熱衝壓：采用激光技術打造局部軟化區

鋼坯在熱衝壓工藝的第一階段進入爐內。將坯料加熱到900℃以上，使得它們在將鋼轉變為完全奧氏體相時更具延展性。

在20世紀70年代早期開發的率先用於為小刀、割草機刀片和鏟子提供耐磨性的熱衝壓成形技術中，能夠一次完成成形/淬火工藝，這被視作替代冷衝壓和二次批量淬火的一種手段。今天，基於汽車輕量化和安全趨勢，熱衝壓技術再次站上了舞台的中心。

經過數十年的研發，熱衝壓已曆經幾輪技術變革，如今它儼然成為生產那些汽車前部和後部碰撞易損零部件的一個切實可行的工藝，不再僅是停留在早期的汽車防撞梁和支柱等的加工應用。西班牙汽車零配件製造商北美地區的研發總監Paul Belanger表示，該工藝的關鍵點是能夠在部件加工中創建更明確的軟化區。

“將高強度鋼移至碰撞區或許是基於對軟化區的控製，”Belanger說道，“而相關的設計以及通過碰撞事件了解部件的運動學，顯然能夠助力減重。”

相比傳統的冷衝壓，熱衝壓使高強度鋼更有效地通過成形工藝被打造為各種複雜的形狀。通常，將鋼坯料送入隧道式或堆疊式烘爐中，並加熱至坯料具有可鍛性的溫度（高於900℃）。由於需要控製衝速並預留保壓時間，坯料會被送入液壓型壓力機進行成形加工，緊隨其後的是3-10秒的模內淬火——這也是模內水路存在的意義。就加熱和淬火過程而言，前者將鋼材完全轉化為奧氏體相，而後者則將鋼完成轉化為馬氏體相——目的是產生硬化材料，同時不會過度加壓模具，因此材料在達到其最終的硬化狀態前能夠更容易地進行成形加工。

通過這個流程，超硬鋼被加工為複雜的形狀，從而產生輕質而堅固的部件，否則往往需要將較厚、較重的冷衝壓部件焊接在一起。

通過使用改進的驗證措施，如先進的成形和碰撞模擬數據和軟件，本田汽車（Honda）和Gestamp能夠在熱衝壓工藝中更好地定位模具中的軟化區，在生產2015款本田思域Civic車型時的後排行李架導軌時，考慮其軟化區特性，這樣可以在之後的碰撞時提升撞擊能量吸收能力。這一進展為兩家公司贏得了美國鋼材市場發展研究所（SMDI）頒發的“2016年汽車卓越獎”。

激光技術適宜定位軟化區域

就Gestamp公司而言，作為歐洲最早開始使用熱衝壓技術的企業，現在他們正努力使用激光技術在衝壓流程後創建軟化區域。

如今，在冷卻過程中，通過改變冷卻水的冷卻路線，可以將軟區放置在模具內部的某一區域，冷卻段變小後則能成為軟區。憑借先進的模擬軟件以及優化的碰撞測試數據，Gestamp一直在使用激光技術更好地定位軟區，這也是被Belanger稱之為的“第四代熱衝壓技術的演變”。

“激光技術非常有選擇地軟化了熱衝壓部件，擴展了可被軟化的區域，並且在複雜的幾何形狀下使部件在衝撞過程中更有效地發揮作用，”他解釋道。

為了保持熱量，坯料快速地通向壓機，並配有專門用於成形和淬火的模具。

根據Belanger的說法，歸功於Gestamp的驗證工作，這種選擇性的軟化區的創建已獲得成功。

“我們確實有一個廣泛的驗證計劃——從基礎啟動，先了解材料屬性，然後對那些開始使用該材料進行設計的模型進行建模，”他表示。“了解材料的流動特性很重要，特別是在目標軟化區域。然後我們將其按比例擴展到簡單的帽形截麵，並在那些帽形截麵上確定三點彎曲和軸向擠壓點。鑒於此，我們確保可以將模型與在物理測試中觀察到的相互關聯。我們一直不停歇地驗證，直至對整部車輛完成舒適的設計和建模。這是我們生產本田汽車後排行李架導軌的方法。”

結合激光切割優勢

“熱衝壓通常用於常規加工，激光技術則被用於後續的工藝流程，”Belanger解釋道。 “激光技術可以針對某些區域，在特定位置進行再加熱和回火，以降低強度和提高延伸率。”

有幾種方法可以配置和設定熱衝壓/激光操作，Belanger指出，激光軟化功能可以與激光切割機一起使用，因為大多數情況下，熱衝壓部件會經過後成形激光切割工藝。

一種選擇方案是：采用具有雙向工作台的加工單元配置，其中後成形部件旋轉後被送入激光切割單元進行軟化和切割操作。另外一個方案是：三向工作台的配置，裝載部件旋轉後被送入獨立的基於激光的切割和軟化加工單元。

“我們認為熱衝壓工藝結合激光軟化技術僅限於小批量生產，但最終要麵對的是汽車行業的‘數量級’，”Belanger表示。“這將需要資本投資，例如將現有的激光切割單元改變為三個加工站的形式。重視生產率的關鍵是要確保激光軟化的周期不會明顯大於切割的周期。”

由於需要精確控製衝速並增加保壓時間，一款液壓機被指定用於熱成形操作。對於模內淬火來說，模具包括水路通道，以快速冷卻部件。這種作用將鋼轉化為馬氏體相，是一種硬化材料的過程。通過某些方式的通道布局，可以繞過零件的指定區域進行淬火加工。這些區域會成為軟化區。

“就零件尺寸來說，具有大麵積軟化區的汽車B柱，可能必須嚴格地采用模內技術進行生產，”他繼續說道。 “但是對於局部區域的軟化要求，我們也開始嚐試在部分汽車前部導軌和後部導軌的局部彎矩中進行使用。這些應用非常適合使用激光技術進行軟化加工。

未來的生產可能性

Gestamp正在全力開展“Flex Laser Softzone（柔性激光軟化）”技術的研發工作。該公司現正持續加快該技術的工業化步伐，並與其OEM客戶攜手針對一係列部件（從支柱到導軌）開展研究，以及針對各種未來的車輛——從小批量到大批量生產的車輛製造研究工作。

Belanger認為該技術不僅可以通過變形時的運動學控製來改善車輛碰撞性能，而且通過增加鄰近點焊母材的延展性來改善電阻點焊接頭的變形情況。這增加了焊接頭整體的負荷能力。

該技術還提供了另一種可能性：“通過選擇性地軟化法蘭來獲得強大的壓鉚或鉚接性能，可以將鋁或碳纖維增強聚合物等替代型材料的機械連接轉換為超高強度熱衝壓鋼，”他說道。

到目前為止，Belanger 表示僅使用了一種傳統的熱衝壓鋼種22MnB5來驗證該技術的適用性，同時，該技術可以被應用於市場上新興的熱衝壓鋼。

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