摘要:阐述了热冲压成型技术的发展趋势,分析热成型高强钢材在汽车白车身中的应用情况,介绍了热冲压成型技术的工艺原理及实施过程。同时从系统设备匹配、板料和模具匹配以及工艺设计及控制过程等多个角度分析,深入探讨热冲压制件的质量影响因素;以及在实际生产应用中,热冲压成型技术一些常见的工艺缺陷和产生原因,并且从质量控制角度针对缺陷问题提出了改善措施。
关键词:热冲压成型高强钢板工艺开发质量控制轻量化
前言
近年来,我国汽车工业迅速发展,已经成为国家经济发展的支柱型产业。然而受到能源、环境、生态以及汽车安全等因素的影响,汽车行业的发展也愈发艰难。有数据显示,汽车尾气污染逐渐成为大气污染的主要原因,随着国家不断推进节能减排以及汽车自身轻量化的发展要求,汽车轻量化材料如碳纤维、增强塑料、铝合金以及镁合金等材料的应用,钢-铝混合车身的开发,以及高强度钢板的应用成为了目前汽车节能减排的重要发展方向。
热冲压成型技术的应用
高强度钢板的应用带来减重效果的同时,也对冲压成型工艺提出了挑战,传统的冷冲压工艺在高强板冲压成型过程中容易产生较为严重的制件破裂、回弹、起皱、以及模具拉毛等问题,无法满足产品质量要求。而热冲压成型技术的应用,则有效解决了高强钢板甚至超高强度钢板常温下成型难度大的问题。
从汽车车身用材发展过程中能够看到,随着高强钢冲压成型技术的快速发展,热成型高强度钢材在白车身材料中的占比呈上升趋势,图1所示为一汽红旗HS5车身用材分布及占比示意图,可以看到,高强度钢板应用比例超过60%,热成型钢板应用比例为16.8%,车身被动安全获得提高的同时实现了车身轻量化。
调研了解两代奥迪A8车身用材分布示意,如图2所示,奥迪A8D5中热成型高强度钢材取代奥迪A8D4中的部分铝合金材料,在汽车A柱、B柱、门槛内外板、前封板下部、顶盖侧边梁以及底盘组件等白车身的材料占比中进一步提升占比率。
图1一汽红旗HS5白车身用材分布及占比示意
图2两代奥迪A8白车身用材分布示意[1]
热成型高强度钢材的超高强度、材料轻量化、碰撞安全性等特点,使它成为目前最具竞争力和性价比的车身轻量化材料之一,在汽车生产制造中获得了大量应用,图所示为年欧洲车身会议各车型白车身热成型钢板使用比例,当时国际知名汽车制造商推出的主流车型热成型钢在白车身中使用比例均超过10%,致力于以安全性为品牌立身之本的沃尔沃汽车制造商,在其推出的主流车型白车身热成型钢使用比例更是远高于奥迪、菲亚特、福特、克莱斯勒等其他国际知名车企的主流车型,沃尔沃XC90车型热成型零件使用比例达到0%,而年上市的沃尔沃XC90车型热成型零件的使用重量比例已高达40%,据专家预测热成型零件的重量占白车身的比例最高可达50%[2]。
图年欧洲车身会议各车型白车身热成型钢板使用比例
由于我国在高强度钢板热冲压成型技术方面起步较晚,技术水平远落后于国外先进汽车制造企业,因此,我国若想实现由汽车大国向汽车强国转变,增强我国汽车品牌竞争力,必须重视高强度钢板热冲压成型技术。国内各主机厂、热成型件供应商以及国内钢厂都在积极研究热冲压成型技术的应用,如表1所示为调研的宝钢集团热冲压成型的主要产品种类,其主要产品B柱加强板、A柱支撑加强板、前保险杠、前纵梁以及门铰链和座椅安全带加强板等正被逐步开发应用、服务于国内各大汽车制造商,并且未来会继续加大热成型产品种类的开发力度。近年来,钢板技术发展较快,未来的热成型技术将向激光拼焊板、不等厚板以及补丁板等细分领域逐步发展,热成型技术的应用也将从普通钢板热冲压成型向复杂零件和先进热成型工艺技术发展。
随着我国汽车油耗、环境保护和汽车安全方面的法律法规日趋严格,可用于高强度钢板成型的热冲压成型技术,已逐渐成为提高车身被动安全性和实现汽车轻量化节能减排的可行技术方法,受到越来越多的国内外知名汽车制造厂商的重视,已经成为当前汽车制造技术的发展方向之一。
热冲压成型工艺及零件类型
.1热冲压成型技术工艺原理热冲压成型技术区别于传统的冷冲压成型技术,它除了使板料发生塑性变形之外,还使板料的基体组织发生马氏体组织相变,从而获得超高强度的热冲压成型制件,它是一种综合了冲压成型、传热以及组织相变的工艺方法。如图4所示,热冲压成型技术的工作原理是:将常温下的强度约为~MPa的硼合金钢板,组织为铁素体+珠光体,加热至℃以上至奥氏体化状态,并且保温一段时间,使之均匀奥氏体化,然后快速转移到内部有冷却系统的热成型模具中快速冲压成型,在一定保压压力下,制件在模具中以50~℃/s的冷却速率进行淬火处理,保压淬火一段时间,使奥氏体组织转变为均匀的马氏体组织,以获得强度1MPa以上的超高强度制件。
表1宝钢集团热冲压主要产品信息表
图4热冲压成型技术工艺原理及组织相变过程
.2热冲压成型技术实施过程热冲压成型技术实际实施过程可分为直接热冲压成型以及间接热冲压成型两种。直接热冲压成型是板料在保护气氛加热炉内加热至约~℃,保持~10min,随后快速转移至热冲压模具中冲压成型,随后保压并快速冷却,将板料以50~℃/s的冷却速度淬火,冷至约℃以下时取出,留有一定的自回火温度,用于消除自身的残余应力,直接热冲压成型适用于成型简单变形程度小的零件。
图5所示为热冲压成型技术实施过程[]
间接热冲压成型是对于一些成型较难、拉深变形深度较大的零件在热冲压成型之前运用传统的冷成型工艺对板料进行加工和切割,使之进行预成型,然后再施加热冲压成型工艺,进行硬化和定型处理,如图5所示。
.热冲压成型零件分类热冲压成型技术零件类型根据所用板料的不同可分为普通热成型零件,激光拼焊板(TailorWeldedBlanks,TWB),滚压不等厚板(TailorRollingBlanks,TRB),PATCH-work补丁板,软硬分区热成型零件,如表2所示;其中软硬分区热成型零件又细分为种,一种是不同材料激光拼焊板形式的软硬分区,一种是通过加热炉局部加热实现板料软区的软硬分区,最后一种是通过模具加热实现板料软区的软硬分区。
表2热成型零件类型及板料形状示意
普通热成型零件模具材料要有良好的耐磨性,抗热疲劳性和优秀的热传导性,模具内部冷却循环水路分布均匀,保证零件各成型部位均匀冷却效果。激光拼焊板是相同材料不同等厚度的热成型板料激光拼焊在一起,随后整体热冲压成型,它的模具除具备普通热成型零件模具特点外,还需要定位准确,确保零件不同厚度的区域在相应的模具内腔区域成型,为保证板料在成型过程中不发生窜位,可以在成型之前进行预压料,若料厚差异过大,则需要在料厚区域模腔使用传热更好的模具材料。滚压不等厚板是一种变厚度轧制的板料,其热成型模具特点和激光拼焊板相同[4]。PATCH-work补丁板是一种在主板局部焊接衬板起到局部加强结构再一起成型的钢板,它的热成型模具特点除和激光拼焊板相同外还需要注意在补丁区域使用传热性更好的模具材料,来保证板料各成型区域冷却均匀。
软硬分区热成型零件中不同材料激光拼焊板形式的软硬分区板料,它的热成型模具结构特点和激光拼焊板类似;对于软区通过加热炉局部加热实现的软硬分区热成型钢板,在模具设计时要考虑预估软区回弹的影响;对于软区通过模具加热实现的软硬分区钢板,它的模具需要使用加热棒来加热软区特定位置和形状的镶块,并且还要匹配对应的温控系统,保证软区加热温度处于~℃区间,模具镶块间需要保留一定的间隙,考虑热胀冷缩带来的影响,避免镶块加热膨胀时相互挤压,损坏模具,同时模具材料需要具有高温热硬度和耐磨性,保证成型效果。
热冲压成型制件质量影响因素
热冲压成型技术是一个复杂的物理变形过程,兼有金属材料组织相变的技术特点。热冲压成型制件的成型需要控制好每一个环节的工艺要求,它的质量影响因素涉及热冲压成型技术设备匹配,材料与模具的匹配,热成型工艺设计以及工艺过程控制等方面。
4.1大型连续热冲压成型工艺系统设备匹配大型连续热冲压成型系统设备主要包括上料台、料片拾取机器人、连续式保护气氛加热炉(电加热或瓦斯加热)、保护气氛发生装置(氮气+富化气)、高温装卸机器人、热冲压冲床、热冲压成型淬火模具、淬火冷却及温控系统、中央控制系统、检测传送台、辅助料筐(料架)等组成,并且中央控制系统要具备设备操作控制系统和软件程序编辑运行系统,如图6所示。
图6某大型连续热冲压成型系统设备示意[5]连续式保护气氛加热炉主要为滚轮式加热炉,加热方式有电加热和瓦斯加热2种,炉长约0~50m,视产能而异,配备保护气氛、露点仪、含氧检测装置等对炉内氧含量进行监控检测。工作时板料在保护气氛下从常温一般连续加热至~90℃,并保温一段时间后出炉。
保护气氛发生装置能够给加热炉腔内提供氮气+富化气(N2、N2+H2、N2+CH4),防止板料在加热炉内加热时生成氧化锈皮。
热冲压冲床是制件的热冲压成型装置,它需要具备快速合模保压的功能,成型时速度要快,保压压力和时间可调,设备吨位一般不小于吨。
热冲压成型淬火模具常采用耐高温材质的热作模具钢,工作时需要热作模具钢具有热塑变形抗力高、高温硬度和强度、以及很好的热疲劳抗力等特点,实现热冲压成型制件的成型过程。
淬火冷却及温控系统含有冷却系统和温控系统,冷却系统是一种淬火冷却循环水装置,它的淬火冷却循环水回路通过热冲压成型淬火模具为高温板料快速淬火冷却降温。温控系统能够控制冷却水温度,保证其在5~20℃之间,当冷却水温度过高时,系统启动外部风冷装置给冷却水降温。
中央控制系统是整个大型连续热冲压成型工作系统的中央控制单元,负责系统中的水、电、气、温度等信号的处理与转化,协调和控制各个设备间的正常运行、协同配合。
热冲压成型生产线的工艺流程为:料片码垛在上料台上→拾取机器人按照程序控制上料→料片在连续保护气氛加热炉内部加热传送→料片出炉→装料机器人将高温料片移入热冲压冲床并快速定位→热冲压冲床快速加压成型后淬火冷却并保压一定时间→压机升起成型件顶起→卸料机器人将工件卸下至传送台上→检测后工件放于辅助料筐内码垛→料筐转运,完成工艺流程,热冲压成型制件工艺流程之后还需进行下一步激光切割加工成最终成品件,如图7所示。
图7热冲压成型生产线工艺流程示意
4.2板料、模具匹配板料材质的选用和模具的设计匹配是热冲压成型技术的关键影响因素。热冲压成型钢材一般选用硼钢,这是由于当板料中加入微量的硼元素能够有效提高钢的淬透性和淬硬性。抗拉强度为MPa以上的硼钢,经过热冲压成型技术,组织转变为马氏体组织后,其抗拉强度可以达到~1MPa。这种高强度钢板应用在汽车车身上,可以有效替代普通钢板,有力于车身的轻量化设计和制造。
热冲压成型模具材质由于经常要和高温的板料发生摩擦,经常要承受板料淬火时的温度急剧变化的冷热交替环境,因此,应该选用耐高温、热塑变形抗力高、耐磨损的热作模具钢材质。在模具设计过程中,可以运用AutoForm[6]、Abaqus、Ansys、Ls-dyna等软件进行成型和冷却设计模拟分析,要充分的考量热胀冷缩对尺寸精度的影响,保证零件最终尺寸精度在合理范围内,其模拟结果可以为模具设计提供重要的技术支撑[7]。淬火冷却循环水回路设计要重点考虑两个问题,一个是冷却速度要快,还有一个是对零件要冷却均匀,保证各个成型关键部位都能够及时冷却淬火,避免因为局部冷却速度不理想造成软点。
4.热冲压成型工艺设计及过程控制热冲压成型工艺设计是热冲压成型产品开发中的重要一环。热冲压成型制件产品开发流程如图8所示。热冲压成型工艺方法设计应在产品设计之后,拿到产品数模后进行工艺方法设计,要对产品数模成型性进行CAE分析,运算结果可以反馈给产品设计进行产品数模修正,特别要考虑加热温度、保温时间以及冷却时间对板料成型性的影响,最终模拟运算得到分析结果可以为模具设计提供参考。针对零件热成型技术特点进行模具设计;模具设计包括模具表面、结构设计以及冷却系统设计;冷却系统设计要充分模拟确认水路冷却效果的均匀性,以避免零件冷速不均产生变形或局部软点的存在。最后进行热冲压成型模具的加工组立以及装配试模,对零件产品进行检验验证,并通过研配调试模具状态,提高零件产品尺寸精度。
图8热冲压成型制件产品开发流程
工艺过程控制需要综合考虑板料加热温度、保温时间、板料出炉后到板料在模具定位时间以及保压冷却时间等因素对零件镀层以及回弹的影响。当加热温度过低或保温时间过短时,奥氏体化不充分,导致成型后组织转变不完全;当加热温度过高或保温时间过长时,又容易造成组织晶粒粗大、过热或过烧等缺陷。同时,保压冷却时间过短容易导致成型以及组织转变不充分,留有的自回火温度过高,产生回火脆性;保压冷却时间过长则容易将零件直接冷透至常温,导致零件残余应力过大发生开裂等缺陷的发生。为提高生产效率,满足生产节拍要求,在保证热冲压成型制件质量的前提下,才可以控制提高生产过程速度。综合工艺开发实验结果可知,板料在连续气氛保护加热炉内加热至~℃,保温~10min,移入热冲压模具上冲压成型,此时板料温度降至~℃,随后以50~℃/s左右的冷却速率淬火冷却至℃以下取出,其零件抗拉强度可达~1MPa,生产节拍约为15~25s。
热冲压成型技术常见工艺缺陷及措施
在热冲压成型技术开发和实际应用过程中,也伴有一系列常遇问题。常见的热冲压成型缺陷有破裂、孔位变形、漏切孔、叠料、压伤、压痕残留、涂层脱落、涂层断裂、局部硬度不合格、回弹严重、零件表面有脱碳层、延迟开裂等几类问题。缺陷的产生与模具的设计、结构、表面状态以及热成型时的加热温度、加热时间、冷却时间和冷却速度有关系,有些还与加热时的保护气氛有关。对于模具设计和结构因素所造成的缺陷,通过合理的模具设计结构整改,模具表面的机械加工和精细研配,可以得到有效的控制和减少产生缺陷的频次与数量;对于由于热冲压成型工艺加热温度、加热时间、冷却时间、保护气氛因素产生的缺陷,可以通过合理的调整优化和匹配工艺参数来进行调试修正[8],同时做好零件的复查和模具的保养维护,直至缺陷的消除。
零件减薄开裂、零件压痕、零件压伤、涂层脱落和涂层断裂这几类在实际生产中出现的概率相对较高,如图9~11所示。这些缺陷产生原因主要与模具表面存在摩擦力大、板料与模具之间点接触、残留碎屑碎片、杂质物、表面光洁度不好等因素有关,可以通过清理模具模腔,每次生产下线后对模具进行清擦和抛光,提升零件表面的光洁度,保证热冲压成型模具工作环境的清洁无尘等措施来减少或避免这类缺陷的产生频次,同时缩短模具的维护保养周期,生产过程中每生产约套零件需要清洁一下模具,另外周计划也要显示每周的生产、维护保养计划,做到每周保养一次,时刻保持模具表面的清洁工作状态;此外加热炉内的滚轮经常受板料镀层熔化粘附表面的浸蚀,也需要每半年检查更换加热炉内的部分浸蚀滚轮。
零件发生叠料、孔偏移变形等缺陷是由于热冲压成型零件在模具中成型过程中,未能按照设计的零件成型轨迹发生变形位移,而是在模具上局部产生了偏移所致的缺陷,如图12、1所示。这一类缺陷常常存在于新工艺、新产品的调试阶段和量产初期阶段。产生的原因主要与零件放置不稳,零件在模具中定位设计不合理,收料线不均匀或者压料力不均匀有关。针对以上影响因素,可一一排查,进行模具整改,消除和改善此类缺陷。
图9零件压伤
图10涂层脱落粘附模具表面
图11涂层脱落
图12叠料
图1孔偏移变形
零件镀层外观和属性变化与加热温度和加热时间密切相关,图14所示为某零件铝硅涂层外观颜色和属性受加热温度、加热时间影响变化图。加热温度的高低和加热时间的长短都会对零件的铝硅涂层产生影响,因此对于热冲压成型工艺加热温度、加热时间因素产生的缺陷,要合理的调整和优化工艺参数来进行匹配修正,否则容易发生后续焊接缺陷问题。
图14某零件铝硅涂层颜色受加热时间和加热温度影响变化
如果加热温度和时间不同,零件外观和镀层就会随之发生变化,在后续焊接过程中,零件涂层的变化会导致电阻的变化,电阻的变化有可能影响后续的焊接参数,加热时间过长也会造成组织晶粒粗大,影响制件机械性能并降低生产效率。图15所示为某铝硅涂层的后纵梁制件在℃加热温度下,镀层颜色随不同加热时间变化示意图,其对后续焊接工艺参数的影响程度还需要进一步通过实验研究解析。
图15所示为某后纵梁镀层颜色随加热时间变化示意
延时开裂是热成型零件的一种常见失效形式,在热冲压成型过程中,高强度钢在经过高温淬火和回火后的组织状态和高残余应力共同作用下,在某些部位萌生裂纹,并在应力作用下发生晶间或穿晶扩展,从而引起零件局部开裂失效,如图16所示为某热成型零件发生延时开裂。造成延时开裂的主要原因是金属零件显微组织和残余内应力综合作用的结果,而残余内应力的大小是影响延时开裂发生的关键因素。所以解决零件延时开裂的问题还需要从导致延时开裂的根本原因方面入手,重点需要