钢材最新轻量化技术:超高强度钢板/激光拼焊板板材/液压成形

超高强度钢板/激光拼焊板板材/液压成形

2016/08/02

概要

 应用CFRP及铝合金的轻量化技术正不断发展。另一方面,使用钢材的轻量化技术也着实进步着。本次报告从2016横滨日本汽车工程学会的展示及研讨会的演讲内容中抽取部分,着重介绍热模锻材、超高强度钢板、激光拼焊板材、及液压成形等钢材的最新轻量化技术动向。

 各大整车厂将热模锻材和超高强度钢板作为驾驶舱周围的骨架结构件进行采用。特别是车体侧边,为防止受侧面碰撞时造成的变形,该部位需要具有较高强度,板厚也会相应增厚。所以,该处也是最新轻量化技术效果最明显的部位。丰田普锐斯的前柱由激光拼焊的超高强度钢材组成,可减少下半部分的板厚,实现轻量化。

 慕贝尔 (Mubea) 的激光拼焊板材在辊轧成型时,可根据部位变更板材厚度。在制作薄片状板材时,可实现极细腻的厚度变更。大众高尔夫及福特福克斯的B柱等均使用该材料。

 此外,蒂森克虏伯开发出同时具备高拉伸强度及高延展性的钢板材来适应未来市场。如此,在驾驶舱周围等部位,可吸收冲击能量抑制变形。此外,在发动机舱等以能量吸收为主的部位,也可使用该钢板抑制变形。如此,便可考虑提高车身骨架结构的开发自由度、提高碰撞安全性及进一步加强轻量化。







 

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热模锻材及超高强度钢板在车身骨架结构上的应用情况

 近来车身骨架结构的基本思路为,允许前纵梁等发动机舱部位受正面碰撞时发生适当变形,吸收能量。另一方面,前柱、B柱及侧梁等驾驶舱周围的骨架部位,则需要抑制变形,确保车内人员的生存空间。特别是车体侧边,受侧面碰撞时,必须将变形抑制到最小。因此,各部位所使用的材料也需要具有不同特点。车体侧边需要高硬度高强度的钢材,最近趋势为多使用超高强度钢板及热成型材。此外,需要吸收冲击的侧梁处则使用冷成型材,来增加其延展性。

Audi A4 車体構造 資料:Audi
奥迪A4车身结构 资料来源:奥迪

 上图为奥迪A4三厢车的车身结构,发动机舱等缓冲区使用铝合金及冷成型钢材。而驾驶舱周围的骨架结构多用热模锻材(图中紫色区域:hot-formed steel)。特别是车体侧边的A柱、B柱、侧梁内部等,热模锻材的使用更是集中。

Mercedes-Benz C-class 車体構造 資料:Mercedes-Benz
梅赛德斯奔驰C级 车身结构 资料来源:梅赛德斯奔驰

 上图为梅赛德斯奔驰C级车的车身结构,发动机舱使用铝合金及冷成型钢材。而驾驶舱周围的骨架使用热模锻材(hot-formed steel)及超高强度钢板(ultra-high-strength steel)。


トヨタプリウスの車体構造 資料:トヨタ自動車
丰田普锐斯的车身结构 资料来源:丰田汽车

 上图为丰田普锐斯的车身结构,与奥迪A4及梅赛德斯奔驰C级相同,驾驶舱周围的骨架材料使用热模锻材——980Mpa级超高强度钢板。前柱、B柱、侧梁等车体侧边集中使用高强度材料。

新型プリウスフロントピラー
新款普锐斯前柱
新型プリウスのBピラー
Lexus LS的B柱

 上图为,2016横滨日本汽车工程学会上双叶产业所展示的普锐斯的前柱及Lexus LS的B柱。2款部件均采用激光拼焊板材,该材料利用激光焊接技术,将两种板材进行拼接,再通过冲压成型得到。从照片上可以看出,前柱与B柱上均有激光焊接部,以此为界,支柱的上下两部分板厚发生变化。在截面积较大的支柱下半部分,板材产生的应力较小,可以适当消减板材厚度,减轻重量。新款普锐斯的前柱本身为超高强度钢板,板厚较薄,再加上激光拼焊技术,进一步实现了轻量化。



轧制差厚板的应用实例

 对上文叙述的激光拼焊板材进一步优化后得到的便是轧制差厚板。代替激光焊接结合多种板材的方法,板材在辊轧成型时,根据需求直接精确变更厚度制得板材后,对其进行冲压成型。

福特福克斯的B柱(下半部分)
福特福克斯的B柱(下半部分)
福特福克斯的B柱(上半部分)
福特福克斯的B柱(上半部分)

 上图照片为日本汽车工程学会上,慕贝尔展示的福特福克斯B柱。B柱的下半部分厚度为1.35mm → 2.3mm → 2.1mm → 2.4mm → 2.7mm → 2.4mm → 2.1mm,板厚的变更极为细腻。B柱是受侧面碰撞时保护乘员空间非常重要的骨架部位,需要将冲击变形抑制到最小。一方面,考虑到减轻重量,必须消减不必要的板厚,所以截面形状较大的最底部板厚消减至1.35mm;B柱中央需要承受包括门铰链在内较大的力,所以板厚为2.7mm。通常的激光拼焊板材需要通过拼接厚度不同的钢板,所以拼接部分的厚度变化呈阶梯状。与此相对,轧制差厚板在1/100的倾斜变化范围内可实现板厚的平滑渐变。与通过激光拼接的激光拼焊板材相比,板厚变化部位没有焊缝,没有加工硬化,所以不会集中应力,可以防止发生侧面碰撞时以此为基点产生裂缝。

不等厚拼焊板在福特福克斯B柱上的应用实例 资料来源:慕贝尔
轧制差厚板在福特福克斯B柱上的应用实例 资料来源:慕贝尔

 下文用慕贝尔的资料说明传统结构B柱与轧制差厚板的应用实例——福特福克斯B柱实例的比较结果。传统结构上,B柱加强件由板厚2.0mm及1.4mm的两部件组成。相同强度刚性的部件上,轧制差厚板为根据部位不同板厚从1.35mm到2.7mm内变化的一个完整部件,可减少零部件数量。并且,重量可减轻1.3kg(10%)。

 如上图右下部福特福克斯的材料排样图所示,将同一B柱的原材料上下放置,可提升钢板的材料成品率。B柱呈上窄下宽结构,比起同方向放置材料的排样方式,上图所示的将相邻两部件上下翻转放置的排样方式可大幅减少材料浪费。而且,该款轧制差厚板的精妙之处在于,8段板厚变化中,通过将B柱的上侧7段(包含渐变区,共13段)设定为上下对称的尺寸,实现上下翻转的排样方式。不仅是轻量化,还可看出该公司在降低成本方面的用心。

慕贝尔公司的不等厚拼焊板 资料来源:慕贝尔
慕贝尔公司的轧制差厚板 资料来源:慕贝尔

 上图为慕贝尔轧制差厚板的制造工艺,通过控制蓝色滚轮的位置,实现柔性轧制,来自由控制板厚。可分别制作定板厚部位与渐变部位,通过细微调节优化板厚,不仅确保了刚性及强度,更可实现轻量化,降低成本。该材料主要被欧洲・北美整车厂广泛采用。



轧制差厚板的液压成型应用实例

不等厚拼焊板的液压成型应用实例 资料来源:慕贝尔
轧制差厚板的液压成型应用实例 资料来源:慕贝尔

 下文介绍轧制差厚板液压成型钢管材的应用实例。由上文介绍的柔性轧制工艺制得各部位板厚各异的板材,将板材焊接制得钢管材。然后,将钢管材通过液压成型折弯加工得到成品。上图为奥迪A4、Q5、A6、A8所采用的后悬梁前后方向的框架。

 液压成型可实现中空钢管材的复杂形状折弯成型,截面形状也可变化。将钢管材放入阴模后,向管材内部注入液体,阴模冲压成型的同时,向液体施加高压,从而得到产品形状。悬梁的框架部多采用此方法。

 本次介绍的奥迪实例中,板厚最薄的部位为1.8mm,最厚的部位为3.6mm,在同一部件内调整板厚制得成品。以往的结构为,在一定板厚的基础上,分部位减半厚度,得到成品。

 奥迪A4、Q5、A6、A8四款车上,加上2WD与4WD的配置区别,通过调整轧制差厚板材的板厚,只需1种液压成型模具便可实现全6种悬梁的制作。液压成型时,钢管材板厚不同的情况下,即使内径尺寸稍有不同,但只需保证外径相同,便可共用同一种液压成型模具。因此,6种款式的零部件可以用一种模具来一体成型。

奥迪4车系所共用的液压成型部件 资料来源:慕贝尔
奥迪4车系所共用的液压成型部件 资料来源:慕贝尔


未来的热模锻材(热成型材)与冷成型材

 2016横滨日本汽车工程学会的研讨会上,蒂森克虏伯围绕未来的热模锻材(热成型材)与冷成型材进行了演说,下文为其内容介绍。

车身骨架结构中热成型材与冷成型材的使用实例 资料来源:蒂森克虏伯
车身骨架结构中热成型材与冷成型材的使用实例 资料来源:蒂森克虏伯

 如上图所示,现阶段热模锻材(热成型材)与冷成型材的主要使用区别为,发动机舱等需要吸收正面碰撞能量的部位主要使用冷成型材;为确保乘员空间的驾驶舱周围骨架,特别是侧面碰撞时抑制变形至最小的车体侧边,则采用热模锻材(热成型材)。

Thyssenkrupの鋼板材の将来開発目標 資料:Thyssenkrup
蒂森克虏伯钢板材的未来开发目标 资料来源:蒂森克虏伯

 上图左侧说明了热成型钢板用于B柱时的轻量化案例。如上所述,为确保发生侧面碰撞时乘客的空间,B柱对抑制变形有重要作用,需要高强度。为提高强度板厚需要变厚,但使用高强度钢板可以使板厚变薄、变轻。蒂森克虏伯把800MPa级冷成型用双相钢、板厚2.0mm的B柱改为1500MPa级热成型用锰硼钢,可减轻15%的重量。
 上图右侧说明了冷成型和热成型用钢材的特征。相比冷成型钢材 (蓝色),蒂森克虏伯的高锰钢硼钢三层复合材料TriBond可同时对应碰撞性能 (抗变形) 和零部件的复杂性 (成型性)。TriBond是以1500MPa级锰硼钢为主,外侧夹杂500MPa级锰硼钢的三层构造,满足适度的拉伸强度和弯曲性能。

蒂森克虏伯的新一代热成型材及冷成型材 资料来源:蒂森克虏伯
蒂森克虏伯的新一代热成型材及冷成型材 资料来源:蒂森克虏伯

 蒂森克虏伯研究开发未来冷成型材,即第三代高强度材料——先进高强度钢(Advanced high-strength steel (AHSS))。该材料定位在现有高强度钢(High-strength steel:HSS)与超高强度钢(Ultra high-strength steel:UHSS)之间,以是同时获得“高拉伸强度”及“高延展性”为目标。并且,该公司同时开发具备“高拉伸强度”及“高延展性”的热成型材。

蒂森克虏伯新一代热成型材与冷成型材的应用实例 资料来源:蒂森克虏伯
蒂森克虏伯新一代热成型材与冷成型材的应用实例 资料来源:蒂森克虏伯

 蒂森克虏伯的目标产品——新型热模锻材(热成型材)及冷成型材一旦实现,便使同时具备可抑制变形的高拉伸强度及吸收冲击能量的高延展性钢材成为可能。如此,驾驶舱周围等需要抑制变形的部位可使用吸收能量的材料;发动机舱等以吸收能量为主的部位也可使用抑制变形的钢板材料。如此,不仅能提高车身骨架结构的开发自由度,而且能进一步提高碰撞安全性及实现轻量化。

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