海洋装备用金属材料国家重点实验室：日本汽车用高强钢应用技术

单位：海洋装备金属材料及应用国家重点实验室鞍山钢铁研究院

连接条：

2.3 应用技术

日本三家钢铁公司在开发系列汽车用高强度钢的同时，还重视与汽车用户的合作，开发了与汽车用高强度钢相对应的一系列成形技术、焊接技术、汽车性能评价技术，形成了汽车用钢整体解决方案。

2.3.1 成形工艺

新日铁、JFE、神户制钢所的主要成形技术示例如表4所示。

2.3.2 焊接工艺

新日铁在汽车用高强度钢板点焊工艺中，采用点焊后施加电源的方法，提高了点焊接头强度，另外，通过设计点焊通电方式，采用电弧点焊、点焊、激光焊等工艺，改善了构件的弯曲特性。在底盘件用高强度钢板电弧焊工艺中，新日铁研究了焊缝金属硬度、焊件形状对焊接件疲劳强度的影响，以及影响焊接件电泳涂装的主要因素，以提高焊接件的疲劳强度和耐腐蚀性能。新日铁通过喷丸强化达到了提高焊接件疲劳强度和耐腐蚀性能的目的。

JFE针对车身焊接开发了脉冲点焊技术、J-MAC点焊技术、远程激光焊接技术等，针对底盘焊接开发了低CO2气体保护电弧焊技术、激光-电弧混合焊接技术等。其中，脉冲点焊技术利用短时间大电流通电引起的焊缝周围优先加热的现象，通过降低焊缝中P偏析来提高焊缝韧性，通过扩大热影响区来缓解焊缝末端的应力集中效应来提高接头强度。

神户制钢所开发了两种高强度钢板的接合方法：“外压电阻焊”和“使用新开发焊接材料的电弧点焊”。为了将高强度钢板牢固地焊接在一起，“外压电阻焊”通过按压焊接导电喷嘴周围的区域进行点焊。这种方法可以在比传统方法更宽的电流范围内实现比传统方法更高的点焊强度。“使用新开发焊接材料的电弧点焊”使用新开发的焊接材料，这些材料针对新一代高强度钢板的高碳化特性量身定制，可以实现比传统点焊高得多的点焊强度。

2.3.3 绩效评估技术

新日铁与碰撞分析软件（LS-DYNA、PAM-CRASH）相结合，开发了可预测材料断裂的软件“NSafe®-MAT”。该软件基于应力FLD原理，可考虑冲压影响做出高精度的断裂预测。在整车模型的应用实例中，即使变形路径发生变化，“NSafe®-MAT”也表现出较高的断裂预测精度，大大降低了传统方法的预测精度，可应用于整车级复杂模型。同时，还开发了可预测点焊件断裂的软件“NSafe-SPOT”，其主要特点是利用应力集中原理，对多种模式下的断裂做出高精度预测。

JFE开发了通过FEM分析高精度预测碰撞时载荷-位移曲线的方法。该方法有效利用基于数字图像处理的应变分布分析技术，实现了材料模型的高精度化。此外，在碰撞时材料断裂的情况下，确定取决于应力三轴性的断裂标准，预测母材断裂，从而提高碰撞性能预测的精度。同时，在碰撞性能评价技术方面，JFE推出了汽车碰撞模拟器，可以通过700kg的碰撞体以0.1～100km/h的速度与高2000mm、宽1500mm的部件相撞，进行碰撞性能实验，并通过多个高速摄像机进行三维变形分析。JFE开发了实体元素的应用技术，将拓扑优化技术应用于汽车车身，实现了轻量化和刚性大幅提高的部件形状的创造。 此外，将此拓扑优化分析流程运用到点焊位置的优化中，可有效提高车身刚度，拓扑优化的目标不仅扩展到静刚度，还扩展到振动特性、碰撞特性等，并将在未来推动高强度钢板在汽车车身的应用。

神户制钢所利用CAE技术获取多材料结构中胶接接头在静态条件下的物理性能。未来，神户制钢所将进一步提高CAE的精度，并通过动态测试确认胶接接头的应变率依赖性，并将其应用于碰撞评估。

3.多材料开发及其应用技术

为进一步加速汽车轻量化进程，神户制钢所开展“材料多样化”研究，通过将钢铁和铝材料紧密结合，实现更有效的轻量化效果。同时，还开发了支持“材料多样化”的连接技术等解决方案。

神户制钢所开发的多材料电动汽车电池壳体结构采用复合材料，材料类型设计为铝挤压材料框架，底板为钢制，内部加强筋为高强度钢和铝。复合材料的连接采用神户制钢所开发的EASW焊接技术和铁铝FCW钎焊技术，连接后的材料保证强度和水密性，刚性强，比纯钢材料轻27kg。神户制钢所开发的铝/钢多材料门，通过铝衬和窗框钢板的减薄，使多材料门重量减轻约7kg，减重率约40%，与铝门相比，成本降低60%，实现了低成本。

在连接技术方面，神户制钢所开发出一种新型焊接技术，可使汽车用高强度钢与铝高质量地连接在一起。这项独特的技术被称为“元素电弧点焊法”，其主要特点是用户无需对生产线进行大的改造，就能以低成本应用这项技术。一般来说，在普通的钢与铝的焊接中，存在接头表面产生脆性金属化合物等问题。此次开发的技术采用被称为“元素电弧点焊法”的环形钢铆钉，防止高强度钢与铝熔化混合，从而提高焊接质量。除了“元素电弧点焊法”外，神户制钢所还开发出一种异种金属管的连接技术——多点深拉异种金属管接头“3D-Joint”。 该连接技术的特点是可直接利用现有的电弧焊机生产线，通过同时进行多点深冲，实现牢固连接，可对应正交接头、平行接头等连接形式。神户制钢还开发了无需对钢板或铝进行额外加热的冷喷涂激光异种金属连接技术。该技术可高速连接超高强度钢板和挤压铝材料。此外，神户制钢还开发了无焊接连接技术“RuBulgeTM”，该技术是将插入空心构件的弹性体压缩，使构件直径扩大，并与布置在构件外部的构件进行机械连接的技术。其特点是可适用于包括铝和钢在内的广泛材料，并且在对应截面形状方面具有很高的通用性。

在钛合金领域，神户制钢通过在钛表面的氧化膜中分散导电性碳粒子，成功实现了高耐腐蚀性和导电性，并开发出了NC（纳米碳复合涂层）作为钛材料。该材料用于丰田汽车公司将于2020年12月开始销售的新型MIRAI燃料电池车的燃料电池隔板，并已实现量产。此外，神户制钢还成功实现了钛合金丝材的量产，并将于近期开始向汽车制造商提供样品。新日铁计划将钛合金用于汽车排气消声器、发动机气门等配件中。同时，新日铁和神户制钢还在联合开发钛合金的低成本制造技术，以加速钛合金的普及。

4 日本汽车用钢未来发展趋势

4.1 高强度化趋势

轻量化、高安全性是汽车行业发展的重要方向，铝合金、镁合金等轻量化合金以及碳纤维复合材料、塑料等复合材料为汽车轻量化做出了重大贡献。但从成本、制造、性能等因素考虑，钢铁材料仍然具有明显的优势。随着汽车车身高强度钢占比不断提升，日本钢铁企业在不断提升先进汽车用钢的生产和应用强度水平的同时，也在加速推进与高强度钢强度水平相匹配的成形技术。

高强钢随着强度水平的提高，其韧性随之下降。提高高强钢的强度和塑性是高强钢研发的主要方向。目前，第三代汽车用钢利用变形过程中亚稳态奥氏体的TRIP效应来增强塑性，与第一代汽车用钢相比有了明显提高。

在成形技术方面，抗拉强度在1000～2000MPa的零件可采用热成形技术，抗拉强度在1300MPa以下的零件通常采用冷成形技术。热成形技术虽然解决了超高强度钢零件的成形问题，在汽车制造中得到了广泛的应用，但热成形带来了表面质量的下降和制造成本的上升。日本钢铁公司通过调整材料、工艺和结构设计的匹配，着力开发高延展性钢和冷成形技术。2015年日本车展展出了三维轧制1500MPa冷成形B柱，实现了生产效率的提高和成本的降低。2019年，新日铁、JFE钢铁和马自达汽车公司联合开发的1310MPa高强度冷轧钢板应用于车身框架，成为全球首个该级别冷轧钢板的冷冲压汽车部件。 汽车零部件生产方式“以冷代热”的转变，将成为日本汽车厂商降低生产成本的重要举措。

4.2 高性能无取向电工钢板需求扩大

随着电动汽车电机需求的不断增长，以及对高效化、小型化、轻量化的要求，高性能无取向电工钢板的需求也将迅速扩大，预计到2024年需求量将是目前的3倍。为适应全球对高档无取向电工钢板需求量大的发展趋势，新日铁将在2020年11月前在九州制钢所八幡地区和濑户内制钢所广畑地区投资1040亿日元，扩大电磁钢板产能。同时，新日铁率先提出基于新一代汽车概念的电动汽车解决方案“NSafe®-AutoConcept xEV”，利用高性能电工钢板实现电机的高效率化。

JFE钢铁公司决定对西日本工厂（仓敷区）投资约490亿日元进行扩建，在2024年上半年将高级无取向电工钢板的产能提高一倍。目前，JFE生产的无取向电工钢板有JNE®系列、JNEH®系列、JNP®系列、JNT®系列、JNEX®系列、JNHF®和JNRFTM系列。

5 结论

新日铁、JFE、神户制钢在汽车用高强度高性能钢材研发及应用方面均取得了长足进步，同时注重发挥自身优势，结合自身研发特色开发一系列特色产品。神户制钢在多材质开发上，通过将钢铁材料与铝材料紧密结合，实现了更为有效的轻量化效果，并开发了相应的连接技术等解决方案。未来发展趋势将以汽车用钢的高强度化、低成本化为重点，以提高强度和塑性、“以冷代热”为目标，同时加快高性能无取向电工钢板的研发和产能，满足日益增长的电动汽车需求。

参考：

[1] 新日铁公司网站，

[2] JFE 公司网站，

[3] 神户制钢所网站，

[4]郑睿,戴云红,魏丽艳.近年来日本钢铁工业产品开发与应用的进展[EB/OL].

[5] 刘庆梅, 赵素兰, 王明军, 赵进. 国际钢企高强度冷轧汽车钢板研发实践 [J]. 轧钢, 2014, 31(6): 44-48

[6]神户制钢所汽车轻量化技术研发进展[EB/OL].

[7] 刘庆梅, 冯娇杰. 汽车轻量化条件下先进高强钢的发展及现状[J]. 轧钢, 2020, 37(4): 65-70