特高強輥壓鋼應用技術研究

摘要：結合特高強材料的開發(fā)現(xiàn)狀，通過對某車型特高強輥壓結構開發(fā)案例分析，對未來在此領域的技術趨勢進行判斷。

關鍵詞：特高強鋼；HC1000/1470DP；熱成型；輥壓成型

隨著汽車對輕量化要求的不斷提高，更大程度地減輕整備質量，并有針對地提高局部安全碰撞性能，降低綜合成本，衍生出來的先進熱成形技術開始出現(xiàn)在汽車零件生產(chǎn)中，2020年9月國家提出了兩個目標——2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”。節(jié)能、環(huán)保和安全一樣，將成為汽車生產(chǎn)的必備要素。

隨著一體壓鑄技術的突破，特高強鋼的成功開發(fā)，熱成型高能耗、高排放問題的日益凸顯，熱成形產(chǎn)業(yè)鏈將會遭受到前所有未有的挑戰(zhàn)。材料制造商和部分OEM均在思考未來 “冷熱成形”發(fā)展主次關系。本文結合特高強材料的開發(fā)現(xiàn)狀，通過對某車型特高強輥壓結構開發(fā)案例分析，對未來在此領域的技術趨勢進行判斷。

高強鋼輥壓技術發(fā)展現(xiàn)狀

輥壓成形 （RollForming） 工藝是通過配置多道次輥輪，將金屬卷材、帶材不斷地進行橫向彎曲，以制成一定截面產(chǎn)品的塑性加工工藝。輥壓成形技術在汽車上的應用越來越廣泛，在汽車輕量化和節(jié)能減排的壓力下，采用更高強鋼替代普通強度鋼，以汽車輥壓件替代沖壓零部件，是現(xiàn)代汽車零部件發(fā)展的一個顯著趨勢。經(jīng)調查，主流汽車鋼制車身的前防撞梁橫梁、門檻梁內外板大多采用輥壓成形，一般情況下占白車身總質量的10%左右，隨著應用范圍的擴大，輥壓件占比呈現(xiàn)上升趨勢。

1.高強輥壓技術

輥壓成形技術用于具有復雜截面的部件，相對于沖壓等其他成形手段，可以使原材料的利用率近乎100%，降低了40%的工裝費用，節(jié)約了50%的工裝準備時間[1]，主要應用在前防撞橫梁、座椅導軌、車窗導軌及門檻梁等零部件上。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，采用無框車門的車型逐步增多，車窗導軌的應用呈現(xiàn)下降趨勢，隨著側碰及后碰防護要求的增加，逐步擴大了座椅橫梁、后防撞梁的應用比例，包括電池包邊框的應用。

輥壓成形技術作為先進的高效生產(chǎn)工藝，選擇恰當?shù)牡来慰梢詭椭鷱碗s斷面結構達到最好的力學性能，特別適用于超高強度鋼零件的加工成形；可有效解決超高強度鋼回彈現(xiàn)象，同時可達到較小成形半徑，并極大地降低了制造成本[2]。因此，在鈑金件設計階段，可更多地考慮輥壓結構的采用，從而有效降低綜合成本。

為滿足更復雜結構的制造，可采用不同的輥壓成形技術，北京科技大學晏培杰等人曾就車用三維冷彎成形工藝、分枝成形技術、變等厚輥彎成形技術、局部加熱輥彎成形技術及熱輥壓成形技術進行了比較詳細的闡述[3]，為更復雜的截面設計，更多的輥壓應用場景提供了思路。目前輥壓技術更多的還是集中在柔性定制軋制技術的開發(fā)，可以將焊接、打孔、彎曲、鉚接等各種不同工藝集成，滿足產(chǎn)品的不同需求，實現(xiàn)高效的工業(yè)化生產(chǎn)。

2.特高強鋼材料開發(fā)現(xiàn)狀

在本文中，將屈服強度大于等于980MPa的材料歸類為特高強鋼。為應對安全規(guī)程、輕量化升級等，新一代新能源安全車身結構體系發(fā)生了很大變化，在現(xiàn)有車身架構基礎上，針對新能源車型重點關注側面碰撞、底部碰撞防護，隨著鋼板軋制技術的不斷提高，國內零部件供應商輥壓生產(chǎn)能力日趨成熟，可配套生產(chǎn)結構較為復雜、材料強度極高的零件，新一代的特高強鋼也隨之成功開發(fā)。已知各鋼種特高強鋼牌號見表1。

某車型輥壓座椅橫梁開發(fā)

電池車身一體化CTB（celltobody）技術通過將電池上蓋與車身地板合二為一，從原來的“電池三明治”結構進化為“整車三明治”結構，動力電池系統(tǒng)既是能量件，又是結構件[4]。因為取消了前地板，所以側面防護需要加強。圖1為門檻、座椅橫梁組成的CTB結構，前橫梁采用口字形結構，后橫梁采用B字形結構。材料采用1470DP，工藝為輥壓成形。通過仿真驗證，在側碰工況下冷板應變12%，遠高于≤21%的目標要求，座椅橫梁變形模式滿足要求，可避免側碰工況下電芯受到擠壓，保證電池安全。

DP鋼為第一代先進高強鋼，通過調控馬氏體形態(tài)、鐵素體含量實現(xiàn)材料強度及塑性的協(xié)調，由于其超高的性價比已成為各車型結構類零件應用比例最高的鋼種。DP1470為全球最高強度的冷軋雙相鋼，于2022年中在寶鋼湛江基地成功下線。已開發(fā)成功的DP鋼性能見圖2。

1.特高強鋼HC1000/1470DP材料成分分析。

材料采用C-Mn為主，外加微量合金元素的成分體系，元素含量見表2。C元素是固熔強化的必須元素，可以促進奧氏體穩(wěn)定化。Mn元素也是固熔強化元素，可以提高鋼的淬透性，降低鋼淬火時臨界冷卻速度及馬氏體轉變溫度。鋁元素可以顯著提高鋼的脫氧效果。Cr、Mo、B可以提高鋼的淬透性，Nb元素可以有效細化晶粒，從而提高了鋼的強度和斷后延伸率。Ti可以有效提高材料的韌性，改善焊接熱影響區(qū)性能和疲勞性能。材料中P、S有害元素含量控制較低，從而有效保證材料的焊接性能。

2.拉伸性能及金相組織檢測

HC1000/1470DP在獲取極高抗拉強度的同時，保證了較好的斷后延伸率，力學性能實測值見表3。

通過觀察金相組織，大量板條馬氏體可以保證材料的強度，少量的鐵素體和奧氏體保證了材料延伸率，金相組織見圖3。

應用分析

1.工藝性能驗證

（1）焊接性能驗證 " 因座椅橫梁需要裝配電池包，安裝面需凸焊等級為10級，M10規(guī)格的螺母，最大扭矩和最大拉脫力均滿足技術要求如表4所示。

（2）成形性能驗證 "合理的輥壓成形工藝能夠使高強鋼輥壓件得到較高的精度，良好的面品，提高高強鋼輥壓件的成形性[5]。在設計前期，完成了HC1000/1470DP彎曲性能分析，從而得到了圓角設計極限。為保證不出現(xiàn)開裂，圓角設計R≥3t為宜。圖4所示為壁厚1.6mm時完成的彎曲性能驗證結果，當圓角半徑為壁厚的2.5倍時，在彎曲90°時，出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。當圓角半徑為壁厚的3倍時，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

按照R=4t進行B字形橫梁、幾字形結構設計并進行成形性能驗證，成形性良好，未出現(xiàn)開裂等問題，具體見圖5。

2.不同方案的成本比對

通過HC820/1180DP、Al-Si鍍層熱成型、HC1000/1470DP不同設計方案的成本、質量、安全性能比對，采用HC1000/1470DP輥壓方案，為成本、質量最優(yōu)方案，且基于熱沖壓成形，有更低的碳減排優(yōu)勢。方案比對結果見表5。

3.延遲開裂驗證

超高高強鋼、特高強鋼的延遲開裂是行業(yè)關注的一個焦點問題。隨著強度級別的增高，材料的延遲開裂敏感性增大，普遍認為合金元素的添加和微結構的控制對其影響很大。有研究表明，鋼中的相界、晶界、位錯、第二相粒子甚至雜質及偏析等均能成為容納或捕捉氫原子的陷阱，改善高強鋼的抗氫致延遲開裂性能[5，6]。

本文中未對HC1000/1470DP材料的延遲開裂機理進行深入研究，僅針對成形及焊接后的輥壓件進行延遲開裂性能驗證，以期獲得滿足要求的零件，延遲開裂驗證結果如圖6所示。

試驗前利用酒精超聲將材料表面進行除油脫脂，確保表面清潔，浸泡在濃度0.1mol/L HCl的溶液中300h，所有樣品包括邊部、沖孔處、折彎及焊縫部位均表現(xiàn)良好，未發(fā)生氫致延遲開裂，評估通過。

結語

（1）本文綜述了高強輥壓技術和特高強輥壓鋼開發(fā)現(xiàn)狀，結果表明輥壓結構用鋼會隨著技術的進步及應用需求，強度逐漸升級至1700MPa或更高。

（2）DP1470材料因起比較優(yōu)異的焊接、成形性能、抗延遲開裂性能，可應用于座椅橫梁、前防撞梁、門檻梁、電池邊框等零件上，在滿足安全性能的前提下，實現(xiàn)減重降本。

熱沖壓成形是近年來得到快速應用的材料成形技術，對于主流車型來講，熱沖壓零件具有更廣泛的應用空間，暫時沒有更優(yōu)的產(chǎn)品能夠滿足現(xiàn)有的熱沖壓零部件的質量和成本競爭力。但是隨著國家“雙碳”目標的制定，新能源汽車快速發(fā)展及新勢力崛起，全新的供應鏈和產(chǎn)線布局打破了以往制造理念，一體壓鑄鋁合金、特高強鋼等新型輕量化材料給OEM提供了更多的材料選擇，并將在很長一段時間內形成相互競爭、相互彌補的局面，為打造低成本、輕質、高性能白車身設計賦能。

參考文獻

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