車身B柱軟區(qū)與補丁板技術(shù)應(yīng)用研究

饒俊威 周文煜 閆亮 羅培鋒 楊萬慶

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：B柱軟區(qū) 補丁板 耐撞性 輕量化 C-NCAP

1 前言

近年來，隨著人們生活水平大幅度提升，我國汽車保有量也逐年攀升，汽車安全知識的普及使大眾對道路交通安全也越來越關(guān)注。中國新車評價規(guī)程(以下簡稱C-NCAP)已成為中國汽車產(chǎn)品安全研發(fā)的風(fēng)向標(biāo)，更成為汽車安全的代名詞。民眾對C-NCAP汽車碰撞星級評價的關(guān)注度越來越高，這成為影響汽車銷量的關(guān)鍵因素之一。

B柱是車身發(fā)生側(cè)面碰撞的主要承載體。側(cè)碰過程中B柱的變形模式、侵入量以及侵入速度是直接關(guān)乎乘員安全的關(guān)鍵因素。圖1所示為車身B柱結(jié)構(gòu)與假人身體相對位置。輕量化設(shè)計可降低整車質(zhì)量，從而降低油耗以應(yīng)對嚴(yán)苛的排放法規(guī)。因此在車身輕量化設(shè)計的同時提高車身結(jié)構(gòu)的碰撞性能是一個重要的技術(shù)問題。

圖1 B柱結(jié)構(gòu)對應(yīng)假人身體部位

國內(nèi)學(xué)者對B柱耐撞性進行了深入的研究，邱瑞斌、陳園[1]等人對B 柱穩(wěn)健性設(shè)計進行了研究，在考慮加工、制造等不確定性因素的前提下對提高了B柱穩(wěn)健性，且取得了輕量化效果；張維剛[2]等人研究B柱變形模式對側(cè)碰的影響，表明合理分配B 柱各部分的侵入速度以及好的變形模式可以有效降低側(cè)碰過程中假人的損傷風(fēng)險；劉迪輝[3]等人開展了車身B柱零件的沖擊試驗,通過采用合適的單元網(wǎng)格劃分提高了沖擊仿真的精度。本文針對應(yīng)對側(cè)碰的B 柱軟區(qū)與補丁板技術(shù)及其設(shè)計思路進行研究，探討B(tài) 柱熱成型軟區(qū)的主要工藝難點，并結(jié)合案例說明B 柱軟區(qū)的優(yōu)勢。

2 車身B柱設(shè)計主要思路

2.1 側(cè)面碰撞發(fā)展趨勢

圖2 可變形移動壁障側(cè)面碰撞試驗

2.2 B柱設(shè)計思路

車身B 柱的強度決定整車的側(cè)碰安全性能。在熱成型技術(shù)應(yīng)用之前，B柱主要采用1.8 mm以上厚度的高強鋼板，如抗拉強度σb≥780 MPa 的高強雙相鋼。在熱成型工藝成熟后，為便于汽車輕量化設(shè)計，以應(yīng)對日趨嚴(yán)格的碰撞法規(guī)，熱成型B柱得到了更加廣泛的應(yīng)用。本節(jié)將常規(guī)熱成型B柱、B柱軟區(qū)、B柱軟區(qū)與補丁板結(jié)合3項技術(shù)進行對比分析。

2.2.1 常規(guī)熱成型B柱

常規(guī)方案B 柱加強板為整體強度一致的熱成型件，其原理為：將原材料為22MnB5的硼鋼于加熱爐中加熱至奧氏體化溫度(900 ℃～960 ℃)于模具中快速成型、冷卻，使鋼板組織成分以馬氏體為主，成型后零件抗拉強度可達1 500 MPa，但其延伸率會大幅下降，易出現(xiàn)焊接冷裂紋、焊接接頭脆化等缺陷，尤其是在高速碰撞過程中，B柱下部容易發(fā)生焊點開裂等缺陷，影響碰撞星級評價。

B 柱加強板的碰撞變形模式較難控制，從乘員損傷防護的角度出發(fā)，首先應(yīng)該減小人體正常坐姿下肋骨以上的變形量和侵入速度，因此理想的變形模式為鐘擺式變形模式，即以B柱上端與車頂橫梁連接處為圓心，B柱下端向內(nèi)繞轉(zhuǎn)變形的鐘擺式變形模式，但是目前的方案B 柱加強板整體強度一致，僅靠B 柱加強板補板去進行強度和剛度的分配，如圖3所示，變形模式較難控制，碰撞隨機性大。

圖3 常規(guī)熱成型B柱設(shè)計

2.2.2 B柱軟區(qū)強度分配策略

本文中B 柱熱成型軟區(qū)結(jié)構(gòu)采用熱成型模內(nèi)軟區(qū)工藝制作而成，主要通過控制熱沖壓軟區(qū)模具不同位置的溫度使零件達到變強度要求，熱成型后，硬區(qū)屈服強度≥950 MPa，抗拉強度≥1 350 MPa，軟區(qū)屈服強度：350～550 MPa，抗拉強度:550～650 MPa，過渡區(qū)為硬區(qū)往軟區(qū)逐步過渡（圖4）。

圖4 B柱軟區(qū)抗拉強度分配策略

圖5 為B 柱與側(cè)碰壁障相對位置，B 柱結(jié)構(gòu)強度服從上高下低的分布形式，更易獲得理想的B柱變形模式，為了保護車內(nèi)乘員，應(yīng)將軟區(qū)設(shè)置于人體盆骨以下，迫使下部吸收更多的沖擊能量，且下部有汽車座椅的包覆，可更好保護人體（圖6）。成型后上部組織為馬氏體，下部組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，下部焊點更加穩(wěn)定可靠。

近年來，國內(nèi)學(xué)者圍繞中國乳制品進口貿(mào)易進行了較全面的研究。現(xiàn)有研究主要圍繞中國乳制品進口現(xiàn)狀，如貿(mào)易格局、結(jié)構(gòu)和進口市場以及進口貿(mào)易的特點和對中國乳品產(chǎn)業(yè)的影響等展開，同時也涉及中國乳制品進口政策等的相關(guān)比較分析。

圖5 B柱與側(cè)碰壁障相對位置

為了確保B柱過渡區(qū)的性能，需對硬區(qū)/軟區(qū)過渡區(qū)的硬度梯度曲線進行測試，從硬區(qū)到軟區(qū)測試步長為3 mm 左右，以便于操作為宜，硬度類型可采用HV10 硬度，硬區(qū)和軟區(qū)至少保證有3 個測量點，提供硬度-位移曲線。理想的硬度梯度曲線如圖7所示。

圖6 B柱軟區(qū)位置

圖7 理想的硬度梯度曲線

2.2.3 B柱軟區(qū)與補丁板結(jié)合

補丁板的工藝技術(shù)為在熱成型前將補丁板與B柱加強板進行點焊連接，然后對點焊后的板料進行一體成型，全程只需一套模具即可完成制作（圖8）。

圖8 B柱軟區(qū)與補丁板

使用熱成型軟區(qū)與補丁板結(jié)合的工藝技術(shù)進行強度分配，可在獲得理想的B 柱變形模式的同時，對人體肋骨以上區(qū)域進行加強，腰線區(qū)域折彎程度變小，且侵入速度更小，乘員損傷風(fēng)險更小。

3 B柱熱成型軟區(qū)技術(shù)的工藝約束

3.1 熱沖壓工藝約束

圖9 為不同模具溫度下硼鋼的力學(xué)性能對比[4]，可知當(dāng)模具溫度為500 ℃左右時，抗拉強度大于600 MPa，延伸率大于15%，可滿足B 柱軟區(qū)的強度以及韌性的要求。

為使模具模面的溫度均勻分布且在500 ℃左右，在模具的上模面設(shè)置了加熱棒及冷卻水道，并通過控制柜控制加熱棒的溫度狀態(tài)（圖10）[5]。

圖9 不同模具溫度下22MnB5的力學(xué)性能[4]

圖10 模內(nèi)加熱示意[5]

各區(qū)域的控制策略如下：

硬區(qū)：板料整體加熱至900 ℃～960 ℃，使料片全部完全奧氏體化，高溫成型的零件在模具中快速冷卻（水冷），使料片全部形成高強度淬火馬氏體。

軟區(qū)：軟區(qū)部位模具內(nèi)部布置電阻絲，外部連接電加熱系統(tǒng)，迫使軟區(qū)部位持續(xù)穩(wěn)定加熱至500 ℃，直至需要軟化的部分的奧氏體轉(zhuǎn)化為含有珠光體、鐵素體和貝氏體組織，以實現(xiàn)同一零件上不同區(qū)域不同的機械性能，實現(xiàn)軟區(qū)低強度、高變形能力的特征。

過渡區(qū)：過渡區(qū)域組織在軟區(qū)組織的基礎(chǔ)上會夾雜一點馬氏體，力學(xué)性能介于軟區(qū)與硬區(qū)之間，可以防止性能突變導(dǎo)致的側(cè)碰鈑金撕裂問題。

出模具時軟區(qū)為450～500 ℃左右，過渡區(qū)為400 ℃左右，硬區(qū)為200 ℃左右，然后在空氣中進行自然冷卻。

3.2 尺寸工藝約束

B柱軟區(qū)零件在實際的生產(chǎn)中會出現(xiàn)零件與檢具間隙超差或干涉現(xiàn)象，這種現(xiàn)象說明，模具模面需要進一步的補償重構(gòu)，以提高零件精度。

3.2.1 原因分析

模具由常溫狀態(tài)加熱至500 ℃工作狀態(tài)，熱膨脹現(xiàn)象將導(dǎo)致模具模面產(chǎn)生較大的位移，并將影響到B柱零件的最終成形狀態(tài)。B 柱軟區(qū)零件上、下2 部分溫度控制策略不同，導(dǎo)致變形程度不一致也是使零件最終面輪廓度超差的重要因素。如圖11 所示為前期模具優(yōu)化匹配過程中的零件形態(tài)，由圖可知B 柱下部呈中間拱起的形態(tài)，這也是熱成型軟區(qū)零件常見的問題。

圖11 零件形態(tài)

零件精度超差將導(dǎo)致車身鈑金異響和安裝面的品質(zhì)問題，為提高零件的精度，熱沖壓模具模面的設(shè)計極其重要。

3.2.2 解決思路

為使生產(chǎn)的B柱零件達到精度要求，需要對模具模面補償重構(gòu)，以獲得優(yōu)化后的模面，并按照優(yōu)化后的模面制造熱沖壓模具[6]。

模面優(yōu)化流程如圖12所示，首先借助有限元模型提取模面節(jié)點的位移數(shù)據(jù)，通過對比準(zhǔn)確數(shù)模，判斷模面精度是否滿足要求，若精度超差則設(shè)定補償系數(shù)，并重新生成模具模面，對三維模型進行重構(gòu)，并再次進行模具熱應(yīng)力分析，直至模具模面滿足要求，進而獲得能生產(chǎn)出滿足零件精度的模具模面。

圖12 模面優(yōu)化流程

3.3 金相組織成分

熱沖壓成型鋼22MnB5 主要用于汽車防撞部件。熱沖壓成型鋼顯微組織的差異對產(chǎn)品的力學(xué)性能和產(chǎn)品的最終使用性能有著極其重要的影響。

熱成型鋼板及鋼帶成型前主要為鐵素體和珠光體，如圖13(a)所示，允許少許貝氏體存在。熱成型車身零部件硬區(qū)的金相組織主要為馬氏體，如圖13(b)所示，微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)轉(zhuǎn)化均勻，不能存在裂紋，在強度滿足要求的前提下，允許少量鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體。當(dāng)模具溫度較高時冷卻速度較慢，由圖13(d)可知[7]，軟區(qū)部分金相組織主要由鐵素體與貝氏體及少量珠光體組成。如圖13(c)所示，由于貝氏體組織硬度值較高，軟區(qū)部分的組織形態(tài)能夠滿足相關(guān)的力學(xué)性能要求。

圖13 硼鋼CCT曲線及金相組織

4 側(cè)面碰撞性能分析

為對B柱軟區(qū)的碰撞性能進行驗證，建立了側(cè)面碰撞的有限元模型，分別將常規(guī)B 柱熱成型與B 柱軟區(qū)碰撞形態(tài)進行對比（圖14）。

當(dāng)采用常規(guī)B柱加強板時，B柱頂部搭接處彎折，折彎點往上移，門檻翻轉(zhuǎn)增加，肩部彎折增加，乘員損傷風(fēng)險更大。常規(guī)B柱熱成型與B柱軟區(qū)最大侵入量相當(dāng)，均為170 mm 左右，但是采用B 柱軟區(qū)后，通過強度設(shè)定改善了側(cè)碰變形模式，且最大侵入速度降低，如表1所示，軟區(qū)結(jié)構(gòu)提高了碰撞的可靠性，減少了乘員損傷風(fēng)險。如采用常規(guī)B柱熱成型結(jié)構(gòu)，為了保證碰撞的可靠性，需在下部增加焊點或者提升料厚對B 柱進行加強，因此B 柱軟區(qū)結(jié)構(gòu)能起到一定的輕量化效果。

表1 最大侵入速度對比

圖14 B柱碰撞形態(tài)對比

5 結(jié)束語

本文綜合考慮車身輕量化設(shè)計及整車側(cè)面碰撞安全性能，提出針對側(cè)碰的B柱軟區(qū)及補丁板優(yōu)化設(shè)計的整體思路。分別探討熱沖壓工藝約束、尺寸精度約束、金相組織成分對B 柱軟區(qū)的影響，通過常規(guī)熱成型B 柱與B 柱軟區(qū)碰撞性能的對比，證明采用B 柱軟區(qū)結(jié)構(gòu)側(cè)碰變形模式較為理想，能有效平衡耐撞性與輕量化設(shè)計的需求。