汽车轻量化：多部件集成热冲压成形技术研究及应用

在2023中国工博会暨（第五届）中国汽车新材料应用高峰论坛-汽车用钢铁材料论坛上，华中科技大学教授张宜生分享了汽车轻量化：多部件集成热冲压成形技术研究及应用。

背景

随着运营和战略挑战的交替，汽车业务变得越来越不稳定。

为控制车辆重量不断增加，提出了新的材料、结构及成形技术，以减少二氧化碳排放。

过去几代车辆中体重增加的主要是驾驶员，以及更严格的碰撞法规：

-增强的安全功能（例如ABS、ESP、更高的制动性能）

-增加了功能和便利性（例如HVAC模块、电动车窗升降器、NVH减震）

-增加车辆尺寸

由各种趋势驱动的当前减肥趋势：

-发动机小型化

-增加轻质材料的使用

-面向重量优化的车辆设计

大多数原始设备制造商都在采用多种材料策略，将黑色和有色金属与塑料混合使用。

据有关资料称，美国需要64年达到温室气体排放目标，从2022年开始，到2084年可能达到目标。

在轻量化结构中，先进的钢材为结构车身部件提供了最佳的重量减轻与节省比。

两大热冲压强化工艺：硼钢的热冲压强化成形；铝合金热冲压成形强化成形。

多材料成形与多部件集成热冲压

高强钢板热冲压成形的工艺，从单一零件，发展到多部件集成热冲压； 混合（hybrid）成形或多材料(Multi-Material)成形开始研究和应用。

比较碳纤维与钢或铝的性能并不容易。与碳纤维不同，金属通常是均匀的各向同性的，这可以确保在各个方向上都具有相同的特性。这里说的混合成形是以金属为主，CFRP作为补充。

中国的热冲压成形强化生产线的分布

中国建成和在建的热冲压成形生产线已达300+条。

2022年的中国汽车生产与热冲压装备进步

2022年，我国新能源汽车继续爆发式增长，市场占有率已达到 25.6%,产销量分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9%和 93.5%。

目前高强钢热冲压件在新能源车上的应用已经能达到39-43%。

截至2022年底，中国建成和在建的热冲压成形生产线已达300+条，中国热成形行业呈现蓬勃发展之势。

热冲压生产线出现高节拍和大吨位（宽台面）的发展趋势。

热成形研究与工程技术队伍日益壮大。

激光落料、激光切割和激光拼焊技术和设备的技术水平和规模，正努力实现与热冲压生产线的全面配套。

多部件集成概念与激光拼焊板成形技术

热冲压零件的变强度成形技术及应用

模具分区设定不同温度，降低软区的坯料冷却速率，实现冲压件的分区强化（TTP）

采用同一强度级、同以板厚的坯料；

模具分块设计为加热和冷却不同的温度控制系统，结构复杂，难以细分强度段；

模具的加热部分的隔热技术难度大，导致有效热能利用率低，能耗高。

铝硅镀层拼焊板：两种不同的技术路线

ArcelorMittal公司提出了镀层部分消融的方案，去除铝层保留中间层，并在全球申请专利保护。

宝钢第二代拼焊技术,彻底规避了现有铝硅镀层板拼焊专利, 是一种低成本拼焊方案。

实现优化的钢材设计---在正确的位置使用正确的材料

摒弃了镀层消融生产线，可以有效的降低设备投资 ；生产效率提高20%以上 ；实现了设备投入及生产运营成本的双降,市场竞争力强；焊接质量稳定、可控、再现性好,接头热冲压后的性能满足车厂要求,100%断于母材。

多部件集成概念与激光拼焊技术

热冲压成形强化（PHS ）密集型多部件集成（MPI ）设计

降低车身车间复杂度，降低模具投资；ICE-HEV-PHEV-BEV；材料特性的定制优化和有效的载荷传递；更复杂的几何形状；综合抗侵入和能量吸收管理：乘员+蓄电池；更轻的车体，更低的钢用量；集成材料优化减少模具和减少点焊量。

高强钢内外环的拼焊板热冲压应用（Acura ）

Acura创造了全球首创的内门和外门环系统，充分利用了这项技术并释放了巨大的设计可能性； 拼焊板可优化环的厚度，最大限度地提高材料性能和利用率。

多部件集成（MPI ）内外双门环

内外双门环将侧面结构中的28个零件,减少到每辆车4个零件。

热冲压成形强化（PHS ）密集型多部件集成（MPI ）设计

为了证明MPI概念的实际可行性，ArcelorMittal全球研发团队完成了对S-In运动型SUV车辆后H型车架的MPI分析®. MPI的H框架概念用一个取代了11个单独的部分。该解决方案可以应用于几乎任何动力传动系，只需添加补丁即可加强局部区域。

►MPI的H型车架设计表明，每辆车可以减少136个点焊，OEM车身车间的占地面积可以减少一半。每辆车的重量也减少了1.4公斤，这意味着由于钢铁产量的减少和车辆使用寿命的延长，二氧化碳排放量减少。

►每个MPI门环减重近10公斤

►ArcelorMittal的工程师们还将MPI概念应用于双门环。MPI概念将车辆每侧共13个部件组合在一起，每侧仅4个。每侧每点焊数量减少了122个，或整个车辆减少了244个。一般来说，使用MPI设计，车身质量减少约20公斤。

►ArcelorMittal现在正在为地板开发一种新的MPI概念。

►MPI框架结构在H尾梁、双门环和地板的MPI应用已通过相关的IIHS和欧洲NCAP测试。

►ArcelorMittal认为，MPI概念将为车辆的发展提供新的维度。未来几年，将与OEM合作确定和开发更多的MPI应用。

热冲压从数字化到智能化

数字化车间: 热冲压生产线与激光加工

热冲压智能制造从数字化车间开始。

数字化车间: 热冲压生产与激光加工流程的升级

Sigma IV ：高强钢多部件集成热冲压-激光加工数字化车间（2019-2025）。

热冲压生产：从数字化制造到智能制造

激光同步落料协同与热冲压生产系统的协同工作。

当落料件材质和厚度发生变化时，需要调整激光功率、焦点、辅助气体压力、矫平机参数和切割速度等工艺参数，才能保证切割质量。

完全数字化的热冲压生产车间：智能热冲压生产线

模具监控系统： 热冲压成形强化零件直接受模具的影响；模具的稳定性，影响零件的成形性和力学性能； 在生产线上，模具和工艺的控制从模具识别开始；模具识别可以避免操作错误，提高安全性。模具的工作状态监控，是流程管理的关键技术之一。

智能工艺控制：通过机器学习实现自适应生产控制。用模具ID号，关联零件的名称，材料，成形力，以及仿真数据；生产线数字伺服压机的执行流程与模具工作参数的匹配检验；比较生产（成形）数据与设计数据的差别，通过机器学习，修改计算模型；根据实际的设计与现场的模具性能差异，自动调整工艺参数，提高成形强化质量。

由于热冲压生产线节拍与激光切割机节拍不同步，单条热成形生产线要与多台三维五轴激光切割机才能匹配，方能满足整体产能需求。热冲压生产节拍基本不受零件大小的影响，而激光切割机的节拍受切割路径长短，切割时间也有所不同。 调整激光加工群的任务，进行动态调整，有助于与提高生产效率和设备利用率。 智能管理技术，可以协同热成形生产线与激光加工群的工作。

基于工业4.0的热冲压生产系统

热冲压智能应用系统：生产过程监控--用于全面了解所有与生产相关的数据。 传感器网络系统：传感器数据和装置信息（如压力机、加热炉、机器人和输送装置、冷却装置、
温度检测装置、视频监控装置和其他附加传感器）的收集。 根据系统的物理响应的需要，在运行周期内的多尺度数据采样率。

基于工业4.0的热冲压生产系统的研究及应用

Sigma-2 热冲压生产诸元的检测；Sigma-2热冲压生产诸元的自相关分析；Sigma-2 热冲压生产线的生产频度监测。

结论及展望

市场的未来发展及其影响

价格竞争力、全球影响力和质量领先成功参与市场的核心因素

要点总结

研究中确定的趋势预计将对冲压白车身和底盘组件产生积极影响。因此，预计市场将超过汽车生产增长，为供应商提供如果他们能够满足以下关键市场和采购标准，则业务稳定：

►成本竞争力提升（流程卓越）

►处于市增长中的场区域（主要在中国）

►在项目管理方面具有足够的开拓能力（尤其是全球平台）

尽管预计钢材将仍然是主要材料，但可能会需求原始设备制造商在其他方面具备竞争力材料。因此，供应商必须确立材料策略并监控不同类型的材料发展。

热冲压技术将是冲压组件的关键增长动力，到2025年，市场规模将增加近三倍，超过150亿欧元

►随着越来越多的供应商开始使用热冲压技术，通过内部能力分析可以更好地理清热冲压成本结构，竞争加剧，价格压力风险增加.

►进一步的技术改进是可能的（例如定制材料特性），为供应商提供了进一步增值的机会.

从宏观角度来看，环境条件预计仍将不稳定，对供应商的商业模式提出了特殊要求

►高度灵活性，因此供应商可以根据OEM数量，敏捷、低成本地调整运营

►密切监测汽车行业的潜在负面因素：当前的汽车产量预测显示产量在增长，但必须关注未来情况和基本假设可能会发生的变化。

热冲压成形的未来展望

到目前为止，高强钢热冲压成形仍然是先进材料成形技术，正广泛用于汽车车身制造。

在商业车底盘和车厢结构件中开始使用热冲压钢。

热冲压成形技术的未来增长很强劲，这一预测既是基于事实。单台车身的热冲压零件的数量正在大幅度增加。

热冲压零件的复杂性正在提高，例如门环等部件数量和种类成发展趋势。

目前还没有可以取代热冲压成形技术的替代技术。到目前为止，没有任何产品能够满足现有的高强钢热冲压零部件的质量和成本竞争力。

热冲压自动化和智能化设备，高性能大型复杂模具，高性能的激光落料、激光拼焊以及三维五轴切割设备，都在提高性能的前提下，大幅度降低车身零部件制造成本。

汽车销售将继续强劲增长，特别是在中国和北美自由贸易区，以及在同一地区电动汽车市场的增长表明，对热冲压组件的需求日益增加，这表明热冲压成形技术有着广阔的发展前景。

在数字化热冲压和激光加工装备基础上，才有可能建立起热冲压智能制造的必要基础。