【熱沖壓成形的熱點(diǎn)分析】近年來(lái)，隨著熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展、擴(kuò)大應(yīng)用和汽車(chē)行業(yè)對(duì)熱沖壓成形應(yīng)用的零件性能要求的多樣化以及中國(guó)大量引進(jìn)國(guó)外的熱沖壓成形生產(chǎn)線，熱成形產(chǎn)生了一系列的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面對(duì)焦點(diǎn)和熱點(diǎn)進(jìn)行分析。

關(guān)于熱沖壓零件的強(qiáng)度問(wèn)題

目前廣泛應(yīng)用的22MnB5鋼其抗拉強(qiáng)度一般按1500MPa計(jì)算，屈服強(qiáng)度按1200MPa計(jì)算，近年來(lái)，結(jié)合輕量化的需求，有企業(yè)開(kāi)發(fā)抗拉強(qiáng)度為1800MPa和2000MPa的熱成形鋼。按照零件厚度的拇指法則，來(lái)確定零件的厚度和強(qiáng)度之間的關(guān)系：t2/t1=1-(σ1/σ2）n，式中零件的厚度t2、t1與材料的強(qiáng)度σ1、σ2相對(duì)應(yīng)。

門(mén)的防撞桿、前后防撞梁、門(mén)B柱等構(gòu)件基本上承受彎曲應(yīng)力，強(qiáng)度的提升有可能減薄零件，即輕量化，但是厚度較薄意味著零件剛度的下降，這兩者之間需要一個(gè)合理的平衡。汽車(chē)零件的厚度與剛度密切相關(guān)，剛度影響零件的振動(dòng)、噪聲、撞擊吸能，因此熱沖壓成形零件的強(qiáng)度1500MPa是否已經(jīng)到極限值?是否還需要開(kāi)發(fā)1800MPa的材料?并做進(jìn)一步減薄?除了考慮零件剛度之外，進(jìn)一步減薄還將影響到熱沖壓時(shí)零件的工藝性能，零件越薄，出爐后工件在空氣中的溫度下降越快，為保證在熱沖壓零件時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，必須加快零件的傳輸速度，以保證熱成形時(shí)零件的溫度，并使其能夠在成形后保持淬火所需要的溫度。另外，強(qiáng)度越高，鋼中碳含量越高；馬氏體的脆性與鋼中碳含量有密切關(guān)系，因此在強(qiáng)度提高時(shí)還必須考慮熱沖壓成形零件強(qiáng)韌性的匹配。在強(qiáng)度越高時(shí)，零件的延遲斷裂抗力和氫脆的能力也會(huì)下降，目前已有熱成形零件發(fā)生延遲斷裂，因此這一因素也是在強(qiáng)度提高時(shí)應(yīng)該考慮的因素。強(qiáng)度的提升，碳含量的提高，還會(huì)影響熱成形零件的可焊性，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超高強(qiáng)度鋼和熱沖壓成形零件在沖擊時(shí)發(fā)生焊點(diǎn)不正常的失效模式，影響了焊點(diǎn)的吸能和高強(qiáng)度鋼零件的性能發(fā)揮。綜上所述，熱成形零件強(qiáng)度的提升，尚需要進(jìn)一步開(kāi)展研發(fā)工作。

熱沖壓成形板狀試樣冷彎性能的相關(guān)問(wèn)題

寶馬公司和奔馳公司在熱成形后的零件上取樣，按標(biāo)準(zhǔn)VDA238-100金屬材料的冷彎試驗(yàn)進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，要求冷彎角度分別大于60°和65°。按這種冷彎方法，目前90%的22MnB5鋼所制零件都難以滿足這一要求，這些冷彎角度制定的依據(jù)是什么?它和材料的強(qiáng)韌性有什么關(guān)系?和熱沖壓成形件撞擊吸能有什么關(guān)系?和熱成形零件的氫脆和延遲斷裂抗力有什么關(guān)系?都需要進(jìn)一步的研究和量化。有人曾發(fā)現(xiàn)，22MnB5鋼表面有一定的脫碳層，會(huì)改進(jìn)熱成形后的冷彎角度，但表面脫碳會(huì)降低表層的強(qiáng)度和零件的綜合強(qiáng)度，它是否會(huì)影響撞擊吸能，也需要進(jìn)一步研究和量化。

鍍層板問(wèn)題

長(zhǎng)期以來(lái)，熱成形采用鋁硅鍍層板，安塞樂(lè)米塔爾對(duì)這一鍍層板的應(yīng)用申報(bào)了發(fā)明專利，據(jù)了解，該專利的保護(hù)期至少還有10年以上，這種鍍層板對(duì)保護(hù)熱沖壓成形時(shí)鋼板表面不受氧化具有良好作用，同時(shí)也可以減少?zèng)_壓時(shí)的摩擦系數(shù)，提高成形性，減少模具磨損。由于是專利產(chǎn)品，板材價(jià)格偏高，影響板材的應(yīng)用和熱成形零件性價(jià)比的提升，在工藝上，這類(lèi)鍍層板在快速加熱時(shí)，由于鍍層和基體鋼板的膨脹系數(shù)不同，加熱速度較快時(shí)，容易產(chǎn)生微裂紋，影響隨后的沖壓性能以及使用時(shí)油漆的表面質(zhì)量和光鮮性。因此長(zhǎng)期以來(lái)熱沖壓成形工藝規(guī)定加熱時(shí)間為300～330s，為保證這一加熱時(shí)間，對(duì)輥道式的加熱爐，爐膛的長(zhǎng)度就比較長(zhǎng)，對(duì)多層箱式爐，加熱的層數(shù)較多，增加了投資，影響了生產(chǎn)率。在薄板加熱時(shí)，一般1mm/min的加熱時(shí)間已經(jīng)足夠，熱成形板材為1.2～1.8mm/min，這種厚度的板材，加熱和保溫時(shí)間為200s已經(jīng)足夠（22MnB5鋼的合金成分簡(jiǎn)單，只要給足夠的時(shí)間使Mn擴(kuò)散均勻即可）?？紤]到輻射加熱、表面的黑度系數(shù)、不同的表面狀態(tài)，加熱時(shí)間會(huì)有出入，總體來(lái)講，加熱時(shí)間可較大幅度縮短。對(duì)裸板而言，加熱時(shí)間縮短，既可節(jié)能，又可提高生產(chǎn)率，同時(shí)減少氧化。鋁硅鍍層板可以去掉噴丸工序，是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。近來(lái)一些公司開(kāi)始試驗(yàn)鍍鋅板（即GA板），這類(lèi)鍍鋅板實(shí)際上是在熱浸鍍鋅后進(jìn)行退火處理，在表面形成一層鋅鐵合金層，二者結(jié)合得很好，這類(lèi)板材在熱沖壓加熱時(shí)，可以快速加熱，不會(huì)產(chǎn)生微裂紋。GA板的加熱溫度比鋁硅鍍層板低，溫度一般不高于900℃，因此對(duì)成形過(guò)程中工件的傳輸速度要求更高。加熱溫度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生液態(tài)鋅沿晶界擴(kuò)散，發(fā)生液態(tài)金屬誘發(fā)脆性，在熱成形加熱后，表面會(huì)產(chǎn)生一些氧化物，在加熱后沖壓時(shí)鋅層會(huì)產(chǎn)生微裂紋，這些都影響到GA板隨后的表面形貌，因此通常在熱成形之后零件要經(jīng)過(guò)噴丸處理，鍍鋅層會(huì)影響噴丸后的粉塵環(huán)境。關(guān)于鍍鋅板的熱成形工藝及其推廣應(yīng)用，還需要進(jìn)一步開(kāi)展工作。一般來(lái)說(shuō)，GA板加熱之后鍍層的摩擦系數(shù)較低，有利于板材的成形，從而改善熱沖壓件的成形性，提高成品率，但鋅鍍層會(huì)不會(huì)粘模，影響模具的精度和壽命，也需要進(jìn)一步的實(shí)踐和積累數(shù)據(jù)。此外，鍍鋅板噴丸后的點(diǎn)焊工藝以及激光切割加工工藝也需要考慮到鍍鋅層的影響。

熱沖壓成形的加熱爐和加熱方式

目前加熱爐有兩種，一種是多層箱式爐，這類(lèi)爐子靈活、節(jié)能、使用方便、占地面積小，但對(duì)爐門(mén)的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)和工件傳輸?shù)淖詣?dòng)化水平要求較高，適合于多品種、小批量生產(chǎn)。對(duì)某些零件，在工藝和設(shè)備調(diào)試穩(wěn)定的條件下，也可以大批量生產(chǎn)。另一種爐子是輥道式爐子，這類(lèi)爐子投資大，占地面積大，如生產(chǎn)鋁硅鍍層板，高溫狀態(tài)下輥?zhàn)诱掣藉儗拥目赡苄暂^大，影響輥?zhàn)拥膲勖?，工件的粘附?huì)導(dǎo)致工件在爐子中跑偏。爐子適合于裸板大批量生產(chǎn)，是否適合于鍍鋅板也有待試驗(yàn)。工件在這類(lèi)爐子上傳輸比較簡(jiǎn)單，自動(dòng)化部分投資小，工件出爐到壓機(jī)的傳輸時(shí)間短，沖壓成形溫度容易控制?？紤]到上述情況，如果企業(yè)建兩條生產(chǎn)線，建議采用兩種爐子的加熱模式，以兼顧兩種加熱爐的優(yōu)點(diǎn)，又合理避開(kāi)他們的不足。

在熱沖壓成形的加熱方式中，除了上述兩種類(lèi)型爐子采用輻射加熱外，目前的加熱方式還有直接通電加熱，但這種加熱方式只適合于形狀規(guī)則、簡(jiǎn)單的板坯，鋁硅鍍層板由于加熱速度快，鍍層還有發(fā)生微裂紋的危險(xiǎn)。對(duì)于扭力梁這類(lèi)工件，采用這種加熱方式具有熱效率高、投資小、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、控制容易等優(yōu)點(diǎn)。直接通電加熱的有關(guān)工藝尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)和驗(yàn)證。另一種是感應(yīng)加熱，同樣適合于形狀簡(jiǎn)單的板坯，但需要有感應(yīng)發(fā)生器和感應(yīng)圈，對(duì)強(qiáng)度柔性分布的板坯的局部加熱，這類(lèi)加熱方式有一定的優(yōu)勢(shì)。以上這兩種加熱方式，加熱效率高，加熱速度快，但目前在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用報(bào)道很少。

強(qiáng)度柔性分布的工藝技術(shù)

為了滿足汽車(chē)輕量化和安全碰撞的要求，既要有高的強(qiáng)度，防止碰撞時(shí)構(gòu)件侵入傷害乘員，又要滿足工件的吸能要求，對(duì)某些安全件提出了強(qiáng)度的柔性分布的要求，即一定強(qiáng)度的高吸能部分和超高強(qiáng)度部分的有機(jī)融合，由此發(fā)展了一系列的強(qiáng)度柔性分布工藝技術(shù)，包括模具局部控制的冷卻技術(shù)、模具局部的加熱技術(shù)、工件的局部加熱技術(shù)、工件的“熱打印”或“冷打印”技術(shù)、激光拼焊板技術(shù)、差厚板技術(shù)。每種技術(shù)都應(yīng)該有相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)相匹配。

熱沖壓成形的模具制造技術(shù)

熱沖壓成形模具較為復(fù)雜，既保證成形，又要使成形后的構(gòu)件在模具中進(jìn)行淬火，得到超高強(qiáng)度的構(gòu)件。這類(lèi)模具除具有成形功能外，還具有冷卻功能；模具設(shè)計(jì)制造涉及到金屬學(xué)、相變、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科。模具的功能和受力模式也較復(fù)雜，目前正圍繞模具的失效、模具的延壽、高導(dǎo)熱性的模具材料的開(kāi)發(fā)、模具的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、低成本的簡(jiǎn)易模具的制造技術(shù)等方面進(jìn)行相關(guān)的開(kāi)發(fā)和研究。2017年5月，在美國(guó)亞特蘭大舉行的第六屆國(guó)際熱沖壓成形會(huì)議上，提出為降低激光切割成本，采用熱沖壓級(jí)進(jìn)模的新工藝技術(shù)，對(duì)模具提出了更高的要求，但進(jìn)入實(shí)用階段，尚有諸多技術(shù)工作有待完善。熱沖壓成形模具的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

圖1熱成形模具的開(kāi)發(fā)流程

熱沖壓成形零件的檢測(cè)評(píng)價(jià)

熱沖壓成形零件的檢測(cè)評(píng)價(jià)包括：⑴零件形狀的檢測(cè)，要滿足熱成形零件設(shè)計(jì)的公差要求。⑵基本力學(xué)性能（包括高速拉伸性能）和組織的檢測(cè)，滿足所用鋼種淬火、低溫回火組織的性能和顯微組織的要求。由于熱成形后的零件強(qiáng)度性能很高，在進(jìn)行熱成形力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，要特別注意屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率的測(cè)試方法和可靠性，使所得的數(shù)據(jù)與組織能夠自洽和互洽，還要特別注意不同批次零件的不同部位強(qiáng)度性能的分布和零件要求的一致性、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性。⑶沖壓零件的功能檢測(cè)，包括按零件的受力模式進(jìn)行冷彎等功能檢測(cè)。⑷零件實(shí)物碰撞的檢測(cè)，其結(jié)果應(yīng)與計(jì)算機(jī)模擬相對(duì)應(yīng)。在進(jìn)行這些檢測(cè)時(shí)，應(yīng)特別注意零件的失效模式和零件的基本力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果、碰撞吸能等數(shù)據(jù)是否相容。

熱成形零件的氫脆和延遲斷裂

近年來(lái)，已有相關(guān)超高強(qiáng)度鋼和熱成形零件氫脆和發(fā)生延遲斷裂的報(bào)道，有的是熱成形零件預(yù)壓后室溫停放發(fā)生斷裂的，經(jīng)分析是氫和應(yīng)力引起的典型的延遲斷裂，有的是在使用過(guò)程中由于安裝應(yīng)力產(chǎn)生的斷裂，也是氫和應(yīng)力綜合引起的延遲斷裂。隨著超高強(qiáng)度熱成形零件應(yīng)用的增多，這類(lèi)問(wèn)題越來(lái)越引起汽車(chē)工業(yè)界和熱成形領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)研發(fā)人員的關(guān)注。目前，該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)問(wèn)題的研究包括原材料中引起延遲斷裂的原子氫的含量及其測(cè)試方法；在確定原子氫的含量后，發(fā)生斷裂的零件中的應(yīng)力值；對(duì)延遲斷裂失效模式的評(píng)價(jià)方法，發(fā)生失效的預(yù)測(cè)；材料的強(qiáng)韌性與延遲斷裂之間的關(guān)系；為避免發(fā)生延遲斷裂，在材料的冶金過(guò)程、熱成形工藝過(guò)程中，應(yīng)該采取什么措施等。上海交大、中國(guó)汽研、華科大利用國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目正在進(jìn)行一些相關(guān)研究工作，希望有關(guān)結(jié)果能對(duì)以上問(wèn)題的解決提供幫助。

熱成形零件的點(diǎn)焊

點(diǎn)焊工藝對(duì)低強(qiáng)度零件已有普遍應(yīng)用，工藝也較成熟。對(duì)超高強(qiáng)度零件的點(diǎn)焊及其評(píng)價(jià)方法尚有待完善。常用的點(diǎn)焊評(píng)價(jià)方法是剪切拉伸和十字拉伸，評(píng)價(jià)點(diǎn)焊接頭在準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)荷模式下的焊點(diǎn)的質(zhì)量和失效模式。對(duì)大量汽車(chē)碰撞后的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件點(diǎn)焊的焊點(diǎn)失效觀察表明，不少焊點(diǎn)是發(fā)生焊點(diǎn)拔出和紐扣的分離。通常情況下，焊接工藝的制定是以準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的。高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼主要做結(jié)構(gòu)件和車(chē)身安全件，它們?cè)谂鲎矔r(shí)的失效模式是在高應(yīng)變速率下發(fā)生的，原用準(zhǔn)靜態(tài)下對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果已不能表征在沖擊載荷模式下焊點(diǎn)的質(zhì)量和失效抗力，為此東北大學(xué)和中國(guó)汽研研究了沖擊載荷下焊點(diǎn)的剪切和拉伸的失效吸能的評(píng)價(jià)方法和相關(guān)設(shè)備，結(jié)果表明在沖擊載荷下，如焊點(diǎn)的失效為紐扣分離、紐扣拔出、焊點(diǎn)的撕裂，三種失效模式的沖擊吸能分別為10J、8J和110J。不同的失效模式的沖擊吸能相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，用沖擊下的焊點(diǎn)吸能和失效模式來(lái)確定點(diǎn)焊參數(shù)比準(zhǔn)靜態(tài)下更能反映點(diǎn)焊的失效本質(zhì)，有關(guān)這方面的問(wèn)題尚待進(jìn)一步深入研究。

此外，激光切割的裝備和工藝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化也是熱成形重要的工序和國(guó)產(chǎn)化任務(wù)，目前已有單位取得了一些進(jìn)展，但達(dá)到生產(chǎn)實(shí)用階段尚需進(jìn)一步的工作。

以上就目前所了解的關(guān)于熱沖壓成形的熱點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)行了討論和分析，不少觀點(diǎn)僅系個(gè)人的看法。雖然近年來(lái)本人在該領(lǐng)域和有關(guān)單位合作，并在國(guó)家項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了一些研究，取得了一定的進(jìn)展，但全面解決熱沖壓成形的上述問(wèn)題，還需行業(yè)內(nèi)的有關(guān)企業(yè)和專家共同努力，對(duì)有關(guān)熱點(diǎn)問(wèn)題和焦點(diǎn)問(wèn)題共同討論，提出解決辦法。熱沖壓成形涉及各個(gè)領(lǐng)域，如力學(xué)、結(jié)構(gòu)、材料、相變、傳熱等學(xué)科，解決上述問(wèn)題需要產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，協(xié)同創(chuàng)新，共同推進(jìn)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，為中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的輕量化和安全水平的提升做出新的貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，中國(guó)的熱沖壓成形也會(huì)得到更快的發(fā)展，逐步形成有中國(guó)特色的裝備、工藝和技術(shù)。