎上提出了MPI概念[6]，MPI技術結合了超高強鋼激光拼焊技術與熱沖壓技術的優(yōu)點，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。

圖2 MPI門環(huán)的熱沖壓成形

1.2 關鍵技術

激光拼焊原理是將材料的強韌性和厚度進行合理組合，從而改善車身結構剛度和強度(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。材料強韌性和厚度的可變性保證了碰撞強化和吸能要求，實現(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 激光拼焊板技術原理[7]

02  多部件集成技術

2.1 多部件集成的結構設計優(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，且點焊時的材料重疊也增加了車身重量。

為實現(xiàn)車身結構輕量化，車身材料需要逐漸高強化，特別是車身安全結構件，往往使用強度性能很高的先進高強鋼。此外還可將不同性能的高強鋼連接起來，從單一材料向多種材料混合使用轉變[8]，從而實現(xiàn)汽車輕量化。因此，焊接工藝十分重要，保證焊縫的穩(wěn)定結實、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，新能源汽車的結構發(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現(xiàn)貫穿式車身底部橫梁設計，以保證乘員艙真正形成一個截面閉環(huán)的框架結構，提高整個車身剛性和側向安全強度。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，其設計路線如下：

(1)  以汽車載荷傳遞路徑設計為基礎，對包含一體式拼焊部件在內的車身結構進行分析(圖4[9])，實現(xiàn)了車身結構剛度、承載體扭轉剛度、車身結構振動特性以及碰撞能量分散與吸收的設計優(yōu)化，確定不同強度和厚度組合的拼焊板結構性能分配。

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。基于特定結構的材料性質、類型、幾何尺寸和布局關系，通過特定的數(shù)學模型優(yōu)化算法對結構的截面尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)結構的質量、體積達到最小值，材料利用率提高，成本降到最低，由本團隊研發(fā)的實際案例如圖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。設計人員先進行模型結構拓撲布局、材料特性等形狀參數(shù)的確定，然后通過改變結構邊界形狀來實現(xiàn)優(yōu)化結構設計，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，為滿足車身結構服役要求，必須修改邊界形狀以避免缺陷出現(xiàn)。

(4) 采用高速拉伸試驗獲得不同拼焊板的高速動態(tài)特性。在此基礎上，實現(xiàn)車身結構的碰撞仿真，優(yōu)化車身結構。

2.2 不同強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度更好的高強鋼。同時激光焊接工藝保證了焊縫的性能，使得焊縫強度不低于母材強度[10]。

自2007年ArcelorMitittal公司推出半消融鋁硅鍍層板激光拼焊技術以來，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。該方案在現(xiàn)今汽車行業(yè)主要應用有：等強差厚熱沖壓激光拼焊板、差強等厚熱沖壓激光拼焊板和差強差厚熱沖壓激光拼焊板的設計方案。國內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，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上，目前應用項目的相關研究內容主要為：

(1)采用激光拼焊技術將不同強度級別、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系。

(2)開展了多種拉伸試驗，得到了激光拼焊板的應力-應變曲線，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，得到了拼焊板的成形極限。通過研究焊縫組織的力學性能，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系及對最終力學性能的影響，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、強度和材質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、強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材料的強度和厚度的影響，在熱沖壓成形過程中存在焊縫偏移的現(xiàn)象。較薄的一側變形量大，強度較低的一側變形量大，減薄嚴重，容易導致破裂，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模型，研究熱沖壓過程的相變轉化模型、傳熱模型及激光拼焊板的熱力學模型。通過熱沖壓成形試驗，進行厚度分布分析及微觀組織測試，通過與數(shù)值模擬結果的對比驗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。但在實際熱沖壓過程中，焊縫的移動、薄側起皺和過量減薄等都會影響淬火的效率。需要在模具設計時考慮這些流動現(xiàn)象的影響，從而使模具結構設計合理[17]。

2.4 多部件集成一體式熱沖壓技術的應用

車體門環(huán)是典型的多部件集成，并能夠實現(xiàn)一次完成熱沖壓成形-強化。采用激光拼焊的方法將多段不同材料、厚度和性能的高強鋼坯料焊接起來，再通過熱沖壓成形技術改變其形狀和性能，得到整體的高性能強度的門環(huán)結構。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，適配不同強度和厚度的材料，實現(xiàn)整體的門環(huán)結構性能達到最合理、最優(yōu)異的狀態(tài)，不僅使得材料運用更合理，大大節(jié)約了模具成本、簡化了生產(chǎn)工藝，同時實現(xiàn)了材料輕量化設計。熱沖壓成形的門環(huán)尺寸精度更精準，力學性能更優(yōu)秀，大幅提高了乘用車白車身的強度以及側圍的抗碰撞能力，使得車身結構的安全性更高，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，在世界上應用廣泛。

最新研究中，集成部件采用中錳鋼或者高強不銹鋼板能夠集成強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)，這些應用研究已經(jīng)在試驗評估過程中。

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在鋼板表面直接預生成Fe3O4的表面氧化物層結構，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。半自動機器人連續(xù)焊接線需要手動或自動加載預材料，并通過精密剪切機進行剪切落料，人工拼對后進行自動連接，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。由于激光加工設備是數(shù)字化激光設備，可以根據(jù)數(shù)字化熱沖壓車間的生產(chǎn)節(jié)拍需要，及時調整拼焊生產(chǎn)線的任務，進行動態(tài)調整，有助于提高生產(chǎn)效率和設備利用率。

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中，由相對獨立的數(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、更復雜的系統(tǒng)。要理解SoS系統(tǒng)的復雜性，就需要理解子系統(tǒng)的單獨特征和相互交互產(chǎn)生的涌現(xiàn)特征。在實現(xiàn)熱沖壓數(shù)字化車間工業(yè)4.0的實踐目標的過程中，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計中，采用5個零件集成為1個組件和6個獨立的隔板，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。基于UCSB汽車能源和溫室氣體模型用戶指南V5以及BEV SUV設計實施的鋼材計算的CO2減排報告可知，該零件生產(chǎn)10年內的CO2減排量相當于減少了200萬輛汽車的運行排量[24]。在生產(chǎn)和車輛使用生命周期中減少17000 t的CO2當量，相當于4座風力發(fā)電站，為3000個家庭提供的用電量。

04 結論

(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。應用多部件集成高強鋼熱沖壓技術可以實現(xiàn)復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)品質量的提升和材料利用率的優(yōu)化。

(2)與多部件獨立設計成形傳統(tǒng)技術相比，一體成形技術總成本更低，可以滿足國際市場的所有相關安全要求。由于該技術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。

參考文獻：

[1] 張宜生，王子健，王梁.高強鋼熱沖壓成形工藝及裝備進展[J].塑性工程學報，2018，25(5)：11-23.

[2] MESCHUT G，JANZEN V，OLFERMANN T. Olfermann innovative and highly productive joining technologies for multi-material lightweight car body structures[J]. Journal of Materials Engineering and Performance，2014，23：1515-1523.

[3] 王子健，劉曉龍，張宜生，等.高強鋼熱沖壓成形變強度工藝研究[J].熱加工工藝，2018，47(13)：33-36.

[4] 喻苗. 高強鋼變強度成形的綜合目標實現(xiàn)方法研究[D].武漢：華中科技大學，2014.

[5] MALLEN R Z.RIGGSBY J. 2014 acura MDX one-piece hot stamp door ring development[R]. Global Powertrain Congress，2013.

[6] ACHIKET G.Mulit part integration (MPI)concepts using press hardening sheet laser concepts using press hardening steel laser welded blanks[EB/OL].(2022-06-01)[2022-12-11]. https：//www.steel.org/wp-content/uploads/2022/06/Track-2-Session-3-Gokhale-ArcelorMittal-TWB-r2.pdf.

[7] YOON T J，OH M H，SHIN H J，et al.Comparison of microstructure and phase transformation of laser-welded joints in Al-10wt%Si-coated boron steel before and after hot stamping[J].Materials Characterization，2017，128：195-202.

[8] 朱彬，劉旺，劉勇，等.高強鋼/碳纖維增強復合材料熱沖壓-連接一體化工藝可行性及試樣彎曲性能研究[J].中國機械工程，2021，32(24)：2975 -2980.

[9] GAGAN T. Integrated battery occupant protection body-in-white concept using tailored blanks[EB/OL]. (2021-06-01)[2022-12-11]. https：//www.steel.org/wp-content/uploads/2021/06/GDIS-2021_Track-3_01_Tandon_Tailored-Blanks.pdf.

[10] 景財年，范吉超，倪曉梅，等.激光焊接不等厚異種鋼接頭組織與性能研究[J].中國激光，2014，41(8)：97-102.

[11] 王凱，朱彬，王義林，等.熱沖壓鋼Al-Si鍍層形貌動態(tài)演化及形變開裂特征[J].塑性工程學報，2020，27 (9)：181-185.

[12] LIANG W，DUAN J，WANG Q，et al. Influence of multi-step heating methods on properties of Al-Si coating boron steel sheet[J].Coatings，2021，11(2)：164-178.

[13] PAN H，DING K，GAO Y L，et al. Performance evaluation and application of the laser welded joint with filler wire for Al-Si coated press-hardened steels[C]//Advanced High Strength Steel and Press Hardening Proceedings of the 6th International Conference (ICHSU 2022). Wuhan，2022：161-169.

[14] 唐炳濤，原政軍，張保儀，等.高強鋼B340LA與B1500HS鋼激光拼焊板熱沖壓淬火性能[J].材料熱處理學報，2013，34(2)：62-66.

[15] 龔志輝，趙樹武.差厚拼焊板零件焊縫線偏移的控制方法[J].中國機械工程，2019，30(6)：742-747.

[16] 于恒星.差厚板熱沖壓的成形工藝和組織演變規(guī)律研究[D].沈陽：東北大學，2019.

[17] 王子健. 高強鋼板料變強度熱沖壓成形研究及應用[D].武漢：華中科技大學，2016.

[18] LIU H L，HU Y，GAO H G，et al. Application research on antioxidant hot formed phs1500a steel[C]//Advanced High Strength Steel and Press Hardening Proceedings of the 3rd International Conference (ICHSU2016). Xi′an，2016：31-35.

[19] LIU J B. Green technology of laser welding and equipment for hot forming steel[C]//Advanced High Strength Steel and Press Hardening of the 6th International Conference(ICHSU 2022). Wuhan，2022：161-164.

[20] FREY A，KOHLL?FFEL R，MAIER D M，et al. Improvements in laser processing of door rings with laser machines[C]//Advanced High Strength Steel and Press Hardening of the 5th International Conference (ICHSU2020). Shanghai，2020：387-394.

[21] EBNER F. Intelligent process optimization for highly efficient productions[C]//Hot Sheet metal Forming of High-Performance Steel (CHS2). Lulea，2019：759-766.

[22] WANG L，WANG K，LI S，et al. Long period intelligent control in hot stamping production[C]//Hot Sheet metal Forming of High-Performance Steel (CHS2). Lulea，2019：767-772.

[23] SVEN F，THOMAS D，SEBASTIAN W，et al.Towards sustainable systems recon-figuration by an iot-driven system of systems engineering lifecycle approach[J]. CIRP，2022，(105)：654-659.

[24] WILSIUS J，LUTTENSCHLAGER K. Multi part integration approach for body structure using breakthrough hot stamped laser welded blanks solutions[C]//Hot Sheet metal Forming of High-Performance Steel (CHS2). Barcelona，2022：221-218.