熱氣脹技術在無B柱車身上的應用

摘 要：無B柱車身能夠顯著提升上下車方便性，但車身B柱缺失導致車身剛度較難保證，同時側碰安全性也受到了一定的挑戰，因而限制了無B柱乘用車的發展。熱氣脹技術可成型變截面閉合管梁，實現模內一體成型，零件剛度好。熱氣脹管梁抗拉強度可達1500MPa，且高溫成型回彈小、成型精度高。截面膨脹率最高可達20%，有較高的設計自由度。上述特點使得熱氣脹管梁適合應用于無B柱車身尤其是大尺寸的無B柱車身中。極氪汽車通過熱氣脹管梁的應用成功打造了側門洞開度達2010mm的無B柱車身。

關鍵詞：熱氣脹 無B柱車身 管成型 汽車制造

0 引言

隨著時間來到21世紀的第3個十年，汽車的發展已經進入到智能化時代。“移動的家”“移動創業平臺”“共享出行”等標簽被賦予到汽車上，使其從傳統的交通工具衍變成了一個智能的多功能平臺。

在此背景下，更大的車內空間、更好的上下車便利性成了安全性之外車身結構設計的另一個重要關注點。近兩年密集上市的新能源汽車，如騰勢D9、極氪009、理想L9、嵐圖夢想家等車型，無不體現了這一設計理念。這些車型對傳統車身結構進行改進，如增大車身尺寸和降低地板高度等，滿足市場對于空間舒暢性和上下車便利性的需求。另外一個提升上下車便利性和車輛多功能用途的重要方向是無B柱車身。目前市面上無B柱車型多為尺寸較小的A級車，在一定程度上提升了車輛的上下車方便性，但其尺寸小、空間有限，創新程度有限，無法滿足多場景的應用。

限制無B柱乘用車發展的主要原因是取消B柱后，車身側面門洞尺寸將擴大一倍，在現有車身零件制造工藝（冷沖壓、熱沖壓、一體壓鑄、輥壓等）下，其小偏置碰撞[1]、頂壓、側碰等工況的考核受到了極大挑戰。因此雖然各大主機廠都投入了精力去研究無B柱車型，但大多存在于概念階段。

推動大尺寸無B柱車身的量產需要一種能顯著提升車身強度及剛度的新型工藝或結構。近年來上車身結構加強手段主要還是通過熱成型工藝，其抗拉強度最高能夠達到2000MPa，能夠在一定程度上滿足車身碰撞安全的需求。但沖壓件的結構特點使其具有較低的截面剛度，需要與其它零件拼焊成腔體來形成完整的加強結構，結構的整體性及輕量化效果相對較差。管狀零件的結構整體性較好，但成熟的工藝主要是3D輥彎、液壓脹形等冷成型工藝，其成型強度相對較低且尺寸精度較難控制，不適用于上車身領域。管狀零件具備熱沖壓成型件的材料力學性能，會使其強度和傳力效率必然會有極大的提升。目前德國的林德威曼已經開發了名為ACCRA的工藝[2]，即管件的加熱氣脹成型與淬火工藝，俗稱“熱氣脹成型”，并且應用在了福特的一些相關車型上。但由于其成本較高，開發周期較長，很難滿足于國內快速發展的乘用車市場，以致國產車型鮮有應用。

由于熱氣脹成型工藝上述的顯著優勢，國內多家供應商近年開展了相關研究，其中航宇智造（北京）工程技術有限公司率先成功研發制造出了我國第一套自主設計的HMGF+Q熱氣脹成型裝備，并于2020年實現國家科技重大專項首臺套熱氣脹示范產線全自動生產[3]。在應用方面，極氪汽車及江鈴福特率先與其展開了某些車型合作研發并成功實現量產。

1 熱氣脹成型工藝介紹

我們知道，熱成型工藝是指將板料加熱到900℃至950℃保溫3-10分鐘，充分奧氏體化后，將板料轉移到壓機中，在該溫度下材料有充分的延展性可以成型復雜的零件，高溫成型的零件在模具中快速冷卻（水冷），這一過程稱為淬火，奧氏體相變為馬氏體[4]。熱成型技術制作的零件強度可以達到2000Mpa以上，同時零件回彈較小，其工藝流程及成型機理見下圖。

熱氣脹成型是將熱成型技術運用到管件成型過程中，具體工藝為在900℃至950℃條件下，將管材保溫一定時間使其充分奧氏體化，同時在模具內充入高壓氣體，使管材發生膨脹與模具表面貼合而得到相應的形狀。隨后在模具中以大于30K/s的速度冷卻淬火，以得到具有均勻馬氏體組織的超高強度可變截面管狀零件。

熱氣脹成型采用了和熱沖壓成型同樣的原材料和相近的成型溫度曲線，因此最終獲得的零件具有與熱沖壓成型相當的屈服強度和抗拉強度。另外，預彎加模內氣脹成型的方式可以成型復雜的變截面。此外，管狀結構能夠保證從前到后傳力結構的一致性，不會產生明顯變形誘導區域。同時，15%的截面變化率提高了與周邊零件的匹配性。熱氣脹成型兼具了液壓脹型和熱沖壓成型的優點，即既有液壓脹型管閉合截面的剛度提升，又能達到與熱沖壓成型同樣的拉伸和屈服強度。并且其采用模內保壓冷卻，可保證成型過程中更小的回彈進而提高零件尺寸精度。

2 熱氣脹成型零件的連接

熱氣脹成型零件是管狀結構，因此鋼點焊不適合用于與其相關的連接，應考慮單邊可達的連接工藝如激光熔焊、弧焊、結構膠帶、拉鉚等[6]。并且，由于管梁結構通常軸向尺寸較長，中間區域微小的尺寸波動在端部會被成倍的放大。因此，與周邊件的搭接應盡量避免大面貼合，如圖8所示為推薦的搭接結構示意：熱氣脹管梁與匹配零件在凸臺處連接，焊點交叉排布。非貼合區域用結構膠帶粘接，提高連接強度的同時吸收零件的尺寸公差。

此外，在熱氣脹管梁上設置安裝點時，通常采用拉鉚工藝。如確實需要采用凸焊，則需在管梁對面開過孔并謹慎評估對碰撞安全性能的影響。

3 熱氣脹在無B柱車身上的應用

隨著國內熱氣脹技術的發展，極氪汽車率先將熱氣脹技術大量應用于實車。在極氪MIX車型上單車共應用了6個熱氣脹成型管梁，幫助其成功打造了超大側門洞開度的無B柱車身。

3.1 側碰性能達成

無B柱汽車并非真的沒有B柱，而是將傳統白車身的B柱轉移到車門，在發生側碰時，車門B柱將碰撞力傳遞到上下邊梁，進而減小車門B柱的侵入量，減少對車內乘員的傷害。而熱氣脹管梁的高強度、閉合截面等特點使得熱氣脹成型非常適合用于無B柱車身的車門B柱和上邊梁區域。如圖10所示，極氪MIX在上邊梁區域采用了1500MPa/2.0mm熱氣脹管梁以及在B柱區域采用2000MPa/3.5mm的熱氣脹管梁，側碰CAE分析及實車碰撞均達到了“Good”評級。

3.2 頂壓性能達成

由于B柱集成于車門，無B柱車身側面門洞開口尺寸較有B柱車身擴大了1倍，頂壓測試時缺少了B柱支撐的車身結構穩定性受到了較大挑戰。熱氣脹成型管梁具有一體成型、結構連續等特點，可直接連接A柱和C柱，將頂壓的載荷分解傳遞到C柱，共同承擔頂部壓力。這一關鍵設計使得大尺寸無B柱車身的實現成為了可能，經過CAE分析以及實車驗證，該車型的頂壓承重力達到了130kN，為整車整備重力的4.4倍。

3.3 減重效果

熱氣脹管梁的應用可提高零件集成度，減少零件數量及無效焊接，減重效果十分顯著。如圖13所示，將上邊梁及B柱總成由拼焊結構改為熱氣脹管梁結構，可將零件數量由20個減少至6個，單車減重可達20.2kg。此設計思路為上車身的一體化、集成化設計提供了新的方向。

4 展望

極氪汽車通過極氪MIX打造了一種移動出行“新物種”，熱氣脹管梁的應用顯著降低了車身重量，減少了零件數量，在一定程度上提高了上車身結構的集成度。熱氣脹管梁的管狀、可變截面的結構特點使其具備模塊化拼接設計的可實施性。未來可結合壓鑄接頭甚至一體化成型半固態壓鑄接頭進一步提升其集成度，使汽車車身整體重量減輕的同時提高車身強度與剛度，使車身整體更耐撞擊而具備更高的安全性。同時大大縮短生產制造周期，提升生產效率，降低制造成本。“一體化成型上車身骨架結構”或將成為未來上車身一體化的主流方向之一。

參考文獻：

[1]李超，萬龍，張東升，等.基于25%偏置碰撞工況下2000MPa級熱氣脹成形A柱的輕量化研究[J].汽車工藝與材料，2023（3）：9-13.

[2]Lanzerath Horst， Tuerk Markus. Lightweight Potential of Ultra High Strength Steel Tubular Body Structures[J]. SAE International Journal of Materials and Manufacturing， 2015， 8（3）.

[3]程鵬志，成剛，謝亞蘇，等.一種鋼管熱氣脹成形工藝系統：CN202122506150.8[P].CN216065071U[2024-03-14].

[4]解東旋，莊蔚敏，王楠，等.高強度鋼板熱沖壓工藝與裝備研究綜述[J].機械工程學報，2022，58（20）：20.DOI：10.3901/JME.2022.20.319.

[5]薛戩.熱成型技術的應用現狀和發展趨勢[J].汽車工藝與材料，2018（11）：7.DOI：CNKI：SUN：QCGY.0.2018-11-006.

[6]李軍正，代金龍，楊麗，等.熱成型鋼焊接接頭的組織及力學性能[J].焊接技術，2023，52（4）：33-36.