隨著全球環(huán)保問題日益嚴(yán)重，世界各國對節(jié)能減排更加重視，中國政府提出了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的戰(zhàn)略。“雙碳”背景下，國內(nèi)新能源汽車的發(fā)展和應(yīng)用正在加速和普及。相比于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車使用電池替換發(fā)動機(jī)后的整車質(zhì)量增加，故電動新能源汽車對整車質(zhì)量更加敏感。車重增加后，能耗增加，影響續(xù)航里程，因此，新能源汽車的輕量化需求更加迫切。但輕量化并非盲目減重，而是需要在保證整車安全、剛度等一系列性能指標(biāo)的前提下進(jìn)行。因此，新能源汽車正在普遍向選材輕量高強(qiáng)化和結(jié)構(gòu)集成化的方向加速發(fā)展，比如采用一體式激光拼焊熱成形門環(huán)和一體式壓鑄后車身。

乘用車側(cè)面是剛度和強(qiáng)度比較薄弱的部位，因此，提升其安全性尤為重要，強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB20071—2006也對此有相關(guān)規(guī)定。為了提升車身的側(cè)碰安全性，汽車廠商普遍采用熱沖壓技術(shù)成形A柱及其邊梁、B柱、C柱、門檻及防撞梁等。上述熱成形件一般具有 1500MPa的抗拉強(qiáng)度，可以有效地抵抗外力，因此，可以使用更薄的鋼板，相比于傳統(tǒng)鋼板，其減重可達(dá)30%。在分別單獨(dú)成形部分車身側(cè)面安全件的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一體式激光拼焊熱成形門環(huán)，較單獨(dú)熱成形安全件再進(jìn)行二次焊接工藝減重了15%。2007年，知名鋼鐵廠商 ArcelorMittal提出一體式激光拼焊熱成形門環(huán)的方案。PicA等提出了將4塊不同厚度的 Usibor1500P鋼板激光拼焊一體化熱成形的方案，并采用LS-Dyna進(jìn)行EuroNCAP正面和側(cè)面碰撞模擬。結(jié)果顯示，同單獨(dú)熱成形 4個(gè)零件后組成的門環(huán)相比，一體式激光拼焊熱成形門環(huán)減重了20%;側(cè)面碰撞中B柱變形侵入量最大值較小，正面碰撞中儀表盤變形侵入量至少減少了16%，即使采用了薄板，但拼焊可保證車身剛度基本不變。2014年，Honda Acura MDX成為首個(gè)采用 ArcelorMittal開發(fā)的門環(huán)的車型;2016年，Chrysler Pacifica 采用了 ArcelorMittal優(yōu)化的一體式激光拼焊熱成形門環(huán)，減重了8.64kg，并獲得IIHS(美國高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會)頂級安全獎(jiǎng)。與此同時(shí)，湖南華菱鋼鐵股份有限公司與ArcelorMittal合資創(chuàng)建的VAMA公司在國內(nèi)推廣一體式激光拼焊熱成形門環(huán)。

長城汽車股份有限公司、長安汽車股份有限公司、比亞迪股份有限公司及廣州汽車集團(tuán)股份有限公司等均針對一體式門環(huán)進(jìn)行了開發(fā)和應(yīng)用。一體式激光拼焊熱成形門環(huán)將多個(gè)零件集成在一起，在保證安全的前提下具有較好的減重效果，同時(shí)減少了模具數(shù)量，提升了生產(chǎn)效率。然而，目前國內(nèi)外量產(chǎn)的門環(huán)主要是以單一的抗拉強(qiáng)度為1500MPa的成形材料為主，采用等厚度或不等厚度的熱成形材料激光拼焊后一體式熱沖壓方案。上述門環(huán)結(jié)構(gòu)著重強(qiáng)調(diào)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，一定程度上提升了輕量化效果和安全性能，但缺乏碰撞吸能能力的考量，此外，熱沖壓鋼材的選型及組合還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。因此，嵐圖汽車科技有限公司采用1000、1500 和2000MPa這3種強(qiáng)度級別的熱成形材料，將5種不同厚度的板料和2個(gè)補(bǔ)丁板經(jīng)激光拼焊后成形為一體式門環(huán)。該方案既設(shè)置了韌性區(qū)域碰撞吸能，又設(shè)置了高強(qiáng)度區(qū)域防侵入，綜合提升了吸能性和安全性，統(tǒng)籌考慮了輕量化效果和成本。

01 門環(huán)的設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)方法及原則

門環(huán)分為內(nèi)、外門環(huán)及雙門環(huán)，本文所設(shè)計(jì)的門環(huán)為外門環(huán)，由汽車車身的A柱上邊梁、A柱下板、B柱、門檻加強(qiáng)板等組合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。汽車設(shè)計(jì)中，門洞區(qū)域的加強(qiáng)對小偏置碰撞尤為重要。因?yàn)榍伴T洞的位置為前排司乘人員的生存位置，并且司乘人員和碰撞物僅隔一道車門。因此，需要保證門環(huán)和人體重合的區(qū)域具有較高的強(qiáng)度，用來避免斷裂而對司乘人員形成撞擊，同時(shí)保證車門在事故中能夠打開，而在門環(huán)下部的某些區(qū)域則需要較高的韌性來吸收碰撞能量�；�于以上原則，整個(gè)門環(huán)體系需要較高強(qiáng)度、剛度和韌性。對于金屬材料，高強(qiáng)度和高韌性一般不同時(shí)具備，因此，采用激光拼焊技術(shù)將不同強(qiáng)度和韌性的材料組合一起是非常合適的選擇; 與此同時(shí)，還可以將不同厚度的鋼板拼焊在一起，通過降低局部的鋼板厚度起到良好的減重效果。但鋼板厚度的減薄必然降低車身的剛度，此時(shí)需要考慮如何保證原有的車身剛度需求。一體式激光拼焊熱成形門環(huán)將幾個(gè)零件完全組合在一起，形成一個(gè)整體零件，抵消了由于鋼板減薄帶來的剛度下降問題。同時(shí)，如果在驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度的不足，也可以采用局部加強(qiáng)的方式以提升局部強(qiáng)度和剛度。綜上所述，門環(huán)區(qū)域設(shè)計(jì)要求為: 提升強(qiáng)度，減輕重量，保持剛度，局部加強(qiáng)，強(qiáng)韌互補(bǔ)�；�于上述想法和原則，對一體式激光拼焊熱成形外門環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)，圖1為一體式激光拼焊熱成形門環(huán)的開發(fā)過程。原設(shè)計(jì)方案為A柱上邊梁及其補(bǔ)丁(Patch)板、A柱下板、門檻加強(qiáng)板、B 柱及其Patch板4個(gè)零件單獨(dú)成形，而后再通過點(diǎn)焊裝配而成(圖2)。根據(jù) 25%偏置碰撞性能分析出發(fā)，結(jié)合車型項(xiàng)目的原傳統(tǒng)方案，搭建門環(huán)的初步模型，進(jìn)而對模型進(jìn)行多輪的迭代優(yōu)化，并經(jīng)過多次的迭代驗(yàn)算，最終完成性能、工藝和成本均較優(yōu)的門環(huán)方案。

圖 1 一體式激光拼焊熱成形門環(huán)開發(fā)流程

圖 2 傳統(tǒng)沖壓－焊接門環(huán)

優(yōu)化后最終門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，其中A柱上邊梁+A柱下板零件選材為厚度為1.6mm的Usibor1500鋼，A柱上邊梁Patch板零件材料為厚度為1.0mm的Usibor1500鋼，門檻加強(qiáng)板零件材料為厚度為1.4mm的Usibor1500 鋼，B柱下板零件材料為厚度為1.4mm 的Ductibor1000鋼，B柱上板零件材料為厚度為1.9mm的Usibor1500鋼，B柱上板Patch板零件為厚度為1.8mm的Usibor2000鋼。以上兩種方案中使用的材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，其中，A50為標(biāo)距為50mm的試樣的斷后伸長 率。相比原方案，優(yōu)化方案的顯著特色為采用了Ductibor1000鋼材料來吸收碰撞能量，采用Usibor2000鋼來提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度防止碰撞時(shí)零件侵入人體。本方案均采用帶鋁硅涂層的熱成形材料，可以有效地避免加熱時(shí)產(chǎn)生大量氧化皮，避免磨損模具，延長了模具壽命，還可以減少后期服役過程中的腐蝕。若采用無涂層裸板材料進(jìn)行熱沖壓，需要進(jìn)行拋丸，拋丸后易產(chǎn)生變形，不利于一體式門環(huán)的尺寸精度控制，同時(shí)裸板的耐蝕性差于鋁硅涂層板。

圖 3 一體式激光拼焊熱成形門環(huán)

成形時(shí)先將A柱上邊梁、A 柱下板、門檻加強(qiáng)板、B柱上板、B柱下板的零件材料分別落料成坯板，然后采用半剝離去鍍層的激光拼焊技術(shù)將上述坯板拼焊在一起，A柱上邊梁Patch板和B柱上板Patch板板料通過點(diǎn)焊焊接在相應(yīng)位置上，形成一體式門環(huán)的坯料，如圖4所示，然后再通過熱沖壓工藝將其整體成形為一體式門環(huán)。拼焊時(shí)，通過定位焊接夾具連接在一起，保證激光拼焊焊縫位置精度為±5mm。選擇半剝離去鍍層激光拼焊技術(shù)是因?yàn)槿舨蝗ュ儗又苯舆M(jìn)行拼焊，涂層中的鋁會存在于焊縫與母材的接頭處，從而削弱焊縫性能，最終導(dǎo)致零件失效。為了驗(yàn)證不同強(qiáng)度材料之間拼焊焊縫性能，將不同強(qiáng)度材料組合后采用去鍍層激光拼焊工藝連接，熱沖壓完畢后進(jìn)行拉伸測試，發(fā)現(xiàn)斷裂位置均不位于焊縫處(圖5)，拉伸測試結(jié)果如表2所示，表明焊縫的力學(xué)性能均優(yōu)于母板基材。

圖 4 一體式門環(huán)激光拼焊后的坯料

圖 5 激光拼焊拉伸試樣斷裂位置

表 2 不同材料激光拼焊組合后的焊縫力學(xué)性能

1. 2 數(shù)值仿真

對采用傳統(tǒng)沖壓－焊接方案的門環(huán)以及一體式激光拼焊熱沖壓成形的門環(huán)分別進(jìn)行 25%偏置碰撞和移動變形壁障(Moving Deformable Barrier，MDB)碰撞的數(shù)值仿真分析。數(shù)值仿真采用LSDyna軟件，碰撞速度為50kmh－1。25%偏置碰撞的結(jié)果如圖6和圖7所示；MDB碰撞的結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖6和圖7中可以看出，25%偏置碰撞時(shí)，傳統(tǒng)門環(huán)側(cè)面變形最大侵入量大于190mm，一體式門環(huán)的側(cè)面變形最大侵入量為 166.313mm，減少了14.4%，且零件變形侵入量要小于傳統(tǒng)門環(huán)。

從圖8和圖9可以看出，MDB碰撞時(shí)一體式門環(huán)的側(cè)面變形侵入量略小于傳統(tǒng)門環(huán)，綜合來看采用一體式激光拼熱成形方案成形的門環(huán)的整車安全碰撞性能與傳統(tǒng)方案成形的門環(huán)的整車相當(dāng)，局部區(qū)域碰撞安全性能更優(yōu)。此外，一體式門環(huán)與傳統(tǒng)門環(huán)相比，大大減少了各零件連接及邊緣焊點(diǎn)，較大提升了零件連接及邊緣焊點(diǎn)區(qū)域的碰撞安全性能。

02 輕量化效果和材料利用率

對比傳統(tǒng)的沖壓－焊接方案與優(yōu)化后的一體式激光拼焊熱成形方案，各分項(xiàng)零件質(zhì)量如表3所示，從表3中的數(shù)據(jù)分析可知，單個(gè)門環(huán)減重為(24.669－19.596)kg=5.073kg，整車門環(huán)零件減重為(5.073×2)kg=10.146kg，減重率為20.6%。采用壓力機(jī)與模具落料。通過排料分布設(shè)計(jì)后，采用一體式激光拼焊熱成形方案的材料利用率提升至71.19%，而傳統(tǒng)方案的材料利用率為66.7%，提升了4.5%，一定程度上降低了材料成本。

表 3 輕量化效果對比分析

03 成本分析

單車成本方面，如采用傳統(tǒng)的沖壓焊接方案，零件成本為880元/車(包括點(diǎn)焊、焊縫)，如采用一體式激光拼焊熱成形方案，零件成本為960元/車(包括激光拼焊)。在使用一體式激光拼焊熱成形方案的情況下，單車成本較傳統(tǒng)方案成本增加80元/車。輕量化方面，一體式激光拼焊熱成形方案較傳統(tǒng)方案減重約10.146kg，每減重1kg成本增加約7.88元，遠(yuǎn)低于行業(yè)內(nèi)每減重1kg成本增加15～20元的水平，為業(yè)內(nèi)水平的1/3～1/2。零件工藝成本方面，包括原材料落料模、零件沖壓模、焊接夾具等一系列工裝成本。采用一體式激光拼焊熱成形方案的工藝成本為1654.74萬元(其中原材料工裝為764.00萬元，零件工裝為890.74萬元)，較采用傳統(tǒng)方案的工藝成本1544.37萬元增加110.37萬元，按照全生命周期產(chǎn)量分?jǐn)傊羻诬嚰s為7.88元/車。與此同時(shí)，為了降低工藝成本，設(shè)計(jì)多車型一體式門環(huán)通用化方案，選擇共用焊接夾具設(shè)計(jì)思路，如圖10所示。僅兩車型分?jǐn)偤附訆A具費(fèi)用，可使每個(gè)車型項(xiàng)目較其傳統(tǒng)方案分別減少110萬和140萬元，如后續(xù)更多車型共用夾具可取得更多的收益。

圖 10 兩車型共用焊接夾具設(shè)計(jì)

04 門環(huán)性能

門環(huán)的生產(chǎn)工藝如圖11所示，首先按照設(shè)計(jì)好的材料排樣分布進(jìn)行落料，然后將坯料采用激光去鍍層的焊接技術(shù)焊接為一體式門環(huán)所需坯料，最后通過熱沖壓工藝成形為一體式門環(huán)零件。針對正式工裝模具沖壓的一體式門環(huán)零件進(jìn)行取樣，分別取各零件區(qū)域的拉伸試樣、硬度試樣、焊縫拉伸試樣，取樣位置及樣品編號如圖12所示。其中，A50-W1～A50-W4為對應(yīng)位置的焊縫拉伸試樣，A50-1～A50-6為對應(yīng)位置的門環(huán)各零件的拉伸試樣，H-1～H-4為各零件的硬度試樣，而H-W1～H-W3則為對應(yīng)位置的焊縫硬度試樣，同時(shí)對A50-4、H-1、H-2、H-3和H-4處進(jìn)行補(bǔ)丁板性能測試。拉伸試樣按照GB/T228.1—2021進(jìn)行測試，硬度按照 GB/T4340.1—2009進(jìn)行測試，測試結(jié)果分別如表4和表5所示。結(jié)果表明，組成門環(huán)的各零件的性能均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求:2GPa的B柱上板Patch板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1878MPa，門檻加強(qiáng)板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1041MPa，且韌性好；門環(huán)的5條激光拼焊焊縫的強(qiáng)度均大于較弱側(cè)基材的強(qiáng)度。

圖 11 一體式門環(huán)激光拼焊熱成形過程

(a)坯料排樣及落料(b)激光去鍍層(c)激光拼焊后的坯料(d)熱沖壓后的門環(huán)零件

圖 12 一體式門環(huán)零件性能測試取樣位置

表 4 一體式門環(huán)強(qiáng)度和伸長率的測試結(jié)果

04 結(jié)論與展望

(1)  設(shè)計(jì)開發(fā)出一種采用1000、1500和2000MPa這3種強(qiáng)度的熱成形鋼板，將5種厚度的板料和2個(gè)補(bǔ)丁板經(jīng)激光拼焊后成形為一體化門環(huán)。

(2)  對傳統(tǒng)沖壓－焊接的門環(huán)和一體式激光拼焊熱成形的門環(huán)分別進(jìn)行了25%偏置碰撞和 MDB碰撞的數(shù)值仿真，結(jié)果顯示：25%偏置碰撞時(shí)，傳統(tǒng)門環(huán)的側(cè)面變形最大侵入量大于190mm，一體式激光拼焊熱成形門環(huán)的側(cè)面變形 最大侵入量為166.313mm，減少了14.4%，且零件變形侵入量小于傳統(tǒng)方案；MDB碰撞時(shí)，采用一體式激光拼焊熱成形方案成形的門環(huán)側(cè)面變形侵入量略小于傳統(tǒng)方案；一體式激光拼焊熱成形門環(huán)的整車安全碰撞性能與傳統(tǒng)方案的整車相當(dāng)，局部區(qū)域碰撞安全性能更優(yōu)。

(3)   一體式門環(huán)激光拼焊熱成形后性能測試顯示，組成門環(huán)的各零件性能均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其中B柱上板Patch板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1878MPa，門檻加強(qiáng)板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1041 MPa，且韌性好;門環(huán)的5條激光拼焊焊縫的強(qiáng)度均大于較弱側(cè)基材的強(qiáng)度。

(4) 相比于傳統(tǒng)沖壓－焊接的門環(huán)，一體式激光拼焊熱成形的門環(huán)整車減重 10.146kg，減重率為20.6%；材料利用率由66.7%提升至71.19%;單車成本增加80元/車，但輕量化成本增加僅為7.88元，為業(yè)內(nèi)水平的1/3～1/2。

( 5) 無論是燃油汽車，還是新能源汽車，考慮綜合性能、成本和工藝等因素，高強(qiáng)鋼材仍然為未來汽車白車身選材的重要組成部分。一體式激光拼焊熱成形門環(huán)作為白車身鋼制零件的重要輕量化路徑，應(yīng)用車型從最初的 SUV車型，逐步發(fā)展到轎車、MPV、皮卡等多樣化車型; 應(yīng)用部位也從最初的A柱－B柱門環(huán)，逐步發(fā)展到B柱－C 柱門環(huán)，甚至為A柱－B柱－C柱側(cè)圍整體式門環(huán); 已經(jīng)從最初的外板門環(huán)，逐步發(fā)展到內(nèi)、外雙門環(huán)應(yīng)用。未來，伴隨著碳排放要求和安全性能要求的日益嚴(yán)苛，一體式激光拼焊熱成形門環(huán)的應(yīng)用將日益普及。

注: 維氏硬度要求:Usibor2000鋼，520～640 HV30;Usibor1500鋼，400～520HV30; Ductibor1000 鋼，200～400HV30。

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轉(zhuǎn)自：熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

來源：陳嘉玥，祁學(xué)軍，劉勇，曹衛(wèi)林，許夢綺(嵐圖汽車科技有限公司，湖北 武漢 430051)

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