热成型钢应用场景和工艺盘点|冲压_新浪财经

随着碰撞安全车身轻量化要求的提升，以及热冲压成型工艺发展的成熟。目前高强钢热冲压件在新能源车上的应用已经大幅度增长到了39-43%，零件数量平均在二、三十件，从公斤数来看也在不断增加。现阶段中国建成的热冲压生产成型线已经达到了300多条，呈现蓬勃发展之势，按照国内汽车产量上探到3000万辆车每年的话，以及整车出口市场的增加，整个热成型行业以及市场还有很大发展的空间。

一

热成形钢应用场景

热成形技术是一种专门用于成形超高强度钢板冲压件的成形技术。该技术可以在高温下冲压板材，同时在模具中冷却淬火，从而形成强度高达1500MPa的冲压件。目前广泛应用于汽车车身结构件的生产，如车门防撞梁、前后保险杠A柱、B柱、中间通道等。如下图所示。

采用热成形钢板冲压件的零件通常是车身碰撞传力路径的安全结构件，大多要求具有高强度，起到防止碰撞时过分变形、入侵乘员生存空间的作用。同时对零件的韧性有一定要求，比如车门防撞梁、B柱等，在发生碰撞发生变形时，不能过早弯折断裂，以起到吸收能量的作用。

由于轻量化及对碰撞安全的要求越来越高，热成形钢在汽车骨架上的应用比例也在不断扩大。如下图，以Volvo为例，XC90在2015年热成形钢单车用量已从第一代的7%提升到38%。国内车企大幅提升热成形钢应用占比，部分电动车企开始在电池包结构件上量产应用热成形钢。

二

材料性能要求

为了保证乘员舱的完整性和防撞性能，一般对热冲压材料（通常指1500MPa和1800MPa的硼钢）有如下需求：

1. 高的材料强度；

2. 良好的弯曲断裂韧性；

3.均匀的组织性能；

4.合适的成本；

5.镀层材料还需求较好的耐蚀性（分为镀AS、镀锌和裸板）；

6.良好的热处理工艺性能（奥氏体化温度、临界冷却速度）；

7.良好的点焊、激光焊性能。

当然，现在随着汽车安全件的精细化设计需求，除了需求越来越高强度的硼钢（22MnB5、28MnB5、34MnB5）外，也需要中等强度的高韧性的热冲压材料作为软区材料，例如B柱的下端使用低合金高强钢6Mn6等，此类材料的需求为高弯曲韧性、良好的可焊性、较大的临界冷却速度，室温组织可以为铁素体、珠光体或马氏体组织。

三

行业用材分析

行业用材——基材：

①硬区：目前热冲压钢板主要应用的是1500MPa和1800MPa强度级别的材料，用作硬区部位，即需要超高强度来减小或防止变形的部位。

②软区：基于激光拼焊（TWB，Tailored Welded Blanks）技术的成熟，500/600MPa、1000MPa、1200MPa等强度级别的材料用于激光拼焊件的低强度部位。

如下图沃尔沃XC90车型的纵梁和B柱的端部（黄色区域）设计为软区。该部分材料VDA弯曲角一般远大于热成形后的1500MPa材料，碰撞时有效变形行程较大，起到吸能的作用。

• 表面涂层：

①常规镀层材料：安赛乐米塔尔在华专利CN108588612B，对常规涂层（镀层重量70g/m2，热冲压后总厚度30-50μm）的工艺窗口、涂层结构与厚度做了严格限定，致使该材料处于安赛乐米塔尔及其授权公司（现代制铁、新日铁、VAMA、TKS等企业）垄断中，价格相对较高、货源比较单一、供货周期较长。国内宝钢、首钢、唐钢、马钢等钢厂也在批量供货该类材料，以宝钢为例，主要通过错开加热窗口来规避专利，但由于AM在不同国家和地区专利权利要求的差异，国内钢厂材料在欧盟、北美、日韩、巴西等主要汽车市场使用和销售时需特别关注专利侵权问题。

②薄镀层材料：2019年苏州育材堂公司（东北大学易红亮教授团队）发明了降低涂层厚度（热冲压后涂层总厚度10-25μm）的薄镀层新材料，调整工艺窗口（提高温度、缩短时间）；可错开安赛乐米塔尔的加热窗口，热处理后镀层厚度和结构也可规避安赛乐米塔尔专利限制，目前授权国内TAGAL和马钢两家钢铁企业生产，已获得GM、长城、奇瑞、一汽、东风、岚图等国内外数家主机厂认证通过或在认证中。

③裸板材料：表面无镀层的材料为裸板材料，该材料无镀层专利，可采用国内外诸多钢厂材料，如蒂森、现代制铁、首钢、宝钢、本钢、马钢等等。相对镀层材料，裸板原材料成本低，但是由于裸板在加热时会氧化，表面生成一层氧化皮，通常需增加抛丸工序进行表面处理，若控制不当，抛丸后还会有一定的变形，且会污染环境。由于裸板材料的韧性高于铝硅镀层板，原材料价格相对于铝硅镀层板低，其应用较广泛。

行业用材趋势

由于碰撞安全、轻量化、低成本、防腐效率的持续高需求，引导热成形钢在高强度、高韧性、经济性耐蚀三大方向的研究与应用趋势。

高强度（硬区）：1500MPa、1800MPa、2000MPa。

高韧性（软区）：500MPa、1000MPa。

经济耐蚀：薄镀层热成形钢、新型无镀层表面抗氧化材料。

四

零件生产工艺

• 一般零件

热冲压零件的典型生产工艺如下图（铝硅板），主要核心工序包括：加热（奥氏体化）——淬火成型——激光切割。裸板的生产在淬火后还有一道抛丸工序。

• 特殊工艺零件

由于碰撞安全对不同区域材料的规格、性能需求不同，为满足不同需求的精细化、定制化设计，并体现出轻量化收益，近年来已广泛量产应用TWB（激光拼焊）、TRB（变厚度轧制板）、Soft zone（强度软区，分模内与炉内2种）、Patch（补丁板）四种创新工艺，如下图为沃尔沃XC90同时使用到的4种工艺示意图，其中B柱使用到TRB+TWB的组合工艺。

①TWB（激光拼焊）

材料需要在激光拼焊厂拼焊成二次板料，再运送到热冲压厂进行加热淬火成型，以GONVAMA的激光消融焊为例，拼焊料的典型生产工序如下图6a)。目前可供货供应商包括GONVAMA、宝钢TB、宝钢阿赛洛、鞍钢钢加，工艺有消融焊、填丝焊、消融+填丝焊等。

具有多种等级和厚度的激光焊接门环，可以减少非关键区域的面板厚度，从而有助于减少零件的整体质量。B柱底部的低强度产品有助于在发生侧面碰撞时消散碰撞能量，在碰撞能量管理中发挥关键作用。

②TRB（变厚度轧制板）

它是通过柔性轧制工艺生产的金属板，即在钢板轧制过程中，通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材。其生产示意图如下图，目前可供货供应商包括Mubea、东宝海星。

目前国内外应用VRB技术的车型主流应用技术的典型结构特点，如下表所示：

应用部位：集中在B柱、地板纵/横梁、座椅横梁、前防撞梁等部位，主要为车体碰撞传力梁（薄区变形吸能，厚区高刚性），其中B柱应用最多；

成形工艺：VRB零部件的成形以热成形为主，主要通过热压成形钢（Hot Press Forming Steels,HPF）+VRB的工艺组合实现碰撞传力件的碰撞性能和轻量化的最大化；

厚度分布：一般有5～8种厚度，范围1.2～2.7 mm，最大厚度分布在上铰链区域（1.7～2.7 mm），两侧厚度近似对称且逐渐递减，最小厚度分布在两端（1.2～1.5 mm），具有中间厚两端薄的典型特点，如下图所示；

搭接结构：与周边件搭接采用零间隙贴合设计

典型应用结构

③Soft Zone（分区强化）

热成型强化分区工艺是指板料原料为一个等厚等强度料片，通过特殊工艺（模内分区加热、炉内分区加热）实现不同区域、不同强度的功能。

同一个零件上分成了几个区：硬区和软区，硬区抗拉强度仍为1300MPa以上；软区抗拉强度则为500MPa-800MPa。

下图为本田雅阁车型（北美版）使用的分区强化示意图。该技术无专利限制，可自主开发应用，但是由于需要增加加热控制装置（固定投资，热冲压厂投资100-200万），加热部位的镶块需要高热疲劳材料（170-180元/kg）且需铺设加热丝，因此模具成本上升20%左右。如果不能规模化应用，节拍和收益不大。

一般年销量在20万以下车型不建议使用。对于年销量大的车型，使用该工艺相对TWB和TRB工艺可显著降低料片成本。目前大众、福特、本田等几家车企应用较多，大部分车企基本没有应用。

④Patch（补丁板）

补丁板技术通常是在热冲压零件需个别加强的区域，预先在坯料上焊接好另一块或数块热冲压材料，然后一起加热并在同一套模具内一起淬火成型，从而实现不同区域的不同料厚和结构强度。该工艺可以节省冲压模具，综合成本相对较低，是广泛采用的工艺。但是需特别注意尽量避免补丁板很厚，这样会增加与基板的厚度差，对后续加热和淬火保压控制不利。

图为岚图FREE车型使用的补丁板技术示意图。岚图FREE还全球首发了TRB+PATCH补丁板的复合热成型方案，A柱加强版通过该方案优化，实现减重0.9kg，同时保证了25%小偏置碰撞与车顶静压的性能。