堅持將知識產(chǎn)權(quán)作為企業(yè)生存的命脈，育材堂致力于汽車輕量化和先進(jìn)功能性金屬材料的研發(fā)，與全球諸多汽車公司和材料公司深度合作，為傳統(tǒng)金屬材料注入活力。

育材堂（蘇州）材料科技有限公司、汽車鋼部總工程師周澍博士以《鋁硅鍍層熱成形材料產(chǎn)品及其低成本激光拼焊門環(huán)策略》為主題，就高韌性鋁硅鍍層熱沖壓鋼、激光拼焊技術(shù)及一體式門環(huán)兩部分內(nèi)容進(jìn)行了詳盡介紹。以下是演講內(nèi)容整理：

育材堂（蘇州）材料科技有限公司、汽車鋼部總工程師周澍博士

育材堂（蘇州）材料科技有限公司簡介

我們這個公司叫育材堂（蘇州）材料科技有限公司，英文名是“EASY FORMING”（更容易讓零件成形）。公司的團(tuán)隊人數(shù)不到40，但80%以上都是博士和碩士，專注于技術(shù)研究以及工程應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)。公司的方向是專注先進(jìn)的鋼材創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，致力于實現(xiàn)高強、高韌，以及特殊要求（高導(dǎo)熱）等行業(yè)需求。

公司路線是科研為先，再轉(zhuǎn)為技術(shù)，最后進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)。目前主要聚焦在熱成形鋼領(lǐng)域，通過這幾年的開發(fā)，首先在鋁硅鍍層方面研發(fā)出了PHS鍍層技術(shù)：Aluslim?，slim意為“瘦身”，表示這種產(chǎn)品是一種鍍層更薄，更具有成本和環(huán)保優(yōu)勢的鍍層。

基于這種鍍層，我們又在材料方面研發(fā)了PHS基材技術(shù)：2000MPa、1500MPa和1000MPa PHS。針對實際工況應(yīng)用、不同場景、開發(fā)出了不同強度級別和不同韌性需求，為汽車設(shè)計人員提供了柔性化的產(chǎn)品選擇。這些材料的技術(shù)基礎(chǔ)之上，我們就可以在激光拼焊上做更多的一體式集成方案。

除了汽車車身用鋼之外，我們還有其他方面的研發(fā)，比如高導(dǎo)熱模具鋼。隨著一體式零件集成越來越強，零件越來越大，這不但要求壓機噸位，對鋁合金成形溫度和工藝也提出了要求。因此，我們布局了高導(dǎo)熱模具鋼，簡單地理解就是，雖然成形溫度升高了，但是材料的導(dǎo)熱速度也更高了，這就可以使模具在更高的成形溫度下，保持高效的使用壽命。

育材堂（蘇州）材料科技有限公司坐落于蘇州，我們有一個研發(fā)的實驗平臺，代表了我們公司在整個流程開發(fā)過程中一個具有特色的點：通過串聯(lián)合金設(shè)計-工藝研究-應(yīng)用評價的完整鏈條，我們具備熱沖壓鋼產(chǎn)品全流程研發(fā)能力。

圖片來源：育材堂（蘇州）材料科技有限公司

針對熱沖壓工藝，我們會對它的工藝進(jìn)行較多的柔性仿真，實驗室里面也自主研發(fā)了一套特殊的熱沖壓工藝裝備，可以針對不同的材料和性能進(jìn)行熱沖壓的模擬。這些研發(fā)和應(yīng)用離不開我們同車企與鋼廠的交流，我們團(tuán)隊的研發(fā)領(lǐng)域覆蓋了產(chǎn)業(yè)鏈的不同位置，可以無差別和零部件廠、車廠進(jìn)行互動。我們也不只是一個技術(shù)開發(fā)方，希望和整個熱沖壓行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈里的工程技術(shù)人員進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，伴隨行業(yè)共同進(jìn)步。

高韌性鋁硅鍍層熱沖壓鋼

接下來我介紹一下高韌性鋁硅鍍層熱沖壓鋼。熱沖壓是一個從軟態(tài)到加熱更軟態(tài)，到成形之后變成硬態(tài)的過程，因為過程中存在加熱，所以鋼表面的氧化是不可避免的。1999年，友商發(fā)明了一款在我看來是全球最偉大的鋼鐵產(chǎn)品，可以在單一品種上賣到全球三百萬噸，這是其他鋼永遠(yuǎn)無法達(dá)到的，這也就是鋁硅鍍層產(chǎn)品，這種產(chǎn)品解決熱成形過程中的表面氧化和脫碳問題。

但是不管多偉大的產(chǎn)品，使用過程中都會存在不友好的技術(shù)問題。常規(guī)鍍層產(chǎn)品面臨三大問題：第一，加熱效率低，鍍層液化粘輥；第二，韌性不足，延遲開裂問題；第三，零件防腐，點焊電極磨損。

我們公司擅長在基礎(chǔ)技術(shù)問題中找到本質(zhì)，通過顯微分析，我們基于韌性不足的問題進(jìn)行了推測，覺得是在加熱過程中鐵鋁發(fā)生擴散，在基材界面形成富碳特征。因為富碳特征一旦形成，在熱沖壓之后，高碳馬氏體就會覆蓋基體表層。在碰撞變形過程中首先發(fā)生的會是折彎開裂，如果表面有一層脆性的富碳層，材料的韌性肯定會降低，表面裂紋優(yōu)先從脆性的富碳層出現(xiàn)。下圖是微觀的分析，證實了界面上有明顯的富碳特征。

圖片來源：育材堂（蘇州）材料科技有限公司

找準(zhǔn)了關(guān)鍵，如果想解決這個問題，是不是有一種比較科學(xué)而簡單的方法？我們公司就結(jié)合鋼鐵的實際生產(chǎn)過程中，用了兩個比較簡單的方法就把問題解決了。首先，把鍍層減薄，大家都知道鍍層是鋁，加熱過程中鐵鋁會發(fā)生擴散，但如果鋁少了，擴散過程可能會被抑制，富碳特征可能會減弱。同時，如果在涂鍍之前，在基材生產(chǎn)時基板表面進(jìn)行一定脫碳處理，從來源上降低基材表層的含碳量，自然而然表面這層富碳就會消失。

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我們也發(fā)現(xiàn)，鍍層減薄后對加熱也有好處。實際在熱沖壓過程中，表面的鍍層液化之后會大量地吸熱，高吸收熱量的特征也使得鋁硅鍍層在加熱過程中的加熱效率明顯提升。從雙碳角度考慮，加熱效率提升會帶來用電的減少，單位面積上鋁硅鍍層減薄，也會導(dǎo)向更低碳的結(jié)果，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。關(guān)于這個技術(shù)我們已經(jīng)形成了自主的知識產(chǎn)權(quán)，也已經(jīng)給國內(nèi)三家鋼廠進(jìn)行了專利許可，完成了相應(yīng)的試制和材料認(rèn)證。

高韌性鋁硅鍍層熱沖壓鋼零件試驗

我們也進(jìn)行了一些高韌性鋁硅鍍層熱沖壓鋼零件試驗。在門檻件三點壓彎試驗中，最后開裂失效的位置是一個彎角。如果用薄厚兩種鍍層進(jìn)行對比，使用薄鍍層時，數(shù)據(jù)顯示吸能性能有一定比例的提高，那么碰撞安全性肯定會提升。在B柱三點壓彎試驗中，薄鍍層的熱沖壓零件在大變形下可以顯著推遲脆性斷裂的發(fā)生。

圖片來源：育材堂（蘇州）材料科技有限公司

基于不同的零件位置對吸能的差異化需求，我們針對1000MPa、1500MPa和1800MPa三種強度級別的材料完成了試制，并于今年上半年開始小批量供貨。試驗中，1000MPa強度的材料在烘烤之后可以達(dá)到1100Mpa以上，同時VDA可以達(dá)到88度，1500MPa在烘烤之后可以達(dá)到1550MPa，VDA是65度，1800MPa在烘烤之后可以達(dá)到1850MPa，VDA可以達(dá)到55度。

通過材料成分的設(shè)計優(yōu)化，在PH值等于1的強酸條件下，保持100%屈服強度的應(yīng)力水平，1000MPa和1500MPa的材料在120h內(nèi)沒有出現(xiàn)開裂。但1800MPa的材料在強酸的條件下還是有一些問題，雖然它的應(yīng)力水平基本和1500MPa材料接近，但延遲開裂的性能沒有1500MPa的材料那么好。然而，空氣介質(zhì)下，保持100%屈服強度應(yīng)力水平，1800MPa材料可保證淬火態(tài)和烘烤態(tài)300h不開裂。

合適的材料應(yīng)該用到合適的部位。這些不同性能的產(chǎn)品可以給設(shè)計人員帶來更柔性化的設(shè)計方案。比如說，1000MPa材料具備最佳的韌性和較高的強度，適用于碰撞變形過程用以吸能的部件。1500MPa具有均衡的強韌性，適用于各種碰撞工況的部件。1800MPa具備超高的強度和充足的韌性，適用于抵抗變形侵入的部件。此外，以上所有強度級別材料均完成材料和零件級的材料斷裂和焊點HAZ失效卡片標(biāo)定，并支持車企進(jìn)行精確CAE仿真。

圖片來源：育材堂（蘇州）材料科技有限公司

激光拼焊技術(shù)及一體式門環(huán)

要將上述材料實現(xiàn)集成，就會涉及到激光拼焊以及一體式門環(huán)的工藝及應(yīng)用。行業(yè)而言，多零件合一的一體式集成設(shè)計方案成為汽車車身輕量設(shè)計化的大趨勢，激光拼焊技術(shù)將在在汽車車身制造發(fā)展中扮演重要角色，這一技術(shù)具備四大優(yōu)勢：1、低成本：鋼鐵材料、高材料利用率 、集成化設(shè)計；2、輕量化：多材料規(guī)格柔性拼焊、無搭接邊；3、更好碰撞安全性：強弱合理分配；4、低碳排放。

圖片來源：育材堂（蘇州）材料科技有限公司

對比傳統(tǒng)的散件生產(chǎn)流程和一體式門環(huán)的生產(chǎn)流程。在落料的環(huán)節(jié)差不多，但是傳統(tǒng)散件生產(chǎn)流程中，落料之后的散件需要直接進(jìn)行熱沖壓，形成每個單件之后再進(jìn)行點焊，形成最終產(chǎn)品。在一體式生產(chǎn)流程中，落料之后還要把所有的材料進(jìn)行激光拼焊，形成一個完整的料片之后再進(jìn)行一體化的熱沖壓。從流程來看，后者對于零件、供應(yīng)商，物流、模具的管理更深入，會使得整個生產(chǎn)流程更高效和低碳。

在這一流程下，一體化激光拼焊門環(huán)具備五個特點：集成化設(shè)計，減少零件數(shù)量；通過分塊優(yōu)化，材料利用率提升；材料厚度、強度可靈活組合；在高變形區(qū)域應(yīng)用高韌性材料，安全性更高；但工藝成本高。

圖片來源：育材堂（蘇州）材料科技有限公司

鋁硅鍍層熱沖壓鋼激光拼焊也存在顯著的技術(shù)問題，那就是焊縫強度弱于母材。比如特斯拉的Model Y采用內(nèi)外側(cè)四門環(huán)設(shè)計，采用的是剝離+激光拼焊的技術(shù)，那么，為什么鋁硅鍍層熱成形鋼在激光拼焊過程之后還一定要加激光剝離呢？因為在進(jìn)行鋁硅鍍層激光拼焊的過程中，鍍層中所有的鋁都進(jìn)入到焊縫，使得熱處理之后會形成軟相的組織，融入的鋁使得焊縫熱沖壓后變?yōu)镕+M的雙相組織，但是兩個母材都是硬相組織。面臨變形和拉伸時，焊縫自然會成為弱項。因此，如果想提高焊縫強度，就需要減少鋁的影響。這也就是為什么在鋁硅鍍層激光拼焊時需要進(jìn)行一道剝離工序。

如果采用薄鍍層就可以減少剝離程序，直接進(jìn)行焊接。這是由于鍍層減薄，進(jìn)入焊縫Al顯著降低，焊縫質(zhì)量更穩(wěn)定。但要注意的是，這其中需要有一道“添加焊絲”的程序：填充中C/Mn等合金，在無額外間隙預(yù)留的情況下，最大程度保證焊縫幾何尺寸，從而提升焊接效率的同時保證焊縫的質(zhì)量，減少原材料浪費的風(fēng)險。

做一個總結(jié)，育材堂（蘇州）材料科技有限公司致力于為客戶帶來高韌性薄鋁硅鍍層熱沖壓鋼及其拼焊產(chǎn)品的全流程技術(shù)解決方案，提供材料強度在500/1000/1500/1800MPa的高韌性鋁硅鍍層材料支持；分塊優(yōu)化 (厚度分布，焊縫設(shè)計)、可制造性分析的拼焊產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)支持；提供低成本高效率拼焊產(chǎn)品。

以上是我的匯報。

（以上內(nèi)容來自育材堂（蘇州）材料科技有限公司、汽車鋼部總工程師周澍博士于2022年8月24日由蓋世汽車主辦的2022第二屆中國車身大會發(fā)表的《鋁硅鍍層熱成形材料產(chǎn)品及其低成本激光拼焊門環(huán)策略》主題演講。）

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