热成形技术：提升车身抗碰撞能力与安全性的关键

热成形技术及应用现状

1.热成型板材性能

热成型钢板具有极高的材料强度和延展性，一般高强度钢板的抗拉强度在400-450MPa左右，而热成型钢在加热前的抗拉强度已达到500-800MPa，加热成型后则提高到1300～1600MPa，是普通钢材的3～4倍。其硬度仅次于陶瓷，却拥有钢铁般的韧性。因此，采用热成型钢板制成的车身，大大提高了车身的抗撞能力和整体安全性，一旦发生碰撞，将为车内人员提供良好的保护。

采用热成形技术的汽车用典型钢种为22MnB5。其热成形工艺过程为：首先将室温下强度为400～500MPa的硼合金钢板22MnB5加热到930～950℃，使珠光体、铁素体均匀地组织成奥氏体。随后使奥氏体凝固并送入模具进行冲压，同时在压机闭合时在模具内快速冷却到200℃左右，冷却速度为27K/S，使奥氏体转变为马氏体并发生结晶硬化，以大幅度提高板材的屈服强度和抗拉强度。热成形后屈服强度达1000MPa、抗拉强度达1500MPa以上，伸长率为6%。其工艺原理如图1所示。

2. 热成型板材在江淮汽车的应用

江淮汽车近年来推出的多款车型均采用热成形技术进行减重，且在新车型上的应用率呈上升趋势。共计10个技术件，总质量超过25kg，如表1清单及产品零件图所示。

3. 热成型和轻量化

热成型钢利用其超高的强度可以在满足同等车身性能要求的前提下减少零件数量和钣金厚度，从而达到车身轻量化的目标，据研究表明，热成型板材相对传统高强度钢的轻量化率为20%~30%。

对江淮车型的典型热成形应用进行分析，以某车型B柱加强板为例，对比了冷冲压成形、激光拼焊板成形、热成形3种方案的轻量化率计算结果，热成形的轻量化率为22.9%，是3种方案中轻量化率最高的，如表2所示。

B-注塑热成型板设计

1. 剖面设计

B柱是车身最重要的安全部件之一，其结构设计受到侧面碰撞、侧柱碰撞、顶压、翻车等安全法规的影响，因此B柱需要具备足够的刚度以承受高速行驶，B柱截面是决定其刚度的最关键因素，以便在碰撞时以最小的变形保护乘员的安全。

下面对三个选项进行简要说明（见表3）：

（1）冷成型方案，即传统方案，B柱（型材）：一般包括侧外板、B柱加强板（件号1）、B柱加强板（件号2、3、4、5）、B柱内板（件号4）等零件。

（2）B柱（型材）采用激光焊接板材方案；一般包括侧外板、B柱加强板（件号1）、B柱加强板（件号2、4、5）、B柱内板（件号4）等零件，其中B柱加强板改为型材，其作用是局部加强B柱刚度。

（3）采用热成型方案的B柱（型材）：一般包括侧外板、B柱加强板（件号1）、B柱加强板（件号2、4、5）、B柱内板（件号4）等。

相较于以上三种方案，热成型方案在保持B柱截面外尺寸不变的情况下，B柱加强板厚度最小、重量最轻、成本最低。

2.热成形件结构设计

（1）热成形孔结构设计。热成形板材在成形过程中的伸长率达到36%～37%，成形性能良好。因此，热成形件的结构设计可以参考传统冷成形件，但在热成形件结构设计时要注意：设计热成形B柱时，应避免圆孔翻边（见图2），目前的热冲压工艺还不能进行圆孔热翻边，而且翻边难度也极大。

（2）热成型B柱铰链安装点结构。B柱需设计门铰链、门限位器的安装点，其结构特点为：除B柱加强板外，在安装点处还设计安装螺母板，以提高安装点处的结构刚度。图3为B柱门铰链安装点的典型剖面图。

（3）热成型B柱的防锈设计。为使B柱外腔达到良好的电泳效果，B柱加强板与侧外板之间，以及相邻加强板之间的最小间隙须大于5mm，如图4所示。

热成形仿真分析

1.热成形模拟及冲压工艺

B柱结构设计完成后需要进行热成形工艺仿真分析，如图5所示，结构产品成形良好，无缺陷，热成形设备及模具结构如图6所示，基本结构分为：模具、片料、支撑板、顶杆。产品三维数据及实物如图7所示。

三维数据与实物如图7所示

2.热成形件侧面碰撞性能仿真分析

正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车是最常见的事故类型，根据交通事故调查统计，侧面碰撞约占30%，相对于正面碰撞，汽车侧面结构的缓冲空间较小，侧面碰撞会对汽车造成伤害，对车内司乘人员受伤的几率相对较高。头部损伤和胸部损伤是汽车侧面碰撞中常见的损伤类型，是造成重伤和死亡的主要原因。B柱是车身重要的安全结构件，在整车侧面碰撞中，B柱的抗碰撞性能对整车侧面碰撞性能有重要的影响。本文采用仿真分析的方法，对热冲压和冷冲压高强度钢B柱零件的抗碰撞性能进行了对比研究。

仿真分析模型：可变形移动壁障侧面碰撞试验，如图8所示，移动台车前端安装可变形蜂窝铝，移动壁障垂直于车辆行驶，移动壁障中心线与车辆B柱对齐，行驶方向垂直于车辆。移动壁障前蜂窝铝尺寸为：宽度1500mm，高度500mm，距地面300mm，车速50km/h，壁障质量950kg，碰撞发生120ms时，整车变形对比如表4所示，从变形数据可以看出，侧面碰撞时，热成形方案比冷冲压方案B柱各部位变形更小，热成形方案平均变形量比冷冲压方案小18mm，碰撞性能提升24.1%。 分析结果表明,使用热成形件可以提高车辆碰撞装置的性能,减少事故中的人身伤害。

热成型部件制造工艺

热成型钢加工时间表

1. 冲裁板的生产

毛坯在具有特定型材的开卷落料线上生产，然后输送到热成型线上，机械手利用真空吸盘将毛坯送到打码机上进行打码，然后放到输送机上在线输送到加热炉。

2.金相组织奥氏体化

硼钢的初始金相组织为铁素体+珠光体。从上图我们可以看出，在热成型过程中，奥氏体化阶段，先加热到930-950℃，然后保温，使板材内部组织完全奥氏体化。不锈钢组织的塑性很好，强度较低，非常适合冲压加工。

3.烫印

从加热炉出来的板料会被机器人夹钳快速送入热成型模具型腔进行冲压加工。热成型模具与冷冲压模具的关键区别在于热成型模具有水冷系统，在保压冷却过程（淬火）中，板料的金相组织会完全转变为马氏体组织，马氏体组织的强度和硬度非常高，热成型件的抗拉强度可达1500MPa，零件表面硬度可达52HRC。

4.激光切割

由于热成型件强度高、硬度高，若采用传统冷冲压模具进行修边、冲孔加工，模具零件磨损严重，寿命严重缩短，目前的解决方案是在热成型线末端配备3-4台激光切割机器人，进行修边、冲孔和边部冲孔加工。

5. 后期处理

在热成形过程中，零件处于高温状态时，表面会被氧化，形成氧化膜，一般需要对零件进行喷丸清理。

未来热冲压在整车结构件中的应用将越来越多，由单一部件向多部件集成发展，热冲压技术的应用范围越来越广，其制造工艺技术也呈现出多元化、全球化的发展趋势，不仅带动了热压成形技术的改革，也促进了热压成形设备的革新。