【MFC推荐】一体式热成形门环方案应用现状分析

一体式热成形门环应用现状分析

热成形门环概念来源及门环制作过程见图1和图2，鉴于热成形门环的轻量化效果及性能优势，自阿赛洛开发出门环后世界范围内已有多个车型使用该技术，在不影响整车性能的前提下，单车可实现减重20%。因原材料、激光拼焊、模具等高技术及相关专利限制，铝硅热成形门环量产成本较高，裸板热成形门环仍存在较大技术难题，国内车型尚无热成形门环量产实绩，其中分件方案及门环方案优缺点对比如表1所示。

2.1 热成形门环原材料及热加工工艺

目前已量产的热成形门环材料是在传统22MnB5材料基础上加一层铝硅镀层，后续再热冲压成形达到抗拉强度超过1500MPa强度的材料。铝硅镀层热成形材料可有效避免热冲压过程的表面氧化，避免增加抛丸工序及抛丸工序对零件精度的影响，同时具有优异的防腐性能。但铝硅热成形门环板料价格昂贵，因此只在极少数合资/外资品牌的高档车型才有应用。图3～图4为阿赛洛国内申请专利相关内容，设计热加工工艺窗口、热成形后镀层结构等。

因铝硅镀层原材料价格昂贵且具有专利保护，因此，全球范围内均在研究推进裸板热成形材料及裸板热成形门环的应用，裸板热成形材料即原材料表面没有镀层，全球范围内钢厂均可实现稳定量产。但裸板热成形门环的推进，需解决从原材料、激光拼焊到涂装防腐、抛丸精度等全流程难点问题，目前全球范围均无量产先例，挑战巨大。

2.2 热成形材料激光拼焊工艺

现有非门环方案均采用分件方案，采用2个抗拉强度为1500MPa热成形零件及2个抗拉强度为600MPa左右的冷冲压零件点焊连接构成。热成形门环4个零件均采用抗拉强度为1500MPa热成形材料采用激光拼焊工艺连接，对应部位均做减薄处理，实现性能更优并达到轻量化效果。

阿赛洛公司的部分剥离铝硅镀层的激光拼焊工艺技术，在保证焊接性能的同时也能保证零件及焊接接头的防腐蚀性能，具有较强的技术先进性。该技术同样在中国范围内申请了专利保护（图5）。

裸板热成形材料激光拼焊既能有效规避该专利技术，同时在设备投入及人工投入等方面也具有显著优势。针对裸板激光拼焊，国内钢厂开发了无填丝激光拼焊和有填丝激光拼焊2种工艺，无填丝激光拼焊焊接设备投入少，不需要额外的送丝装置，依靠板材的自熔化实现板材的连接；而有填丝激光拼焊则是通过外加焊丝的熔化实现板料连接。2种激光拼焊工艺验证结果显示，2种激光拼焊材淬火前后拉伸强度均达到母材强度，且淬火前杯突试验都未出现沿焊缝开裂情况，但采用无填丝焊进行等厚板焊接时，由于局部熔体损失导致焊缝轻微凹陷，易出现拉伸沿焊缝位置断裂，而有填丝焊工艺则不存在上述问题。裸板热成形材料有填丝激光拼焊工艺得到成功开发。

2.3 一体式热成形门环焊缝选择及评价方法

一体式热成形门环应用过程中，需综合考虑门环力性能、材料利用率、激光拼焊成本等因素，门环可选择2道或多道焊缝，具体与车型设计及结构有关。2019年国内已量产的RDX铝硅热成形门环采用4道焊缝[7图6），在提升整车侧碰及偏置碰性能的同时，实现减重20%左右，最高减重达6kg。裸板热成形门环焊缝数量及结构同铝硅热成形门环选择要求一致，一体式门环分缝示意图见图7～图10所示。

热成形门环激光拼焊焊后技术要求主要包括以下3点。

a.激光拼焊板平板淬火前后焊缝区拉伸强度均达到母材强度；

b.淬火前激光拼焊板杯突试验不出现沿焊缝开裂形态（图11）；

c.淬火后拉伸断裂位置不出现在焊缝处。根据车企现有激光拼焊焊接质量技术要求，同时参考行业内激光拼焊规范以及激光焊接国际质量标准，形成该车型热成形门环板料焊缝质量评价标准，通过该标准，可准确评价焊缝质量是否符合技术要求，同时确保后续门环性能不受焊接性能影响。

一体式热成形门环应用难点分析

热成形门环相比于传统分件方案在整车刚度 和强度上有较明显的提升，特别是应对小角度偏 置碰和侧碰均有良好性能表现，但因零件尺寸大 模具状态难以匹配、性能调试经验不足、整体精度 控制难等问题、在应用上仍有较大难度，主要体现 在以下几个方面（表2）。

3.1 门环零件相关设备要求

由传统4～5个零件整体拼焊为一个零件，对焊接设备、焊接夹具、冲压机床、冲压模具、抛丸设备的尺寸提出了更高的要求。国内车型尚无量产门环，除受限于门环技术外，零部件供应商现有生产能力也较难满足。要开发出大型热成形门环零件，需匹配好原材料供应商及零部件供应商，做好充分调研准备。

3.2 热冲压成形性能

铝硅热成形门环因镀层润滑作用，调整好冲压参数，成形难点部位模具需重点研磨解决冲压开裂及起皱问题，后续量产一致性较好。

裸板热成形门环板料由于表面无铝硅镀层，摩擦系数加大，零件冲压易在减薄率大的位置出现开裂，此外裸板门环板料冲压还存在粘模现象，出件困难，难以保证冲压连续性，若涂油冲压，则对该问题有一定改善（图12）。

3.3 防腐蚀性能过往车型项目

涂装拆解结果表明，在分件方案下，环状区域的门槛内腔、A柱内腔、B柱内腔局部部位易存在电泳不良风险，在这些区域通常采用带镀层材料应对，也能达到防腐蚀效果。

裸板热成形门环设计过程中，电泳液不易进入腔体，因此需在满足碰撞性能前提下，设计通过增加电泳孔设计或调整零件间隙等措施，具体建议见表3所示，该设计方案可优化电泳效果，改善涂装防腐性能。

3.4 门环精度控制

作为热成形门环应用的料片准备工序，门环板料激光拼焊过程中因定位精度、焊接质量等问题，易造成门环料片区域性翘曲，量产快节拍更是对门环试片的夹紧及定位装置提出了更高要求。原材料供应商需匹配完善的夹具装置、定位装置、焊缝检测装置、焊后料片检测等设备，保障门环料片的尺寸精度及一致性。

热冲压过程中，零件前期精度保证需匹配工艺参数和精准的模具调试。其中，铝硅热成形门环因表面涂层因素，风险较小。裸板热成形门环在热冲压过程中表面易形成黑色氧化层，严重影响后续焊装质量及焊接强度，需进行抛丸处理。为保证门环精度，后续需持续优化抛丸工艺，确保门环量产精度及一致性。

3.5 零件力学性能

对门环零件上取样开展力学性能、硬度测试，前期测试过程中可能会出现门环存在部分位置强度偏低，可能与冷却速度、模具贴合、保压时间短等因素有关，后期需继续通过研合模具，提高模具与零件的贴合度、调整热冲压工艺进一步改善零件性能。图13以5道焊缝、1500MPa强度级别热成形门环为例，门环上部分区域取样，4处区域对比研磨及调整热成形工艺前后，拉伸力学性能及硬度测试结果均有明显差异，性能差异示例如表4所示。

结束语

对一体式热成形门环在车型上的应用做了研究分析，阐述了目前门环应用现状，同时针对某车型门框结构优化，对比了分件方案及门环方案的优劣势，对比分析显示，热成形门环应用具有显著的轻量化效果和性能提升，但铝硅热成形门环成本较高，后续应加大裸板热成形门环的推进应用；对裸板热成形门环应用过程中出现的问题也提出了相应的解决方案，为后续车型门环方案的设计提供的有效参考。

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