2014年阿賽洛米塔爾公司開發(fā)出一體式鋁硅熱成形門環(huán)零件，以1個(gè)門環(huán)零件取代傳統(tǒng)4個(gè)零件，通過激光拼焊成整體料片后一體沖壓成型，在提升整體輕量化效果的同時(shí)保證車身整體剛強(qiáng)度，作為汽車碰撞“安全籠”概念的重要組成部分。
在正碰、側(cè)碰尤其是小角度偏置碰防護(hù)中表現(xiàn)優(yōu)異，可有效應(yīng)對(duì)IIHS（美國(guó)高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)）或C-IASI（中國(guó)保險(xiǎn)汽車協(xié)會(huì)）法規(guī)，逐漸成為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用趨勢(shì)。
鑒于熱成形門環(huán)的輕量化效果及性能優(yōu)勢(shì)，自阿賽洛開發(fā)出門環(huán)后世界范圍內(nèi)已有多個(gè)車型使用該技術(shù)，在不影響整車性能的前提下，單車可實(shí)現(xiàn)減重20%。
因原材料、激光拼焊、模具等高技術(shù)及相關(guān)專利限制，鋁硅熱成形門環(huán)量產(chǎn)成本較高，裸板熱成形門環(huán)仍存在較大技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)車型尚無熱成形門環(huán)量產(chǎn)實(shí)績(jī)。
表1 三種結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析1. 熱成形門環(huán)原材料及熱加工工藝
目前已量產(chǎn)的熱成形門環(huán)材料是在傳統(tǒng)22MnB5材料基礎(chǔ)上加一層鋁硅鍍層，后續(xù)再熱沖壓成形達(dá)到抗拉強(qiáng)度超過1500MPa強(qiáng)度的材料。鋁硅鍍層熱成形材料可有效避免熱沖壓過程的表面氧化，避免增加拋丸工序及拋丸工序?qū)α慵鹊挠绊?，具有?yōu)異的防腐性能。但鋁硅熱成形門環(huán)板料價(jià)格昂貴，因此只在極少數(shù)合資/外資品牌的高檔車型才有應(yīng)用。因鋁硅鍍層原材料價(jià)格昂貴且具有專利保護(hù)，因此，全球范圍內(nèi)均在研究推進(jìn)裸板熱成形材料及裸板熱成形門環(huán)的應(yīng)用，裸板熱成形材料即原材料表面沒有鍍層，全球范圍內(nèi)鋼廠均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)。但裸板熱成形門環(huán)的推進(jìn)，需解決從原材料、激光拼焊到涂裝防腐、拋丸精度等全流程難點(diǎn)問題，目前全球范圍均無量產(chǎn)先例，挑戰(zhàn)巨大。2. 熱成形材料激光拼焊工藝
現(xiàn)有非門環(huán)方案均采用分件方案，采用2個(gè)抗拉強(qiáng)度為1500MPa熱成形零件及2個(gè)抗拉強(qiáng)度為600MPa 左右的冷沖壓零件點(diǎn)焊連接構(gòu)成。熱成形門環(huán)4個(gè)零件均采用抗拉強(qiáng)度為1500MPa 熱成形材料采用激光拼焊工藝連接，對(duì)應(yīng)部位均做減薄處理，實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)并達(dá)到輕量化效果。
阿賽洛公司的部分剝離鋁硅鍍層的激光拼焊工藝技術(shù)，在保證焊接性能的同時(shí)也能保證零件及焊接接頭的防腐蝕性能，具有較強(qiáng)的技術(shù)先進(jìn)性。該技術(shù)同樣在中國(guó)范圍內(nèi)申請(qǐng)了專利保護(hù)（圖5）。
裸板熱成形材料激光拼焊既能有效規(guī)避該專利技術(shù)，同時(shí)在設(shè)備投入及人工投入等方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)。針對(duì)裸板激光拼焊，國(guó)內(nèi)鋼廠開發(fā)了無填絲激光拼焊和有填絲激光拼焊2種工藝，無填絲激光拼焊焊接設(shè)備投入少，不需要額外的送絲裝置，依靠板材的自熔化實(shí)現(xiàn)板材的連接；而有填絲激光拼焊則是通過外加焊絲的熔化實(shí)現(xiàn)板料連接。
2種激光拼焊工藝驗(yàn)證結(jié)果顯示，2種激光拼焊材淬火前后拉伸強(qiáng)度均達(dá)到母材強(qiáng)度，且淬火前杯突試驗(yàn)都未出現(xiàn)沿焊縫開裂情況，但采用無填絲焊進(jìn)行等厚板焊接時(shí)，由于局部熔體損失導(dǎo)致焊縫輕微凹陷，易出現(xiàn)拉伸沿焊縫位置斷裂，而有填絲焊工藝則不存在上述問題。裸板熱成形材料有填絲激光拼焊工藝得到成功開發(fā)。
圖5 阿賽洛熱成形材料激光拼焊相關(guān)專利
3. 一體式熱成形門環(huán)焊縫選擇及評(píng)價(jià)方法
一體式熱成形門環(huán)應(yīng)用過程中，需綜合考慮門環(huán)力學(xué)性能、材料利用率、激光拼焊成本等因素，門環(huán)可選擇2道或多道焊縫，具體與車型設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)有關(guān)。2019年國(guó)內(nèi)已量產(chǎn)的RDX 鋁硅熱成形門環(huán)采用4 道焊縫（圖6），在提升整車側(cè)碰及偏置碰性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)減重20%左右，最高減重達(dá)6kg。裸板熱成形門環(huán)焊縫數(shù)量及結(jié)構(gòu)同鋁硅熱成形門環(huán)選擇要求一致，一體式門環(huán)分縫示意圖見圖7～圖10所示。圖6 RDX量產(chǎn)鋁硅門環(huán)車型設(shè)計(jì)方案熱成形門環(huán)激光拼焊焊后技術(shù)要求主要包括以下3點(diǎn)。a.激光拼焊板平板淬火前后焊縫區(qū)拉伸強(qiáng)度均達(dá)到母材強(qiáng)度；b.淬火前激光拼焊板杯突試驗(yàn)不出現(xiàn)沿焊縫開裂形態(tài)（圖11）；c.淬火后拉伸斷裂位置不出現(xiàn)在焊縫處。根據(jù)車企現(xiàn)有激光拼焊焊接質(zhì)量技術(shù)要求，同時(shí)參考行業(yè)內(nèi)激光拼焊規(guī)范以及激光焊接國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，形成該車型熱成形門環(huán)板料焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過該標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)焊縫質(zhì)量是否符合技術(shù)要求，同時(shí)確保后續(xù)門環(huán)性能不受焊接性能影響。4. 一體式熱成形門環(huán)應(yīng)用難點(diǎn)分析熱成形門環(huán)相比于傳統(tǒng)分件方案在整車剛度和強(qiáng)度上有較明顯的提升，特別是應(yīng)對(duì)小角度偏置碰和側(cè)碰均有良好性能表現(xiàn)，但因零件尺寸大模具狀態(tài)難以匹配、性能調(diào)試經(jīng)驗(yàn)不足、整體精度控制難等問題、在應(yīng)用上仍有較大難度，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面（表2）。表2 一體式熱成形門環(huán)應(yīng)用難點(diǎn)分析(1)門環(huán)零件相關(guān)設(shè)備要求
由傳統(tǒng)4～5 個(gè)零件整體拼焊為一個(gè)零件，對(duì)焊接設(shè)備、焊接夾具、沖壓機(jī)床、沖壓模具、拋丸設(shè)備的尺寸提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)車型尚無量產(chǎn)門環(huán)，除受限于門環(huán)技術(shù)外，零部件供應(yīng)商現(xiàn)有生產(chǎn)能力也較難滿足。要開發(fā)出大型熱成形門環(huán)零件，需匹配好原材料供應(yīng)商及零部件供應(yīng)商，做好充分調(diào)研準(zhǔn)備。(2)熱沖壓成形性能
鋁硅熱成形門環(huán)因鍍層潤(rùn)滑作用，調(diào)整好沖壓參數(shù)，成形難點(diǎn)部位模具需重點(diǎn)研磨解決沖壓開裂及起皺問題，后續(xù)量產(chǎn)一致性較好。裸板熱成形門環(huán)板料由于表面無鋁硅鍍層，摩擦系數(shù)加大，零件沖壓易在減薄率大的位置出現(xiàn)開裂，此外裸板門環(huán)板料沖壓還存在粘?，F(xiàn)象，出件困難，難以保證沖壓連續(xù)性，若涂油沖壓，則對(duì)該問題有一定改善（圖12）。(3)防腐蝕性能
過往車型項(xiàng)目涂裝拆解結(jié)果表明，在分件方案下，環(huán)狀區(qū)域的門檻內(nèi)腔、A 柱內(nèi)腔、B 柱內(nèi)腔局部部位易存在電泳不良風(fēng)險(xiǎn)，在這些區(qū)域通常采用帶鍍層材料應(yīng)對(duì)，也能達(dá)到防腐蝕效果。*鑒于目前缺少耐藥菌株的資料，故不能定義敏感以外的其他類型。如果菌株的MIC值不在敏感的范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)送至參比實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)。表3 應(yīng)對(duì)涂裝防腐問題所做熱成形門環(huán)設(shè)計(jì)(4)門環(huán)精度控制
作為熱成形門環(huán)應(yīng)用的料片準(zhǔn)備工序，門環(huán)板料激光拼焊過程中因定位精度、焊接質(zhì)量等問題，易造成門環(huán)料片區(qū)域性翹曲，量產(chǎn)快節(jié)拍更是對(duì)門環(huán)試片的夾緊及定位裝置提出了更高要求。原材料供應(yīng)商需匹配完善的夾具裝置、定位裝置、焊縫檢測(cè)裝置、焊后料片檢測(cè)等設(shè)備，保障門環(huán)料片的尺寸精度及一致性。熱沖壓過程中，零件前期精度保證需匹配工藝參數(shù)和精準(zhǔn)的模具調(diào)試。其中，鋁硅熱成形門環(huán)因表面涂層因素，風(fēng)險(xiǎn)較小。裸板熱成形門環(huán)在熱沖壓過程中表面易形成黑色氧化層，嚴(yán)重影響后續(xù)焊裝質(zhì)量及焊接強(qiáng)度，需進(jìn)行拋丸處理。為保證門環(huán)精度，后續(xù)需持續(xù)優(yōu)化拋丸工藝，確保門環(huán)量產(chǎn)精度及一致性。(5)零件力學(xué)性能
對(duì)門環(huán)零件上取樣開展力學(xué)性能、硬度測(cè)試，前期測(cè)試過程中可能會(huì)出現(xiàn)門環(huán)存在部分位置強(qiáng)度偏低，可能與冷卻速度、模具貼合、保壓時(shí)間短等因素有關(guān)，后期需繼續(xù)通過研合模具，提高模具與零件的貼合度、調(diào)整熱沖壓工藝進(jìn)一步改善零件性能。
圖13 5道焊縫門環(huán)及取樣區(qū)域示意
圖13以5道焊縫、1500MPa強(qiáng)度級(jí)別熱成形門環(huán)為例，門環(huán)上部分區(qū)域取樣，4處區(qū)域?qū)Ρ妊心ゼ罢{(diào)整熱成形工藝前后，拉伸力學(xué)性能及硬度測(cè)試結(jié)果均有明顯差異，性能差異示例如表4所示。表4 門環(huán)工藝調(diào)整前后性能對(duì)比圖（示例）
（本文完）
