【熱沖壓成形的熱點分析】近年來，隨著熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展、擴大應(yīng)用和汽車行業(yè)對熱沖壓成形應(yīng)用的零件性能要求的多樣化以及中國大量引進國外的熱沖壓成形生產(chǎn)線，熱成形產(chǎn)生了一系列的焦點和熱點，現(xiàn)從以下幾個方面對焦點和熱點進行分析。

關(guān)于熱沖壓零件的強度問題

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

門的防撞桿、前后防撞梁、門B柱等構(gòu)件基本上承受彎曲應(yīng)力，強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合理的平衡。汽車零件的厚度與剛度密切相關(guān)，剛度影響零件的振動、噪聲、撞擊吸能，因此熱沖壓成形零件的強度1500MPa是否已經(jīng)到極限值?是否還需要開發(fā)1800MPa的材料?并做進一步減薄?除了考慮零件剛度之外，進一步減薄還將影響到熱沖壓時零件的工藝性能，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，因此在強度提高時還必須考慮熱沖壓成形零件強韌性的匹配。在強度越高時，零件的延遲斷裂抗力和氫脆的能力也會下降，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度提高時應(yīng)該考慮的因素。強度的提升，碳含量的提高，還會影響熱成形零件的可焊性，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超高強度鋼和熱沖壓成形零件在沖擊時發(fā)生焊點不正常的失效模式，影響了焊點的吸能和高強度鋼零件的性能發(fā)揮。綜上所述，熱成形零件強度的提升，尚需要進一步開展研發(fā)工作。

熱沖壓成形板狀試樣冷彎性能的相關(guān)問題

寶馬公司和奔馳公司在熱成形后的零件上取樣，按標準VDA238-100金屬材料的冷彎試驗進行冷彎試驗，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，會改進熱成形后的冷彎角度，但表面脫碳會降低表層的強度和零件的綜合強度，它是否會影響撞擊吸能，也需要進一步研究和量化。

鍍層板問題

長期以來，熱成形采用鋁硅鍍層板，安塞樂米塔爾對這一鍍層板的應(yīng)用申報了發(fā)明專利，據(jù)了解，該專利的保護期至少還有10年以上，這種鍍層板對保護熱沖壓成形時鋼板表面不受氧化具有良好作用，同時也可以減少沖壓時的摩擦系數(shù)，提高成形性，減少模具磨損。由于是專利產(chǎn)品，板材價格偏高，影響板材的應(yīng)用和熱成形零件性價比的提升，在工藝上，這類鍍層板在快速加熱時，由于鍍層和基體鋼板的膨脹系數(shù)不同，加熱速度較快時，容易產(chǎn)生微裂紋，影響隨后的沖壓性能以及使用時油漆的表面質(zhì)量和光鮮性。因此長期以來熱沖壓成形工藝規(guī)定加熱時間為300～330s，為保證這一加熱時間，對輥道式的加熱爐，爐膛的長度就比較長，對多層箱式爐，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，一般1mm/min的加熱時間已經(jīng)足夠，熱成形板材為1.2～1.8mm/min，這種厚度的板材，加熱和保溫時間為200s已經(jīng)足夠（22MnB5鋼的合金成分簡單，只要給足夠的時間使Mn擴散均勻即可）?？紤]到輻射加熱、表面的黑度系數(shù)、不同的表面狀態(tài)，加熱時間會有出入，總體來講，加熱時間可較大幅度縮短。對裸板而言，加熱時間縮短，既可節(jié)能，又可提高生產(chǎn)率，同時減少氧化。鋁硅鍍層板可以去掉噴丸工序，是一個重要的優(yōu)點。近來一些公司開始試驗鍍鋅板（即GA板），這類鍍鋅板實際上是在熱浸鍍鋅后進行退火處理，在表面形成一層鋅鐵合金層，二者結(jié)合得很好，這類板材在熱沖壓加熱時，可以快速加熱，不會產(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℃，因此對成形過程中工件的傳輸速度要求更高。加熱溫度過高，會產(chǎn)生液態(tài)鋅沿晶界擴散，發(fā)生液態(tài)金屬誘發(fā)脆性，在熱成形加熱后，表面會產(chǎn)生一些氧化物，在加熱后沖壓時鋅層會產(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)過噴丸處理，鍍鋅層會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，還需要進一步開展工作。一般來說，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，但鋅鍍層會不會粘模，影響模具的精度和壽命，也需要進一步的實踐和積累數(shù)據(jù)。此外，鍍鋅板噴丸后的點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，這類爐子靈活、節(jié)能、使用方便、占地面積小，但對爐門的開閉機構(gòu)和工件傳輸?shù)淖詣踊揭筝^高，適合于多品種、小批量生產(chǎn)。對某些零件，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)下輥子粘附鍍層的可能性較大，影響輥子的壽命，工件的粘附會導(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。工件在這類爐子上傳輸比較簡單，自動化部分投資小，工件出爐到壓機的傳輸時間短，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，又合理避開他們的不足。

在熱沖壓成形的加熱方式中，除了上述兩種類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。對于扭力梁這類工件，采用這種加熱方式具有熱效率高、投資小、工藝過程簡單、控制容易等優(yōu)點。直接通電加熱的有關(guān)工藝尚需進一步的試驗和驗證。另一種是感應(yīng)加熱，同樣適合于形狀簡單的板坯，但需要有感應(yīng)發(fā)生器和感應(yīng)圈，對強度柔性分布的板坯的局部加熱，這類加熱方式有一定的優(yōu)勢。以上這兩種加熱方式，加熱效率高，加熱速度快，但目前在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用報道很少。

強度柔性分布的工藝技術(shù)

為了滿足汽車輕量化和安全碰撞的要求，既要有高的強度，防止碰撞時構(gòu)件侵入傷害乘員，又要滿足工件的吸能要求，對某些安全件提出了強度的柔性分布的要求，即一定強度的高吸能部分和超高強度部分的有機融合，由此發(fā)展了一系列的強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)件在模具中進行淬火，得到超高強度的構(gòu)件。這類模具除具有成形功能外，還具有冷卻功能；模具設(shè)計制造涉及到金屬學(xué)、相變、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等多個學(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發(fā)、模具的設(shè)計和計算機模擬技術(shù)、低成本的簡易模具的制造技術(shù)等方面進行相關(guān)的開發(fā)和研究。2017年5月，在美國亞特蘭大舉行的第六屆國際熱沖壓成形會議上，提出為降低激光切割成本，采用熱沖壓級進模的新工藝技術(shù)，對模具提出了更高的要求，但進入實用階段，尚有諸多技術(shù)工作有待完善。熱沖壓成形模具的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1熱成形模具的開發(fā)流程

熱沖壓成形零件的檢測評價

熱沖壓成形零件的檢測評價包括：⑴零件形狀的檢測，要滿足熱成形零件設(shè)計的公差要求。⑵基本力學(xué)性能（包括高速拉伸性能）和組織的檢測，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度性能很高，在進行熱成形力學(xué)性能測試時，要特別注意屈服強度、抗拉強度、延伸率的測試方法和可靠性，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，包括按零件的受力模式進行冷彎等功能檢測。⑷零件實物碰撞的檢測，其結(jié)果應(yīng)與計算機模擬相對應(yīng)。在進行這些檢測時，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，已有相關(guān)超高強度鋼和熱成形零件氫脆和發(fā)生延遲斷裂的報道，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。隨著超高強度熱成形零件應(yīng)用的增多，這類問題越來越引起汽車工業(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；對延遲斷裂失效模式的評價方法，發(fā)生失效的預(yù)測；材料的強韌性與延遲斷裂之間的關(guān)系；為避免發(fā)生延遲斷裂，在材料的冶金過程、熱成形工藝過程中，應(yīng)該采取什么措施等。上海交大、中國汽研、華科大利用國家自然科學(xué)基金重點研發(fā)項目正在進行一些相關(guān)研究工作，希望有關(guān)結(jié)果能對以上問題的解決提供幫助。

熱成形零件的點焊

點焊工藝對低強度零件已有普遍應(yīng)用，工藝也較成熟。對超高強度零件的點焊及其評價方法尚有待完善。常用的點焊評價方法是剪切拉伸和十字拉伸，評價點焊接頭在準靜態(tài)負荷模式下的焊點的質(zhì)量和失效模式。對大量汽車碰撞后的高強度結(jié)構(gòu)件點焊的焊點失效觀察表明，不少焊點是發(fā)生焊點拔出和紐扣的分離。通常情況下，焊接工藝的制定是以準靜態(tài)試驗結(jié)果為依據(jù)的。高強度鋼和超高強度鋼主要做結(jié)構(gòu)件和車身安全件，它們在碰撞時的失效模式是在高應(yīng)變速率下發(fā)生的，原用準靜態(tài)下對點焊質(zhì)量的評價結(jié)果已不能表征在沖擊載荷模式下焊點的質(zhì)量和失效抗力，為此東北大學(xué)和中國汽研研究了沖擊載荷下焊點的剪切和拉伸的失效吸能的評價方法和相關(guān)設(shè)備，結(jié)果表明在沖擊載荷下，如焊點的失效為紐扣分離、紐扣拔出、焊點的撕裂，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數(shù)量級，用沖擊下的焊點吸能和失效模式來確定點焊參數(shù)比準靜態(tài)下更能反映點焊的失效本質(zhì)，有關(guān)這方面的問題尚待進一步深入研究。

此外，激光切割的裝備和工藝技術(shù)的國產(chǎn)化也是熱成形重要的工序和國產(chǎn)化任務(wù)，目前已有單位取得了一些進展，但達到生產(chǎn)實用階段尚需進一步的工作。

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