安賽樂米塔爾在上個世紀九十年代發(fā)明了鋁硅鍍層熱成形鋼以后，該材料在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)了大規(guī)模應用和爆發(fā)性增長。目前，全球汽車市場熱成形鋼每年的使用量已接近400萬噸，僅在國內(nèi)就超過100萬噸。不管是合資車企還是自主品牌，即使定位比較中低端的新車型項目，鋁硅鍍層熱成形鋼的使用比例也呈快速提升態(tài)勢。
為了滿足市場的強勁需求，安賽樂米塔爾在全球范圍內(nèi)，包括在國內(nèi)的合資公司VAMA一共布局了十條產(chǎn)線來生產(chǎn)鋁硅鍍層熱成形鋼。VAMA也將于今年完成二期項目的建設，以進一步提升鋁硅鍍層熱成形鋼的產(chǎn)能，滿足國內(nèi)市場的強勁需求。
汽車向著更輕量化、更安全和更好的抗腐蝕性能趨勢發(fā)展，安賽樂米塔爾沒有滿足于第一代鋁硅鍍層熱成形鋼開發(fā)和應用上的成功。為了給汽車用戶帶來更具競爭力和價值的熱成形鋼材料，安賽樂米塔爾很早就開始了第二代鋁硅鍍層熱成形鋼材料的開發(fā)布局。第二代鋁硅鍍層熱成形鋼的開發(fā)工作主要體現(xiàn)了以下三個方面的特征。
全球化的研發(fā)，在歐美研發(fā)中心進行了基礎研究開發(fā)和工業(yè)化試制生產(chǎn)，開發(fā)成功之后復制導入到安賽樂米塔爾其他地區(qū)的屬地公司，包括位于中國的合資公司VAMA。
對性能更高的追求，包括在碰撞韌性和輕量化之間尋找更好的平衡，進一步提升材料表面的腐蝕性能。
高效，新一代熱成形鋼，既保留了鋁硅鍍層的優(yōu)勢，可以很好地匹配現(xiàn)有成熟的Usibor?1500熱成形生產(chǎn)線和工藝。在開發(fā)后能夠提供給用戶完整的材料基礎數(shù)據(jù)和卡片，并通過快速的工業(yè)化試制來支撐材料認證和車身開發(fā)的仿真分析和其他應用需求。
根據(jù)產(chǎn)品性能的不同，VAMA熱成形鋼可以分為兩大系列。第一大系列，用于吸能區(qū)域的軟區(qū)材料Ductibor?系列，第一代材料有Ductibor?500和強度稍低的Ductibor?450，以及新一代材料Ductibor?1000；第二大系列，用于抗侵入的硬區(qū)材料Usibor?系列，第一代即現(xiàn)在應用量非常大的Usibor?1500和第二代Usibor?2000。
Usibor?2000
安賽樂米塔爾在進行Usibor?2000材料開發(fā)時，進行了不同化學成分體系的多種嘗試，在對材料強度、韌性、焊接性能等多方面進行綜合考量和平衡之后，最終選擇了現(xiàn)在的成分體系。Usibor?2000在熱沖壓和涂裝烘烤后，屈服強度可以達到1400兆帕以上，抗拉強度達到1800兆帕以上，Usibor?2000的典型延伸率為5%，折彎角可以達到45°以上，相較第一代產(chǎn)品Usibor?1500可以帶來約10%的輕量化效果。VAMA于2019年實現(xiàn)Usibor?2000的工業(yè)化生產(chǎn)，可以為國內(nèi)用戶供應1.0-2.0mm厚度的產(chǎn)品。
我們知道，隨著材料碳含量增加，特別是強度提升到2000兆帕這個級別之后，材料的應用性能，比如韌性、焊接性能、抗氫脆性能等方面都受到很大的挑戰(zhàn)，安賽樂米塔爾在開發(fā)Usibor?2000的時候，也在這些方面進行了深入研究。
對于熱成型鋼的材料韌性，可以用材料的折彎角來進行表征，Usibor?2000的折彎角在經(jīng)過烘烤后有一定程度的提升，韌性滿足零件應用的要求。對于Usibor?2000抗氫脆性能，安賽樂米塔爾研發(fā)中心通過四點彎測試方法評估了Usibor?2000材料基體中自由氫的含量對材料氫脆敏感性的影響，結(jié)果表明，在實驗室條件下當材料基體中自由氫含量低于0.5ppm水平，材料就可以滿足使用要求。如何在零件實際生產(chǎn)過程中控制材料基體里的自由氫含量，是用戶可能會經(jīng)常問到的一個問題。我們給出的建議是，把熱沖壓產(chǎn)線加熱爐的爐體露點控制在-5℃以下，這在我們國內(nèi)大部分熱壓廠都可以實現(xiàn)。
Ductibor?1000
Ductibor?1000是專門用于熱沖壓的新一代軟區(qū)材料，熱沖壓后主要由馬氏體組織成分構(gòu)成，強度可以達到1000兆帕級別。同時這個材料具有高韌性，既可以和硬區(qū)材料通過激光拼焊結(jié)合應用，也可以單獨進行熱沖壓來使用。Ductibor?1000在熱沖壓和涂裝烘烤后，屈服強度可以達到800兆帕以上，抗壓強度達到1000兆帕以上，材料的折彎角可以達到80°以上。相對第一代材料Ductibor?500，Ductibor?1000在保留了足夠韌性的同時，強度提升約一倍，可以帶來25%左右輕量化潛力。在國內(nèi)，VAMA于2018年已實現(xiàn)Ductibor?1000的工業(yè)化生產(chǎn)，可以供應1.0-2.5mm厚度的產(chǎn)品。
在安賽樂米塔爾推出第二代鋁硅鍍層熱成形鋼Usibor?2000和Ductibor?1000之后，與全球范圍的汽車客戶都保持著不同程度的交流和技術合作。在推進材料認證和新項目合作過程中，安賽樂米塔爾聯(lián)合VAMA一直給予國內(nèi)汽車客戶大力支持，包括材料基礎數(shù)據(jù)和用于仿真分析的各類卡片。在新車型開發(fā)過程中，我們也積極參與到同步設計之中，并提出了各種先進輕量化解決方案，同時也能夠提供零部件沖壓仿真和材料應用方面的支持。目前，這兩種材料在國內(nèi)的應用取得很大進展，VAMA每年的供貨量也已經(jīng)達到幾萬噸級別。
安賽樂米塔爾純電動SUV S-in motion?白車身解決方案
為了不斷適應汽車行業(yè)發(fā)展趨勢和需求，安賽樂米塔爾一直致力于研發(fā)具有競爭力的汽車鋼材解決方案，從2010年開始推出第一個S-in motion? B級車解決方案開始，幾乎每年都會推出一個不同車型的概念解決方案，涵蓋了包括轎車、SUV、輕卡、皮卡、重卡在內(nèi)的幾乎所有不同級別車型的整車和總成鋼材解決方案。
在電動化趨勢浪潮的當下，安賽樂米塔爾于兩年前也推出了的純電動SUV S-in motion?概念方案。在方案研發(fā)過程中安賽樂米塔爾進行了大量的市場調(diào)研，重點對標奧迪e-tron和奔馳EQC這兩個車型，在原有內(nèi)燃機版本的SUV數(shù)據(jù)基礎上進行了重新設計，使新方案的安全性能達到包括E-NCAP和IIHS標準的全球最嚴苛的碰撞安全標準。
純電動SUV S-in motion?白車身上使用了幾乎所有最先進的高強鋼材料，通過不同的用材策略和方案來實現(xiàn)高安全性能以及最大程度的輕量化和經(jīng)濟性。方案中，白車身高強鋼的使用比例達到了64%，其中鋁硅鍍層熱成形鋼的使用比例達到了33%，尤其是第二代熱成形鋼，它的應用比例達到了24%。除了熱成形鋼，白車身也應用了大量先進高強鋼包括馬氏體鋼和DP鋼，以及將在VAMA二期產(chǎn)線進行生產(chǎn)的第三代冷成形高強鋼材料Fortiform?。
針對碰撞安全性能要求極高的側(cè)圍總成，我們采用了內(nèi)外雙門環(huán)的設計，外門環(huán)A柱下段使用Usibor?1500，門檻區(qū)域使用Ductibor?1000，A柱使用Usibor?2000的五片式激光拼焊門環(huán)的設計。內(nèi)門環(huán)的A柱內(nèi)板區(qū)域使用Usibor?2000，門檻和B柱內(nèi)板使用Ductibor?1000的六片式的激光拼焊門環(huán)設計最終達到了非常好的輕量化效果。這種集成式解決方案也可以降低總成的綜合成本，有助于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的減碳。
由于Ductibor?1000具有高強高韌的特點，非常適用于對碰撞吸能有要求的部件，在純電動SUV S-in motion?白車身的前縱梁盒shotgun等位置上都應用了Ductibor?1000激光拼焊解決方案，最終達到了很好的輕量化和能量管理的效果。
在白車身的內(nèi)外雙門環(huán)結(jié)構(gòu)中，門檻內(nèi)外板都使用了Ductibor?1000的材料，可以在側(cè)碰和柱碰過程中起到很好的能量吸收效果。在碰撞過程中，僅僅靠門檻的能量吸收設計來保護電池包是不夠的，因而我們在座椅橫梁上使用了強度最高的Usibor?2000的材料，可以很好地對電池包起到保護作用。
熱成形鋼激光拼焊解決方案
目前汽車行業(yè)面臨很大的節(jié)能減碳壓力，我們國家已經(jīng)設定了很具體的碳達峰、碳中和目標，在國際市場上，包括歐美市場也在逐步推進碳交易、碳準入的制度。所以面對這樣的新形勢，主機廠需要考慮和平衡碳排放對白車身設計帶來的新挑戰(zhàn)。
在結(jié)構(gòu)件上需要重點考慮四個方面：第一個是碰撞性能的提升，面對越來越嚴格的安全法規(guī)，車身結(jié)構(gòu)件需要實現(xiàn)更高的強度和機械性能。第二個是成本節(jié)省，在滿足性能要求下，盡可能滿足成本的預期。第三是減重和輕量化，在面臨新能源車的趨勢下，考慮到電池的增重，以及考慮到碳中和、碳足跡和碳排放的具體需求，未來市場對白車身重量的目標會變得越來越高。第四點是碳排放和碳足跡的優(yōu)化，除了靠減重以及新能源化來減少車輛在使用過程中的碳排放，還需要關注另外一部分，就是整車或者車身在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的碳足跡和碳排放。因此我們需要優(yōu)化和簡化白車身的生產(chǎn)制造過程，來實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的碳足跡優(yōu)化。
基于以上四個的需求和痛點，我們認為基于鋁硅鍍層熱成形材料的激光拼焊板解決方案，是能夠?qū)⑦@四種某些層面上可能相互矛盾的需求相統(tǒng)一的方案。
激光拼焊歸根到底還是個連接工藝。在零部件的大型化方面，激光拼焊相較于很多輕量化的技術，有著自己獨到的優(yōu)勢。第一個方案，熱成形激光拼焊的方案，就是熱成形激光拼焊前后雙門環(huán)，這個方案是把A-B擴展到A-C。A-B門環(huán)這個概念目前國內(nèi)外主機廠已經(jīng)普遍接受，我們國內(nèi)外很多主機廠也都在量產(chǎn)的批量供應生產(chǎn)。這個熱成形激光拼焊就是整體化和大型化的趨勢的具體代表。為了實現(xiàn)A-B處的激光拼焊的進一步整合，現(xiàn)在可以看到從A處向C處其余的結(jié)構(gòu)件完全整合的熱成形激光拼焊前后雙門環(huán)方案。根據(jù)模型的評估，相較于傳統(tǒng)的多零件點焊基準方案，熱成形激光拼焊前后雙門環(huán)減重效果為22公斤。
相較于多部件方案，熱成形激光拼焊前后雙門環(huán)的優(yōu)勢，主要在于成型工裝，因為它把多個零部件的連接從成形之后改到了成形之前。只需要一套成型工裝，在一個沖次完成，就可以極大的簡化和節(jié)省后續(xù)的裝配問題。第二是輕量化，主要來自于熱成形鋼性能提升帶來的厚度減薄，第二代熱成形鋼取代第一代熱成形鋼，因為它本身的強度有提升，所以厚度也可以相應的減薄。第三是激光拼焊對接焊帶來的更好的整體碰撞性能力傳導。第四是熱成形工藝能使零部件擁有更高的裝配精度。相較于普通級別的高強鋼，熱成形鋼的裝配精度的控制會更好把握，因為它的加工特性會更優(yōu)，回彈會更小。
上圖為我司為了驗證熱成形激光拼焊的成熟性而制作的軟模件。它可以驗證第一代和第二代熱成形高強鋼、激光拼焊前后雙門環(huán)的成熟性，并且設置和驗證前后雙門環(huán)工藝。在試制的過程中，為了驗證所有VAMA可以生產(chǎn)的牌號，VAMA第一代和第二代熱成形高強鋼都應用在了前后雙門環(huán)的不同部位，充分證明了前后雙門環(huán)的可行性。
接下來我介紹另外一個整體化和大型化的方案，針對下車體的一體化方案，也是熱成形激光拼焊的方案。這個方案概念是采用熱成形的材料和激光拼焊作為連接工藝，將傳統(tǒng)車身下車體后半段的結(jié)構(gòu)件變成整體化和大型化的H型，因為目前展示的是兩道護送梁加一個橫梁形成H型，因為如果加上兩道，那就會變成一個井字型的激光拼焊。
該方案能夠很好地優(yōu)化碳排放和碳足跡，且基于熱成型工藝，零件的控制精度會有很大的提升。
H梁將極大地簡化后續(xù)的工藝路線。相對于基準方案的傳統(tǒng)點焊的結(jié)構(gòu)，激光拼焊H梁可以把原來的136個焊點減少到0個，基本上所有的部位都可以用激光拼焊的方式在成型之前進行連接，極大簡化了分總成的焊裝、流程、人工投入、工序，以及機器人的投入。
激光拼焊H梁的方案，可以滿足現(xiàn)有供應鏈的需求。H梁的整體尺寸和A-B處門環(huán)的尺寸幾乎是一樣的。這意味著這個方案從原材料的生產(chǎn)，拼焊板的加工、熱沖壓，分總成焊裝，這一系列一整個供應鏈上的生產(chǎn)制造、物流運輸，都不需要對現(xiàn)有設備進行生產(chǎn)、改造或者升級。現(xiàn)有熱成形的一整套供應鏈，就可以適合新的解決方案的生產(chǎn)和制作。
激光拼焊H梁的整個加工流程，整個加工路徑可以分成五步。第一步是VAMA提供熱成形材料，第二步是落料，把它變成激光拼焊板的子板或者待焊板，在這個過程中可以通過排樣的方式來優(yōu)化材料利用率。第三步是激光拼焊，用激光拼焊線生產(chǎn)出一體化的激光拼焊板，這個地方要強調(diào)一下H梁相較于激光拼焊能有獨到的優(yōu)勢，因為它是敞口件，而不像門環(huán)，是個環(huán)形件或者是閉口件，所以本身它對于子板的累積公差是有一定的接受度。也就是說在生產(chǎn)H梁的時候，不需要專用的激光拼焊工裝夾具，因此固定資產(chǎn)投資可以減少一部分。第四步是用熱沖壓廠來完成H梁的沖壓成型，最后一步是激光修邊和生產(chǎn)制造。
第二代鋁硅鍍層熱成形鋼提供車身應用
綜合以上可以看到：第一，隨著全球化的發(fā)展，VAMA已經(jīng)實現(xiàn)了第二代鋁硅的熱成形鋼的本地化量產(chǎn)及供應，包括Usibor?2000和Ductibor?1000材料。第二點是相對于第一代熱成形鋼，Usibor?2000和Ductibor?1000為白車身帶來了至少15%的減重效益。我們也準備了一系列的電動車解決方案，可以供客戶參考采用。另外，我們有一整套非常成熟的經(jīng)過了多年各種車型開發(fā)過程的考驗的經(jīng)驗體系可以為各個客戶提供一整套解決方案。第三點是激光拼焊門環(huán)、H梁，這是我們推出的綜合經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展等多種考慮下比較優(yōu)化的減重總體化方案。第四點是VAMA、GONVVAMA的銷售、客戶技術支持、前期介入等團隊隨時準備幫助國內(nèi)主機廠和一級供應商面對環(huán)保、輕量化等諸多方面的挑戰(zhàn)，開拓熱成形材料及熱成形激光拼焊解決方案的進一步應用。
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