热成型技术的应用现状和发展趋势

摘要：阐述了热成型技术在汽车行业的起源和发展过程，简单介绍了热成型的分类与技术原理，探讨了先进热成型技术的发展趋势，分析了国内外的具体应用及现状，总结了热成型技术在国内自主品牌应用中所存在的问题。

　　关键词：热成型 轻量化 碰撞

　　随着汽车新材料的不断应用，以及满足市场对轻量化和高安全性能汽车需求的先进设计理念的不断引入，制造工艺也需要不断革新。采用高强度钢板冲压件制造车身是同时实现车体轻量化和提高碰撞安全性的重要途径。目前汽车车身安全件普遍采用1 300~1 500 MPa 级的超高强零件，但是高强度钢板强度越高，越难成形，尤其是当钢板强度达到1 500 MPa时，常规的冷冲压成形工艺几乎无法成形。热成型技术的采用可以很好地解决超高强零件的成型问题。

　　19世纪中期，瑞典SSAB公司研发出了第一代热轧与冷轧含硼钢；20 世纪70 年代，热成型工艺首先在瑞典得到开发并取得专利。

　　瑞典SSAB 汽车公司在1984 年成为第一家采用硬化硼钢板的汽车制造商，生产出第一件热成型汽车零件——客车门内防撞梁。随后，这一技术相继应用于保险杠横梁、A柱和B柱加强件以及底盘组件等，但是由于加工缓慢，且价格高，应用热成型技术生产的零件种类非常有限，只被原始设备制造商所接受。

　　80 年代中期之后，热成型技术进入高速发展阶段，当时有3 家公司可提供零件；1991 年，热成型保险杠横梁用于福特汽车；全球生产的热成型零件数量从1987年的3百万件增加到1997年的8百万件。从2000 年起，更多热成型零件被用在汽车上，而且年产件量在2007 年上升到约1.07 亿件。2013 年，约80%的白车身骨架类零件均可由热冲压技术加工，产量超过3亿件。

　　目前，全世界热成型生产线已超过200 条，Benteler 拥有其中近40%，是世界上最主要的热成型零件供应商，GESTAMP 是世界上首个提供热成型件的厂家，其客户主要集中在欧洲车系，COSMA也是主要的热成型供应商之一。国内热成型零部件企业近年发展突飞猛进，建成（含在建）的生产线有50多条，其中比较著名的是上海宝钢、上海赛科利、屹丰集团、凌云吉恩斯等。

　　目前，热成型分为直接热冲压和间接热冲压，如图1所示。在直接热冲压中，半成品先被加热，再转移到闭式模具内成型和淬火；间接热冲压主要使用预成型冷模，对形状较为复杂或拉延较深的零件先进行一次冷冲预成型，之后与直接热冲压工艺基本相同，如中通道等零件。

　　22MnB5 是热冲压技术最为常用的钢种，通常，热冲压前其组织为铁素体+珠光体，抗拉强度约600 MPa，经热冲压后组织为全马氏体，抗拉强度达约1 500 MPa（见图2a）。众所周知，C 含量对材料淬火后的强度影响较大，而Mn、Cr 等元素的影响较小。在调整好元素后，通过柔性化的冷却速率便可获得期望的相变和硬化效果，其中B 元素对硬化的贡献较大，它能减缓奥氏体向软相（铁素体）转变，即提高淬透性。

　　为了获得这类组织和硬度的转变，半成品将被在950℃持续奥氏体化至少3 min，然后成型，在冷却水中淬火5~10 s。只要板材在模具中冷却速度超过马氏体临界转变速度（约27 ℃/s），就将导致非扩散马氏体组织的转变。马氏体转变温度在425℃左右，转变终止温度在280℃左右，最终产生高强度的零件（见图2b）。

　　目前，国际上热冲压钢板材料从成分上可分为Mn-B、Mn-Mo-B、Mn-Cr-B、Mn-Cr和Mn-W-Ti-B系列，其中Mn-B 硼钢系列使用量最大，技术也最成熟，主要钢种的成分与力学指标如表1所示。我国因处于应用初级阶段，以Mn-B 硼钢系列为主，Mn-Mo-B系列主要在欧洲、北美等地区所用，Mn-Cr-B 为高淬透性热冲压用钢，Mn-Cr 为部分马氏体热冲压用钢，Mn-W-Ti-B系列为韩国浦项Posco开发的高烘烤硬化的细晶粒热冲压用钢，强度级别有1 200 MPa、1 300 MPa、1 500 MPa、1 700 MPa。

　　国内各大钢厂也积极开发热冲压用硼钢，现已能批量供货无镀层热冲压硼钢（冷轧B1500HS；热轧BR1500HS）。

　　宝钢开发的硼钢，经过950℃左右单相奥氏体区的加热保温后，当冷却速度大于15 ℃/s时（与其它研究的试验值差别较大），钢板转变为全马氏体组织，其硬度为450~500 HV，强度达到1 300~1 500 MPa，如表2所示，缺点是无镀层。

　　奥氏体化条件下，钢与空气接触后将快速形成氧化膜。为了避免表面氧化和脱碳，会在金属板上涂覆保护涂层，在直接热冲压中应用最为广泛的是Al-Si 涂层。这些合金镀层通常采用持续热浸电镀工艺，溶液中Si、Fe、Al 的质量分数分别为10%、3%和87%。工件热处理时，Al-Fe 合金迁移到表面，因其有着更高的熔点防止了表层被氧化。不过，由于Al-Si 较低温度下成形困难，热浸镀铝板因不适合冷成形而不能用于间接热冲压过程，其次，热冲压后氧化层必须经过喷丸移除，以避免不良的涂料附着。带镀层钢板（Al-Si、GI、GA、Zn-Al等）与非镀层钢板的特点如表3所示。

　　随着应用要求的提高，热成型专用镀层钢板的应用越来越多，不同镀层硼钢的抗腐蚀性能如图3 所示。目前，Al-Si 镀层硼钢仍然是热成型镀层钢板的主要选择，但是GI、GA 镀锌硼钢已经可以应用于一些特有的热成型产品。

　　随着轻量化要求的不断提高，为了更大程度地实现轻量化、减少零件数量，并有针对性地提高局部安全碰撞性能、降低综合成本，传统的等厚热成型技术已无法满足要求，更为先进的热成型技术开始出现在国外车型中。

　　4.1 补丁板热成型

　　补丁板热成型又称为衬板热成型，是将主件和衬板先联结在一起后再一步成型的工艺（见图4），用于生产带预涂层的热成型复杂零件，主要用于需要局部加强的零件，如B柱、门槛等。其优点是碰撞安全性好、弯曲载荷和扭转载荷较高、参数可调，可实现轻量化，整体模具费用低。

　　FIAT 500属于微型车，要需提高碰撞性能，在原有热成型B 柱的基础上，设计了热成型衬板以便提高强度，应用后单件减重1 kg，单件成本下降2 欧元（约合20 元人民币），模具成本下降了25 万欧元（约合250万元人民币）。

　　4.2 拼焊板热成型

　　拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB）热成型的原理与普通拼焊板近似，不同的是要求不同厚度的热成型板料焊接在一起，然后再进行热冲压，如图5所示。拼焊板热成型的优点是减少了相关零件数量和材料消耗、优化了结构、实现了整车轻量化、简化了装配工艺，其主要应用部位是前保险杠横梁、前、后纵梁、中通道加强板、B柱、门槛、顶盖加强板、后侧围内板等。

　　TWB热成型可以根据需要对板料任意进行拼接，因而具有极大的灵活性，并能按照等强度的概念优化设计一些以往设计为等厚度的车身零部件，将锻造加工转换为冲压加工，既可提高加工效率，又可节省加工能源。

　　4.3 变截面钢板热成型

　　变截面钢板（Tailor Rolling Blanks，TRB）又称为差厚板，是通过柔性轧制技术获得的连续变截面薄板。柔性轧制技术类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺，但其最大的不同之处是在轧制过程中，轧辊间距可实时调整，从而使轧制出的薄板在沿着轧制方向上具有预先定制的变截面形状。

　　TRB连续变化的截面提供了有利于后续成型加工的可能性。比如，事先运用有限元分析或数字模拟技术判断车身覆盖件在冲压过程中可能出现拉裂或材料流动性较大的部位，在车身设计阶段即可为某一部件的某个部位预先分配较大的板料厚度，从而有效地避免废品的产生。

　　变截面钢板热成型技术的生产过程特点为：料厚连续变化、料厚不同但渐变区域一致、厚度公差小、料厚变化不影响成本、良好的碰撞安全性能及可实现轻量化。主要应用部位有后保险杠横梁、前围板、A 柱、B 柱、中通道加强板、顶盖侧边梁、车门防撞板等。

　　福特福克斯的B柱原采用热成型双层加强板，现设计成单件的不等厚B 柱加强板，如图6 所示，在碰撞安全性不降低的情况下，质量大幅减轻，成本也没有增加。

　　4.4 局部热成型

　　某些零件在设计时要求既有良好的抗碰撞性能，又要兼顾装配焊接性，如B柱要求上端强度高以便碰撞时保护乘员，下端塑性好以便吸能，门防撞板要求中间部位强度高、两端塑性好。局部热冲压的优点是改善碰撞性能、提高自身吸能能力，如图7所示。

　　4.5 TWB 与TRB 的异同

　　TWB 和TRB 都是为轻量化而诞生的，根据工程力学中薄壁梁承载性能的基本理论，如果将等厚度板、TWB 及TRB 分别做成具有相同刚度的结构件，TWB和TRB材料用量显著减少。

　　由于TWB 存在料厚差和焊缝的影响，且焊接部位与母材在材料特性上必然有差异，可能导致TWB 在长度方向上的硬度也发生相应变化，这都为后续的成型工艺带来不利影响。其次，TWB 的焊缝在外观上无法彻底掩盖，因此不适合用作外覆盖件，只能用于制作内板或支架结构件。相比之下，TRB具有良好的机械性能，连续变化的厚度足以适应车身各部位的承载要求，且其表面是连续光滑的，可以制作各种车身外覆盖件。

　　TWB可以通过激光焊接将不同牌号的钢板进行任意拼接，具有很强的灵活性，但不同厚度板材的对接或搭接处板料厚度有突变。此外，焊缝及其附近会产生局部硬化，需要热处理来消除硬化效应，从而加大了工艺复杂程度。

　　TRB 靠柔性轧制工艺在不同厚度的板料之间形成连续的、缓变的过渡区，不存在TWB的焊缝问题。其不足之处是受轧制工艺和轧机设备的限制，其厚度变化只能发生在板料的初始轧制方向上。此外，现有的轧制工艺还无法把不同金属材料的板料“轧制”在一块整板上，即在灵活性上不如TWB。

　　由以上对比分析可知，TWB和TRB在轻量化、机械性能、制造工艺等方面各有特色和不足之处，从综合指标来看，TRB具有更大的优势，未来轻量化安全车身的热成型应用将以TRB 热冲压为目标，如图8所示。

　　5.1 国外应用

　　热成型技术在欧美，特别是欧洲得到非常广泛的应用，被普遍认为是实现整车轻量化、提高碰撞性能和降低车身制造成本的有效手段。

　　2003 年、2004 年欧洲白车身会议热成型技术仅应用于少数高端车型，从2005 年开始呈现飞跃式发展，随后每年至少有一半参展车型使用了热成型工艺，2013 年有8 款车都采用了热成型技术。材料方面，早期采用22MnB5，后来逐步发展到带涂层的Usibor 1500P 和本特勒的BTR165，板材厚度为1.0~2.0 mm，如图9所示。

　　2005 年以后，全球主流新车型都采用了热成型技术，单车应用平均比例在稳步提高，达到5%左右，如图10所示。同时，最高纪录也不断被刷新，其中，大众公司的热成型技术应用水平一直领先。图10中，2013的下滑是由于当年参展车型以混合动力、高级跑车和高档车型为主，大量使用了塑料、碳纤维和铝镁合金等先进材料，传统钢材应用下降。

　　将10年内欧洲白车身会议的所有热成型件进行统计，结果如表4所示：A柱、B柱是使用最广，最常见的热成型零件，包括欧、美、日系均成熟应用；保险杠横梁、门槛、门防撞板、前挡板加强横梁已成为主流，主要是欧系车采用，如大众、斯柯达；侧边梁、中顶横梁、中通道、底板横梁、底板纵梁只有少数高档车型采用，如宝马、奥迪；C柱、轮罩加强板、窗框加强板只有特殊要求或高档车采用，如敞篷跑车、宝马、奥迪。

　　奥迪A3 全车采用各类先进技术和轻质化材料，共可减重80 kg。其中白车身（带四门两盖）热成型比例为21.7%（见图11）；如果只计算白车身骨架，热成型比例更可高达26.4%。热成型件包括A柱本体、B柱本体、前围板下部本体、前、后地板连接板本体、中通道加强板。从扭转刚度上看，扭转刚度较上一代增加了3 600 N·m/(°)，增幅为15.1%。

　　碰撞安全分析中，奥迪A3在传载路径上将几个重要结构件定义为热成型件。由于这些热成型件的强度较原结构件高，使得其料厚可以减薄，进而实现轻量化。另外，前、后地板连接板本体采用不等厚板进行热成型制造（见图12），除了提高安全性的同时，单车可减重10.2 kg。

　　5.2 国内应用

　　合资品牌中，目前欧、美系10万元级别车型均已采用热成型技术。以大众迈腾为例，采用的热成型件分别为A 柱上加强板、B 柱加强板、B 柱上铰链加强板、门槛加强板、中通道本体、门槛前部本体、门防撞板和前保险杠横梁本体等。

　　自主品牌热成型应用起步较晚，但是发展很快，为了满足安全性和轻量化的双重要求，相关技术也在逐步发展（见表5），如奇瑞艾瑞泽7采用了7个件，质量比例达到4.76%，但技术上主要依靠热成型供应商，主机厂设计和分析能力不够。未来，国内车型将持续扩大应用，使得综合成本下降，形成良性循环，且主机厂的设计和分析水平也将逐步提升。

　　目前，国外热成型技术应用已从传统的等厚板热冲压逐步向先进热成型发展，并已有量产车问世。国内除合资品牌外，自主品牌的热成型仍以传统等厚板热冲压为主，并且应用过程中还存在以下问题：

　　a.原材料成本高、来源少。原材料以无镀层板为主，无法保证最终零件的防腐性和表面质量，欧美厂家几乎全部采用涂层热成型钢。现阶段Al-Si镀层等厚钢板和激光拼焊板受专利保护，只有一家国外供应商提供，轧制差厚板也只有一家德国供应商提供。

　　b.CAE分析能力差。目前难以准确描述轧制差厚板和变强度板的性能，导致CAE分析精度不高。c.软模件质量差。用不带镀层的钢板加工快速软模零件时，由于加热阶段不带保护气氛，导致零件表面质量很差；模具不带冷却管道，导致零件性能的稳定性无法保证。

　　d.设计水平低。设计主动权仍在热成型供应商手中，自身不具备完整的设计和分析能力，包括完整的模拟仿真能力。

　　e.验收标准不完善。随着热成型件的普及，各大自主品牌急须建立正规完善的验收标准才能保证最终产品的质量，包括外观、尺寸、成分、性能和微观组织等评判要求。

　　对于未来自主品牌的热成型应用，建议基本车型均采用A柱、B柱、门防撞板的热成型件，以增强侧碰安全性能，2018年以后，可运用先进热成型技术生产复杂零件，如TRB 中通道、TWB 纵梁等，整体提升车型的品质。随着国外技术、设备对国内企业的开放，越来越多的国内企业将进入这一行业，热成型零部件在国内会有更大的发展，成本也将逐步降低。