【MFC推荐】新一代汽车用热冲压钢及其激光拼焊技术

01研究背景

热冲压钢是实现汽车轻量化的重要技术手段，有效解决了高强钢在冷冲压时存在的回弹大、模具磨损严重、零件易冲压开裂等问题。为避免热冲压钢加热和转移过程中氧化和脱碳，1999年国外钢铁巨头开发了热冲压钢铝硅镀层技术，并获得专利授权。

2006年以来，针对汽车车身不同应用场景，国外钢铁巨头先后开发了1500MPa、500MPa、1000MPa和2000MPa强度级别铝硅镀层热冲压钢，并在全球汽车工业实现了大规模应用，全球年用量达到400万吨以上，其中我国市场约100万吨/年。激光拼焊是将几种不同厚度、不同材质的钢板激光焊接后整体进行冲压成形（如图1所示），具有安全性高、材料利用率高、冲压效率高等特点，是合适材料用在合适位置的典型加工方法，已成为汽车零件生产的主流趋势。

20多年来，国外钢铁巨头已完成了铝硅镀层热冲压钢及其激光拼焊技术的全球专利布局，独家垄断着全球市场，全球汽车企业均要为其额外付出高达数千元每吨的使用成本。即使以宝武集团为代表的国内钢铁企业通过专利无效手段使其在中国的相关专利无效，但其全球化的专利布局依然制约着各大汽车企业的应用，中国车企近年来的海外计划也因此受到严重的影响。

随着汽车轻量化和碰撞安全性对材料性能要求的提高，现有铝硅镀层热冲压钢还面临韧性不足的问题。同时，现有铝硅镀层热冲压钢在激光拼焊时需剥离镀层，该工艺需要投入昂贵的生产线，同时降低了焊接效率，大幅增加了零部件的生产成本。

基于上述背景，针对我国“卡脖子”热冲压钢及其产业化关键技术，东北大学易红亮教授和徐伟教授团队将开发新一代高韧性铝硅镀层和免镀层热冲压钢及其激光拼焊技术，打破国外钢铁巨头技术垄断的同时解决其产业化过程中一系列“痛点”。

02关键共性技术内容

2.1高韧性铝硅镀层热冲压钢及其激光拼焊技术

前期易红亮教授团队创新热冲压钢铝硅镀层和基材技术，开发了1000-1500-2000MPa全强度系列高韧性铝硅镀层热冲压钢，相比国外钢铁巨头同强度产品韧性提高10%-20%，并实现万吨级应用；

开发了铝硅镀层热冲压钢免镀层剥离直接激光拼焊技术，实现焊接效率提升30%。在此基础上，团队将进行以下研究工作：

1）开发2200MPa级超高强度铝硅镀层热冲压钢，淬火态抗拉强度≥2200MPa，回火态≥2000MPa，延伸率≥6%，VDA三点弯曲角≥40°，进一步实现车身轻量化；

2）开发适用于激光拼焊一体化门环的柔性变间隙填丝焊技术，解决激光拼焊工程稳定性关键技术问题，并建立高韧性铝硅镀层热冲压钢激光拼焊评价方法和评价准则；

3）针对汽车门环的生产，开发基于机器学习的激光拼焊门环设计优化算法，综合考虑车身制造过程中焊接成本、材料利用率和安全性能等目标，自动化完成焊缝和排样优化，大幅缩短生产时间，提高材料利用率，解决激光拼焊门环多目标优化关键技术问题。

2.2免镀层热冲压钢及其激光拼焊技术

前期徐伟教授团队提出免镀层热冲压钢概念，通过合金成分设计避免热冲压加热过程严重氧化，无需热冲压前涂镀铝硅镀层，开发了1000MPa和1500MPa级免镀层热冲压钢。在此基础上，团队将进行以下研究工作：

1）突破2000MPa级免镀层热冲压钢技术，实现屈服强度≥1500MPa，抗拉强度≥1950MPa，伸长率≥6%，VDA弯曲角≥50°，形成1000-1500-2000MPa全强度系列免镀层热冲压钢技术；

2）开发免镀层热冲压钢激光拼焊一体化门环技术，实现1000-1500-2000MPa不同强度、厚度级别激光拼焊焊缝高速拉伸、延迟开裂均不发生焊缝断裂，焊缝与基体氧化铁皮均<1μm，热冲压后可不经过抛丸处理直接涂装，免镀层热冲压钢门环对比目前1000-1500MPa门环减重10%以上。

03研究技术路线与实施方案

3.1高韧性铝硅镀层热冲压钢及其激光拼焊技术

1）针对2000MPa级以上热冲压钢韧性不足的问题，研究马氏体形态和夹杂物尺寸对热冲压钢韧性的影响机理，通过合金成分设计，抑制脆性孪晶马氏体和大尺寸夹杂物生成，开发2200MPa级高韧性热冲压钢生产技术；结合前期开发的热冲压钢高韧性薄铝硅镀层技术，开发2200MPa全强度系列高韧性铝硅镀层热冲压钢。

2）针对高韧性铝硅镀层系列产品的一体式热冲压门环，激光拼焊设备允许的间隙不超过0.2mm，设计0-0.2mm柔性间隙动态适应的填丝焊技术及其相应的焊丝，一种焊丝可同时满足1000-1500-2000-2200MPa材料任意强度组合的焊接要求，覆盖1.0-3.0mm钢板厚度范围，且可兼容工程公差导致的0-0.2mm动态变间隙，解决高韧性镀层产品的激光拼焊稳定性技术难题。

对比目前厚镀层材料采用的脉冲激光镀层剥离+自动填丝拼焊技术，新技术目标达到相同的产品稳定性，但减少镀层剥离工艺环节，使门环拼焊成本降低30%；对比目前采用的0.2-0.4mm预间隙填丝焊技术，因高韧性镀层材料的高可拼焊性，大幅提升焊缝稳定性和焊接速度。

3）基于人工优化车身设计基础、车身碰撞全数字仿真、热冲压成形仿真基础，建立激光拼焊结构优化设计-材料数据与热冲压成形高精度仿真-车身设计优化等多维度同时考虑的多目标车身优化设计；基于材料技术基础、激光拼焊工艺技术、激光拼焊技术装备自动化与数字化技术基础，发展基于“Al-Si镀层-激光拼焊-热冲压成形-汽车应用”的全产业链激光拼焊智能制造体系。

3.2免镀层热冲压钢及其激光拼焊技术

1）全强度系列免镀层热冲压钢制备技术：提出微合金化+细晶强化+残余奥氏体韧化的联合强韧化手段实现2000MPa级免镀层热冲压成形用钢的制备，解决2000MPa级免镀层热冲压钢合金成分设计、热冲压过程氧化铁皮控制、热轧和酸洗表面处理问题。

2）免镀层热冲压钢激光拼焊一体化门环技术：提出免镀层热冲压钢直接激光拼焊技术，打破现有激光剥离技术专利垄断，大幅降低抗氧化热冲压钢激光拼焊成本；提出激光拼焊过程中免镀层钢焊缝氧化行为控制技术，确保焊缝在热冲压前表面质量；通过对不同强度、厚度级别免镀层冲压钢激光拼焊焊缝力学性能与氧化行为研究，提出免镀层激光拼焊板的评价准则。

3）免镀层热冲压钢动态变形的跨尺度有限元模拟技术：提出免镀层热冲压钢动态变形的跨尺度有限元模拟技术，通过对材料应变速率敏感性及位错密度演化等变形机理的系统研究，建立免镀层热冲压钢的物理本构模型，实现免镀层热冲压钢在成形及服役过程中力学行为的精准模拟与仿真，显著降低研发成本、提升研发效率。

04研究计划

在上述原有相关技术研究与开发基础上，计划用3年时间完成新一代汽车用热冲压钢及其激光拼焊技术的开发和产业化应用，具体计划包括：

◆ 2023年，继续进行前期开发的1000-1500-2000MPa高韧性铝硅镀层冲压钢的推广应用，完成2200MPa级铝硅镀层热冲压钢的实验室研发与工业试制；突破1000MPa、1500MPa级不同厚度及强度级别免镀层热冲压钢直接激光拼焊技术，完成2000MPa级免镀层热冲压钢的成分设计与实验室验证。

◆ 2024年，突破激光拼焊柔性搭配万能变间隙填丝焊接技术，解决激光拼焊工程稳定性关键技术问题，实现1000-1500-2000-2200MPa全强度铝硅镀层热冲压钢激光拼焊门环稳定量产；实现1000-1500-2000MPa全强度系列免镀层热冲压的不同强度、厚度钢板的激光拼焊门环制备，提出免镀层激光拼焊板的评价准则。

◆ 2025年，实现1000-1500-2000-2200MPa全强度系列铝硅镀层热冲压钢工业应用10万吨/年，激光拼焊门环100万件/年应用；实现免镀层热冲压钢动态变形跨尺度有限元模拟技术的仿真应用，实现零件成形和碰撞过程的有限元模拟，结合碰撞实验结果，评价零件安全性。

05预期效果

本项目以钢铁产业为源头，以汽车产业为终端，基于全产业链，开发新一代汽车用热冲压钢及其应用技术。本项目将建立我国热冲压钢及其激光拼焊技术自主知识产权体系，打破安赛乐米塔尔集团长达20多年的技术垄断，相比现有技术，成本进一步降低的前提下使车身零件减重10%-20%，在国内和国际汽车企业实现500-1000万辆/年的产业化应用。该项目的实施将建立我国汽车车身技术自主创新和研发体系，加速汽车钢材料技术和车身技术全球技术引领，带动钢铁和汽车产业升级，同时助力国家“双碳”战略目标的实现。

新一代汽车用热冲压钢及其激光拼焊技术

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