热冲压成型技术的应用及减重效果的调研分析！

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1 简介

近年来，我国汽车工业快速发展，已成为国家经济发展的支柱产业。 然而，受能源、环境、生态、汽车安全等因素影响，汽车产业发展日益困难。 数据显示，汽车尾气污染已逐渐成为空气污染的主要原因。 随着国家不断推进节能减排和汽车轻量化的发展要求，对碳纤维、增强塑料、铝合金、镁合金等汽车轻量化材料的需求量增加。 应用、钢铝混合车身的开发、高强度钢板的应用已成为汽车节能减排的重要发展方向。

2 烫印技术的应用

高强度钢板的应用带来减重的同时，也对冲压成形工艺提出了挑战。 传统的冷冲压工艺在高强度钢板冲压成型过程中容易出现严重的开裂、回弹、起皱等问题。 模具粗糙等问题无法满足产品质量要求。 热冲压技术的应用，有效解决了高强度钢板乃至超高强度钢板在常温下成型困难的问题。

从汽车车身材料的发展历程可以看出，随着高强钢冲压成形技术的快速发展，热成形高强钢在白车身材料中的比例呈上升趋势。 图1为一汽红旗HS5车身材料分布比例图，可以看出，高强度钢板的应用比例超过60%，热成型钢板的应用比例为16.8%。 在实现车身轻量化的同时，提高了车身的被动安全性。

我们调查了解了两代奥迪A8车身的材质分布。 如图2所示，奥迪A8D5中的热成型高强度钢取代了奥迪A8D4中的部分铝合金材料。 下部、车顶侧梁、底盘部件等白车身材料比例进一步增加。

图1 一汽红旗HS5白车身材料分布及比例

图2 两代奥迪A8白车身材质分布图[1]

热成型高强钢的超高强度、材料轻量化以及碰撞安全性使其成为最具竞争力和性价比的车身轻量化材料之一。 已广泛应用于汽车生产制造中，图3所示为2012年欧洲车身大会上各车型白车身中热成型钢板的使用比例。 当时，国际知名汽车厂商推出的主流车型白车身中热弯型钢的使用比例超过10%，并以安全为品牌承诺。 作为原车制造商的沃尔沃，其主流车型的白车身热成型钢比例远高于奥迪、菲亚特、福特、克莱斯勒等国际知名车企的主流车型。 热成型零件在沃尔沃XC90车型中的使用比例达到了30%，热成型零件在2015年推出的沃尔沃XC90车型中的重量比例更是高达40%。 专家预测，热成型零件的重量可占白车身重量的50%[2]。

图3 2012年欧洲车身大会各车型白车身热成型钢板使用比例

由于我国在高强度钢板热冲压技术领域起步较晚，技术水平远远落后于国外先进汽车制造企业。 因此，我国要从汽车大国向汽车强国转型，提升汽车品牌竞争力，就必须重视高端汽车制造。 强度钢板热冲压成形技术。 国内整车厂、热成型件供应商以及国内钢厂都在积极研究热冲压技术的应用。 表1为宝钢集团调查的热冲压主要产品类型。 其主要产品是B柱加强板。 、A柱支撑加强板、前保险杠、前纵梁、车门铰链和安全带加强板正在逐步开发应用，服务于国内各大汽车制造商，未来热成型产品种类还​​将不断扩大。 发展努力。 近年来，钢板技术发展迅速。 未来热成型技术将逐步向激光焊接板、不等厚板、补片板等细分领域发展。 热成型技术的应用也将从普通钢板热冲压转向复杂零件和先进热成型工艺技术的发展。

随着我国关于汽车油耗、环保、汽车安全等法律法规的日益严格，可用于高强度钢板成型的热冲压技术已逐渐成为提高车身被动安全性的可行技术方法实现汽车轻量化、节能减排。 ，越来越受到国内外知名汽车制造商的关注，并成为当前汽车制造技术的发展方向之一。

3 热冲压工艺及零件类型 3.1 热冲压技术的工艺原理

热冲压技术不同于传统的冷冲压技术。 除使板材发生塑性变形外，还引起板材基体组织发生马氏体相变，从而获得超高强度热冲压件。 ，是一种集冲压成形、传热和结构相变于一体的工艺方法。 如图4所示，热冲压技术的工作原理是：取常温强度约为500～600MPa、组织为铁素体+珠光体的硼合金钢板，加热至900℃以上，奥氏体化。 状态，并保温一段时间，使其均匀奥氏体化，然后快速转移到具有内部冷却系统的热成型模具中进行快速冲压。 在一定的保压压力下，将零件在模具中加热到50~100℃/s的冷却速度进行淬火处理，保压一段时间，使奥氏体组织转变成均匀的马氏体结构以获得强度超过1500MPa的超高强度零件。

表1 宝钢集团热冲压主要产品信息表

图4 热冲压成形技术的工艺原理及显微组织相变过程

3.2 烫印技术的实现过程

烫印技术的实际实现过程可分为直接烫印和间接烫印两种。 直接烫金是将板材在保护气氛加热炉中加热到880-950℃左右，保温3-10分钟，然后快速转移到烫金模具上进行冲压，然后保压并快速冷却将其加热至 50°C，冷却速率约为 100°C/s。 冷却到200℃左右以下时取出，留有一定的自回火温度，以消除其自身的残余应力。 直接热冲压适用于成形简单、变形较小的零件。

图5为热冲压技术的实现流程[3]

间接热冲压是对一些成型困难、拉深变形深度较大的零件，采用传统的冷成型工艺，在热冲压前对板材进行加工、切割，使其能够预成型，然后进行热冲压。 加工、硬化、整形，如图5所示。

3.3 热冲压件的分类

热冲压技术零件的类型根据所用板材的不同可分为普通热成型零件、激光焊接毛坯（Tailor Welded Blanks，TWB）、轧制不等厚板（Tailor Rolling Blanks，TRB）、PATCH-工作补片等。 板材、软硬分区热成型件，如表2所示； 其中，软硬分区热成型件又细分为三种，一种是以不同材质的激光拼焊板的形式进行软硬分区，另一种是通过加热炉局部加热实现软硬分区片材的柔软区域。 最后一种方法是通过模具加热实现片材软区的软硬分区。

表2 热成型零件类型和板材形状说明

普通热成型零件的模具材料必须具有良好的耐磨性、抗热疲劳性和优良的导热性。 模具内部的冷却循环水道应均匀分布，以保证零件各成型部位冷却均匀。 激光焊接毛坯是将相同材料、不同厚度的热成型板材通过激光焊接在一起，然后热冲压成整体。 其模具除了具有普通热成型零件模具的特点外，还需要精确定位，以保证不同厚度的零件在相应的模具型腔区域内成型。 为了保证片材在成型过程中不移位，可在成型前对材料进行预压。 如果材料厚度差异太大，则需要在材料厚度区域的模具型腔中使用传热。 更好的模具材料。 轧制不等厚板是一种变厚度轧制的板材，其热成型模具特性与激光焊板相同[4]。 PATCH-work补板是将衬板局部焊接到主板上，作为局部加强结构，然后模压在一起的钢板。 除了具有与激光拼焊板相同的特性外，其热成型模具特性还需要注意在贴片区域采用更好的导热性能。 采用好的模具材料，保证板材各成型区域冷却均匀。

软硬分区热成型件是不同材料激光焊接毛坯形式的软硬分区板材。 其热成型模具结构特点与激光焊坯相似； 对于软区和硬区热成型，软区是通过加热炉中的局部加热来实现的。 对于钢板，设计模具时必须考虑软区回弹的估计影响； 对于软区由模具加热的软硬分区钢板，模具需要使用加热棒对软区特定位置和形状的镶件进行加热，并且还需要匹配相应的温度控制系统保证软区加热温度在500～600℃范围内。 模具镶件之间需要保留一定的间隙。 应考虑热胀冷缩的影响，避免镶件受热膨胀时相互挤压。 ，损坏模具。 同时，模具材料需要具有高温热硬性和耐磨性，以保证成型效果。

4 影响热冲压件质量的因素

热冲压技术是一种复杂的物理变形过程，具有金属材料结构相变的技术特征。 热冲压件的成型需要控制各个环节的工艺要求。 其质量影响因素涉及热冲压技术与设备的匹配、材料与模具的匹配、热成型工艺设计与过程控制等。

4.1 大型连续热冲压工艺系统设备配套

大型连续热冲压成型系统的设备主要包括上料台、取件机器人、连续保护气氛加热炉（电加热或燃气加热）、保护气氛发生装置（氮气+富集气体）、高温上下料机器人、热冲压由冲床、热冲压淬火模具、淬火冷却及温控系统、中央控制系统、检测转接台、辅助料篮（料架）组成等，中央控制系统必须有设备运行控制系统和软件程序编辑运行系统。 如图6所示。

图6 大型连续热冲压成型系统设备图[5]

连续式保护气氛加热炉主要是辊道加热炉。 加热方式有电加热和燃气加热两种。 炉子长度约为30～50m，视生产能力而定。 配备保护气氛、露点仪、氧含量检测装置等，对炉内氧含量进行监测和测试。 操作时，一般在保护气氛下将板材从常温连续加热至920~930℃，并保温一段时间后出炉。

保护气氛发生装置可向加热炉腔内提供氮气+富集气体（N2、N2+H2、N2+CH4），以防止板材在加热炉内加热时形成氧化皮。

热冲压机是一种零件的热冲压成型设备。 需要具有快速合模和保压的功能。 成型速度必须快，保压压力和时间可调，设备吨位一般不少于800吨。

热冲压淬火模具常采用耐高温材料制成的热作模具钢。 在使用过程中，热作模具钢需要具有较高的热塑性变形抗力、高温硬度和强度以及良好的抗热疲劳性能等特点，以实现热冲压成形。 零件的成型工艺。

淬火冷却及温控系统包括冷却系统和温控系统。 冷却系统为淬火冷却循环水装置。 其淬火冷却循环水回路通过热冲压淬火模具，对高温板材进行快速淬火和冷却。 温控系统可控制冷却水温度，保证在5～20℃之间。 当冷却水温度过高时，系统启动外部风冷装置对冷却水进行冷却。

中央控制系统是整个大型连续热冲压工作系统的中央控制单元。 它负责系统中水、电、气、温度等信号的处理和变换，协调和控制各种设备的正常运行和协调。

热冲压生产线的工艺流程为：毛坯堆放在上料台上→拾取机器人按程序控制上料→毛坯在连续保护气氛加热炉内加热输送→毛坯被出炉→上料机器人将高温坯料移入烫金机并快速定位→烫金机快速压制成型，然后淬火、冷却并保压一定时间→压力机将成型件抬起→卸料机器人将工件卸至传送台→检查后工件放置在传送台上辅助码垛到筐内→运输筐完成工序。 热冲压工艺完成后，需要进行下一步激光切割来生产最终产品，如图7所示。

图7 热冲压生产线工艺流程示意图

4.2板材与模具的匹配

板材材料的选择和模具的设计匹配是热冲压技术的关键影响因素。 硼钢一般用作热冲压钢，因为在板材中添加微量的硼可以有效提高钢的淬透性和淬透性。 抗拉强度大于500 MPa的硼钢，通过热冲压技术使组织转变为马氏体组织后，抗拉强度可达到1 400～1 600 MPa。 这种高强度钢板应用于汽车车身，可有效替代普通钢板，对汽车车身的轻量化设计和制造有效。

由于热冲压模具材料经常与高温板材发生摩擦，因此在板材淬火时往往要承受温度急剧变化的冷热交替环境。 因此，应选择耐高温、抗热塑性变形能力高、耐磨的材料。 热作模具钢材料。 在模具设计过程中，可以利用AutoForm[6]、Abaqus、Ansys、Ls-dyna等软件进行成型和冷却设计仿真分析。 必须充分考虑热胀冷缩对尺寸精度的影响，以保证零件的最终尺寸精度在合理的范围内，其模拟结果可以为模具设计提供重要的技术支持[7]。 淬火冷却循环水回路的设计应重点关注两个问题。 一是冷却速度要快，二是零件冷却要均匀，保证所有关键成型零件都能及时冷却淬火，避免因局部冷却速度不理想而造成零件软化。 观点。

4.3 烫印工艺设计及过程控制

烫印工艺设计是烫印产品开发的重要组成部分。 热冲压成型件的产品开发流程如图8所示。热冲压成型工艺方法设计应在产品设计后、获得产品数字模型后进行。 应对产品数字模型的成形性进行CAE分析。 计算结果可以反馈给产品设计进行产品数字模型修正。 应特别考虑。 加热温度、保温时间和冷却时间对板材成形性能的影响。 仿真计算得到的最终分析结果可为模具设计提供参考。 模具设计根据热成型零件的技术特点； 模具设计包括模具表面、结构设计和冷却系统设计； 冷却系统设计必须充分模拟并确认水道冷却效果的均匀性，以避免零件冷却速度不均匀造成的变形或局部软点的存在。 最后对热冲压模具进行加工、组装、装配试模，对零件进行检验验证，通过研发调试模具状态，提高零件的尺寸精度。

图8 热冲压成型件产品开发流程

工艺控制需要综合考虑钣金加热温度、保温时间、脱模后钣金在模具中的定位时间、保压压力和冷却时间等因素对零件涂层和回弹的影响。 加热温度过低或保温时间过短，奥氏体化不充分，导致成型后组织转变不完全； 加热温度过高或保温时间过长时，易造成晶粒粗大、组织过热或过热。 烧损等缺陷。 同时，如果保压压力和冷却时间太短，容易导致成型不充分和组织转变，剩余自回火温度过高，产生回火脆性； 如果保压压力和冷却时间过长，零件很容易直接冷却到常温，导致零件残余应力过大，可能引起开裂等缺陷。 为了提高生产效率，满足生产节奏要求，在保证热冲压件质量的前提下，可以控制和提高生产过程速度。 根据综合工艺开发实验结果，将板材在连续气氛保护加热炉中加热至900-950℃，保持3-10分钟，然后移至热冲压模具进行冲压。 此时，板材温度降至650-850℃，然后淬火冷却至200℃以下，以50-100℃/s左右的冷却速度取出，板材的抗拉强度零件可达1 400~1 600 MPa，生产周期约为15~25 s。

5 热冲压技术中常见的工艺缺陷及措施

在烫印技术发展和实际应用过程中，也存在一系列常见问题。 常见的热冲压成型缺陷有裂纹、孔变形、漏孔、重叠材料、压碎、压痕残留、涂层剥落、涂层断裂、局部硬度失效、严重回弹、零件表面脱碳层等。 、延迟开裂等各类问题。 缺陷的产生与模具的设计、结构、表面状态以及热成型时的加热温度、加热时间、冷却时间、冷却速率有关。 有的还与加热时的保护气氛有关。 对于模具设计和结构因素引起的缺陷，通过合理的模具设计结构整改、机械加工和模具表面的精磨，可以有效控制和减少缺陷的发生频率和数量； 对于热冲压成形过程中加热引起的缺陷，由于温度、加热时间、冷却时间、保护气氛等因素引起的缺陷，可以通过合理调整、优化、匹配工艺参数来调试和修正[8]。 同时进行零件审查和模具维护，直至消除缺陷。

零件减薄开裂、零件压痕、零件压坏、涂层剥落、涂层断裂等现象在实际生产中出现的概率比较大，如图9～图11所示。产生这些缺陷的原因主要与工件表面摩擦力大等因素有关。模具表面、片材与模具之间的点接触、残留碎片、杂质、表面光洁度不良等。可以对模具型腔进行清理，确保每次生产下线后，对模具进行清理和抛光，以提高模具的质量。零件的表面光洁度，保证热冲压模具清洁无尘的工作环境，以减少或避免此类缺陷的发生频率，缩短生产过程中模具的维护周期。 每生产200套左右的零件，就需要对模具进行清洗。 此外，周计划还应显示每周的生产和维护计划。 每周应保养一次，始终保持模具表面清洁。 另外，加热炉内的滚筒经常受到金属板材涂层熔化粘附表面的腐蚀，也需要每六个月对加热炉内的部分腐蚀滚筒进行检查和更换。

零件中重叠、孔偏移变形等缺陷是由于热冲压零件在模具中成型过程中，没有按照设计的零件成型轨迹变形移动，而是造成局部偏移而产生的缺陷在模具上。 ，如图12、图13所示。此类缺陷常存在于新工艺、新产品的调试阶段以及量产初期。 其原因主要与零件放置不稳定、零件在模具中的定位设计不合理、接料线不均匀或压紧力不均匀有关。 针对上述影响因素，我们可以一一排查，进行模具整改，以消除和改善此类缺陷。

图9 压碎部件

图10 涂层剥落并粘附在模具表面

图11 涂层剥落

图12 堆放材料

图13 孔偏移变形

零件镀层外观和性能的变化与加热温度和加热时间密切相关。 图14显示了零件铝硅涂层外观颜色和性能受加热温度和加热时间影响的变化。 加热温度和加热时间都会对零件的铝硅镀层产生影响。 因此，对于热冲压过程中由于加热温度和加热时间因素引起的缺陷，必须合理调整和优化工艺参数来匹配和纠正，否则很容易出现后续的焊接缺陷。

图14 某部位铝硅镀层受加热时间和加热温度影响颜色发生变化

如果加热温度和时间不同，零件的外观和涂层也会发生相应的变化。 在随后的焊接过程中，零件涂层的变化会引起电阻的变化。 电阻的变化可能会影响后续的焊接参数。 如果加热时间过长，还会造成组织晶粒粗大，影响零件的力学性能，降低生产效率。 图15为铝硅涂层后纵梁在900℃加热温度下不同加热时间涂层颜色变化示意图。 其对后续焊接工艺参数的影响需要通过实验研究进一步分析。

图 15 显示了后纵梁涂层颜色随加热时间的变化。

延迟裂纹是热成型零件的常见失效形式。 热冲压过程中，高强钢在高温淬火、回火后的组织状态和高残余应力的共同作用下，某些部位会产生裂纹。 并且在应力作用下发生沿晶或穿晶膨胀，引起零件局部开裂和失效。 如图 16 所示，热成型零件中出现延迟裂纹。 延迟开裂的主要原因是金属零件的显微组织和残余内应力的共同作用，而残余内应力的大小是影响延迟开裂发生的关键因素。 因此，解决零件延迟开裂问题，需要从延迟开裂的根源入手，重点关注热成型零件金相组织状态和残余应力性能两个指标。 通过调整和优化热冲压成形过程中的淬火工艺和自回火工艺，保证高强度钢在淬火成形后充分自回火，使零件的硬度控制在技术要求，从而减少和消除零件淬火成型后的产生。 残余内应力； 同时检查原板金相组织是否均匀致密，无夹杂物、带状组织等缺陷，热冲压后零件的金相组织是否能呈现均匀致密的马氏体组织。 这两个方面都会对热成型零件延迟开裂的概率产生影响。 在实际生产中，必须严格控制每个生产检验环节，避免这种隐患。

图16 热成型后零件延迟开裂

零件表面脱碳层主要是指经过热冲压加工后零件表面存在脱碳层，它会降低零件的表面硬度。 如图17所示，由于在加热由C1500H制成的热形式的钢板时，由于保护氛围不足，因此在加热和绝缘过程中与空气接触的板表面上发生脱氧化。 热形成过程完成后，零件的地下层获得了所需的强度。 坚韧的马氏体结构，而表面层是脱氧化层，硬度较低。 根据标准的GB/T 224-2019“确定钢的脱氧化层深度”的方法，测量零件脱雪的层的厚度。 完全脱灭的层的厚度为0.03毫米。 脱氧层会导致零件的表面硬度不足并影响零件的表面质量。 鉴于上述情况，在实际生产中，可以根据相应的参数和质量检查标准来严格控制防护气氛，露点计和氧气检测装置等因素，以消除此类缺陷。

图17零件表面上的脱氧层的结构

热冲压零件的局部硬度测试不令人满意也是常见的缺陷。 零件的局部硬度测试低于表面硬度技术要求的下限。 局部抽样测试发现，在该区域的金属结构中，马氏体的含量较低，木晶岩和残余奥氏体的含量较低。 如图18所示，较高的stenite含量表明，该问题区域的冷却速率缓慢导致缺陷产生。 通过分析，确定模具插入物在该区域的冷却效果不令人满意，并且产品和模具之间的接触率低是局部冷却速率较低的原因。 基于上述原因，可以一一进行有针对性的检查，并可以制定改进措施，以便可以更好地避免和消除此类缺陷。

图18马氏体 + Trostite的结构 +在低硬度部分中保留了奥氏体

六，结论

随着汽车轻量级的持续开发，热火技术在汽车内的白色身体中的开发和应用已被驱动。 作为一种先进的高强度钢板形成技术，近年来，热冲压技术已在高强度钢体制造技术中广泛使用和开发。 本文讨论并分析了热冲压技术的过程原理及其在冲压生产中的应用和质量控制，希望为未来的高强度汽车车身制造中的热冲压技术提供进一步开发，制造和应用促进热冲压技术的帮助。

作者：Wang Dapeng，Qu Zhi，Yang Qingbo，Zhang Rongxue，Liu Shang，Han Jia，Xia Sun Liya

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