1、先进高强钢简介
随着对人类活动造成的温室气体排放的担忧不断加剧，世界各地的立法者制定了未来10年雄心勃勃的减排目标，同时还通过了更严格的机动车排放法规。 将于2020年实施。汽车制造商正在努力寻找新材料和工程技术来应对这些有影响力的法规。 例如：汽车结构材料必须具有较高的强度和相应的刚性。 一般情况下，只使用较厚的材料，而汽车零部件厚度减小时，燃油经济性和废气排放都会降低。 新车设计采用复杂的几何形状来实现美观，但成型和连接困难，因此必须通过合理减薄汽车材料来减轻车身重量。 全球钢铁行业致力于开发新牌号的先进高强度钢。 这些先进高强度钢具有独特的显微组织和冶金性能。 它们根据不同的强度和成型性分为不同的等级，可以满足整车厂应对排放法规和设计现代多用途车辆的需求。 要求。
先进高强度钢是一种具有多相组织的材料。 它通过严格控制加热和冷却过程获得所需的化学成分和多相显微组织，并利用各种强化机制获得不同的强度、塑性、韧性和疲劳性能。 先进高强度钢包括双相钢、复相钢、铁素体+贝氏体钢（FB）、马氏体钢、相变诱发塑性钢、热成型钢和孪生塑性钢。 第一代和第二代先进高强度钢均满足不同部件的使用要求。 例如，多相钢和相变诱导塑钢用于汽车碰撞区域，其吸能效果较大。 对于乘员室结构件，特别是马氏体钢、热成型钢等高强度钢可以提高安全性能。
近年来，第三代先进高强度钢的研究和资金投入不断增加。 通过调整合金成分和热处理工艺，这些钢种可以实现比现有先进高强度钢更高的强度和延展性，并且其连接能力更加高效和更具成本效益。 更多属性可以在强度-延展性图中看到。
先进高强度钢具有较高的合金元素含量和两相或多相组织。 多相组织提高了钢的强度，这是单相组织无法达到的。 例如，高强度低合金钢通过合金化和固溶强化来实现高强度，而先进高强度钢则通过合金成分和精确的热处理工艺来实现高强度。
过去，抗拉强度超过550兆帕的钢材可归类为先进高强钢，而抗拉强度超过780兆帕的钢材可归类为超高强钢。 但目前多相先进高强钢的最低抗拉强度为440 MPa，因此以强度作为定义先进高强钢的标准已不再适用。 抗拉强度为的先进高强度钢也俗称1GPa钢。 第三代先进高强度钢有望以更低的成本实现同等或更好的性能。
2、先进高强钢的力学性能
多年来，钢铁企业和冲压厂收集了一些有关薄钢板力学性能的数据。 个别公司记录屈服强度、n 值、r 值等绩效数据。
随着冲压车间引入新材料，冲压车间开始讨论新的机械性能测试。 目前，铝和双相钢在冲压过程中出现了一些问题，但无论是拉伸试验提供的典型值还是标准值都无法解释边缘裂纹和回弹变化等问题。 这些问题可能会导致废品率高、为消除零件边缘裂纹而进行过多返工，甚至会因模具维修而增加停机时间。 引入更复杂、精密的材料可能会严重影响冲压厂的生产效率，冲压厂的学习曲线可能会令人沮丧。
基于上述情况，冲压厂将受益于培训冲压工人了解材料的机械性能和技术知识，以及开发先进高强度钢的稳定冲压工艺。 典型的拉伸测试提供屈服强度、极限拉伸强度、n 值、均匀伸长率和总伸长率。 一般情况下，还会进行应变分析并生成成形极限图，以评价材料的成形性能。 然而，这些测试反映了材料的整体成形性能，并不能说明先进材料在特定条件下的局部成形性能。 。 我们需要了解典型的机械性能数据是否具有足够的信息来真正评估冲压操作的影响，或者如果典型的机械性能数据没有提供足够的信息，那么哪些新测试可以深入了解这些材料对某些成型载荷的特定响应的影响。
△典型应力应变曲线
一种新类型的输出值是瞬态 n 值。 瞬态 n 值表征应变梯度，即材料首次与模具几何形状接触时如何硬化。 如果测量 10% 到 20% 之间的应变并且仅观察标准 n 值，则会错过变形过程中加工硬化的增加。 扩孔试验和三点弯曲试验是目前常见的试验。 扩孔试验表征相关材料在剪切边缘处的拉伸性能。 三点弯曲试验通过相关材料所能达到的最小弯曲半径来表征材料的拉伸性能。 表现。
△瞬态n值
对于先进高强度钢，该材料具有多相结构，可提高成型性。 先进的高强度钢通过增加强度和减少厚度来提高耐撞性。 基于我们目前对材料力学性能和相应成形行为的了解，我们鼓励冲压车间开展先进高强度钢产品、测试和冲压技术的培训。
3.了解钢焊和铝焊的区别
与钢焊接相比，铝焊接生产遇到的困难包括：由于厚度和成分的不断变化而快速形成氧化层，导电性和导热性高，电阻率随温度变化增加幅度小，塑性范围窄，熔点低和高热膨胀系数等。经俄亥俄州立大学许可，本摘要摘自 David 的新书《电阻点焊基础知识和在汽车工业中的应用。”
1、导热系数和电阻率
电阻点焊工艺是汽车工业中使用的主要工艺之一，最适合金属合金，例如钢，其电导率和导热率比用于焊接的铜基电极低得多。 低电导率（或高电阻率）有利于 I2R 加热，而低热导率意味着从焊核区域提取热量的速度较慢。 排热时间越长，焊接就越牢固。 如图 1 所示，钢具有非常高的电阻率，非常适合这种焊接工艺。
△图1：钢、铝的导电率（与铜电极相比）
铝的导电性和导热性与铜相似，这是这种金属更难点焊的另外两个原因，需要更高的电流和更短的时间。 根据铝焊接电流和时间的经验，铝焊接温度大约是钢焊接当前温度的三倍和处理时间的三分之一。 由于所需电流较高，现有设备尚不能用于生产铝焊接。
2、金属的塑性范围
金属的塑性范围可以粗略地定义为低于其熔化温度的范围，在该温度下金属表现出显着的软化。 点焊的重要性在于，更大的塑性范围将在焊缝周围产生更大的软化区域。 该区域伴随着电极压力，有效地“密封”熔融焊核的快速膨胀（金属熔化时表现出的体积膨胀）并防止其从焊接区域喷出（喷射）。 如图 2 所示，铝的典型塑性范围明显小于钢的塑性范围。 还包括一条随机加热线，以说明狭窄的塑料范围不仅减少了熔核周围“密封”的宽度，而且还表明产生良好焊缝的焊接时间将受到限制。 总之，铝合金的塑性范围窄且熔化温度低，意味着实现良好焊接和避免熔体喷出的工艺窗口非常小。
△图2：钢与铝典型塑性变化范围对比
3、动态电阻
如图3所示，铝的动态电阻曲线与钢完全不同。 造成这种巨大差异的原因有两个：
△图3：钢与铝的动态阻力曲线对比
当你开始通电时，由于氧化层的存在，电阻非常高（该氧化层的电阻率比铝高得多）。 这增加了初始放电的可能性，并且还导致电极显着发热。 随着电阻迅速下降，氧化层迅速分解，使电流更容易通过。 但与钢的动态阻力曲线相比，循环后期阻力并没有明显增加。 其原因是，当与钢一起使用时，铝的电阻率仅随着温度的升高而略有增加。 这种差异表明，利用电阻率快速增加来加速点焊熔核生长的机会有限，这与钢的情况一致。
4、热膨胀系数
铝的热膨胀系数大约是钢的三倍。 这导致金属在加热时体积膨胀更多，随后在冷却时收缩更多。 其后果不仅是熔体喷射的可能性更大，而且还导致焊接不连续性，例如孔隙和凝固裂纹。 这可能需要低惯性、快速的“后续”焊接，以在熔体膨胀和收缩区域快速运动期间保持力的一致性，从而导致设备和费用增加。
5. 氧化铝层
如前所述，铝很快形成非常致密的氧化层。 高电阻氧化层的好处是它显着增加了被焊接板材之间的接触电阻。 但由于它暴露在环境中并且自然发生，因此保持一致的氧化物厚度很困难。 由于氧化层的形成不一致，这会导致焊接不一致。
另一方面，如果在焊接前通过机械（例如研磨）或化学（例如酸洗和随后的转化处理）方法显着减少氧化层，则需要极高的电流，这将促进电极粘附并加速磨损。
△图4：铝焊接不连续处（气孔）
4、先进高强度汽车覆盖件电阻点焊
过去几年，先进高强度钢已在汽车生产线上进行电阻焊。 然而，对于典型的焊接质量评估（剥离测试和凿刻测试），高强度和硬度预计会影响点焊失效模式。
对于传统钢种，可接受剥离测试的普遍接受的行业标准是“拉出块”或“全扣”，如图1所示。
然而，对于先进的高强度钢，由于高碳当量可能会产生硬焊点熔核，因此不可能完全拉动按钮。 造成这种现象的原因是，在剥离或刨削测试期间，较高的材料屈服强度会在金属块的边缘产生更大的应力集中。 因此，传统的测试模式，例如剥离或凿击测试，可能更容易产生界面或部分界面失效模式，如图2所示。
对于先进高强度钢，即使预期应用的焊接强度可以接受，也可能会发生这种类型的失效模式。 尽管有时很难区分界面失效和“粘焊”（强度不可接受的未熔点），但完全界面失效也可能表现出高强度。
为了改善先进高强度钢的失效模式，必须软化硬质马氏体。 一种简单有效的方法是在焊接完成后添加回火周期（图3）。 有时在焊接周期完成后添加会更容易。 回火前必须有足够的淬火时间，以使马氏体完全转变，回火时间和电流将决定发生软化的程度。 当然高强度钢材应用技术，淬火时间会增加每个焊缝的循环时间，因此生产过程要求淬火时间尽可能短。 根据焊接钢的硬化程度，其他降低冷却速率的方法可能会有帮助。 这些方法包括电流脉冲、电流斜坡、更长的焊接时间和更短的保持时间。
5、先进的高强钢电弧焊技术
电弧焊通常用于高负载车辆部件，例如减震塔和发动机支架。 传统的电弧焊工艺（气体保护焊、氩弧焊和等离子焊）可以有效地用于先进高强度钢和低碳钢。 两种钢种都可以使用相同的保护气体，较短焊缝长度的强度通常可以等于母材的强度（尽管通常可以通过增加焊缝长度来实现更高的焊缝强度）。 通过调整焊缝数量和长度（即总焊接面积）高强度钢材应用技术，可以提高接头的疲劳强度。 电弧焊的疲劳强度一般优于点焊。
尽管先进高强度钢中使用的合金含量有所增加，但与低碳钢相比，电弧焊缺陷并没有增加。 AHSS 焊缝的强度随着母材强度的增加而增加，有时随着热输入的减少而增加。 根据先进高强度钢（例如，马氏体含量高且强度超过的低碳钢和DP钢）的化学成分，焊缝的强度可能会因热影响区的软化区较小而降低。母材强度下降（图1）。 与低碳钢和DP钢相比，对于CP和TRIP级钢，由于这些钢的合金含量较高，因此在热影响区不会出现软化区。
对于焊接强度超过100%的先进高强度钢，建议使用更高强度的填充焊丝。 需要注意的是，高强度填充焊丝价格更高，更重要的是不允许出现任何焊接缺陷。 将高级高强度钢焊接到较低强度或低碳钢时，建议使用强度为70ksi()的填充焊丝。 单面焊接搭接接头常用于汽车工业，但由于此类接头存在不对称载荷和附加弯矩，此类搭接接头的强度低于对接接头。
当用于汽车行业时，如图 2 所示，所有焊缝允许的设计间隙公差 (G) 为 0-0.5 毫米。 如果边缘是焊缝的一部分，也如图 2 所示，则边缘修整公差 (Et) 需要控制在 ±0.5 mm。
如图 3 所示，边缘位置的变化会导致电极丝和焊缝的对齐方式发生变化。 电极未对准会导致焊缝形状不良、熔合不良和烧穿。 为了控制这个变量，焊缝处的修整公差必须保持在±0.5毫米，并且电极的根部接头对准公差必须保持在±0.5毫米。
必须检查所有气体保护焊接接头的公差累积情况。 在最坏的情况下，最大设计间隙（包括公差累积）不得超过图4中的值。最好实现尽可能小的间隙（最薄的板材或1.5mm厚度，以最小者为准）。
为了优化焊接，应检查焊接分析和/或功能测试定义的高应力区域。 图 5 解释了用于减少焊缝应力集中的技术，这可以提高焊接性能。 这些技术包括将焊接开始/停止位置远离拐角和其他高应力区域，尽可能避免焊接线方向突然改变等。
间歇焊接——间歇焊接是一种可用于减少热输入和变形（保持间隙控制）的方法，但这种方法也有焊接开始和焊接停止的情况，这两种情况都会导致应力集中。 间断焊接在开始/停止焊接时应远离高应力区域。 如图6所示，断续焊接由中心距（即节距）和焊接长度决定。
6、先进的高强钢激光焊接
由于其固有的焊接强度、对复杂焊接几何形状的适应性以及较低的部件变形，激光焊接正在进入更多的汽车应用（图 1）。
对于激光焊接，汽车领域采用了各种焊接接头设计，用于搭接接头和有缝对接接头，如图2所示。例如，作为高频感应焊接的替代方案，激光对接焊用于焊接钢管在滚压成型线上。 由于焊缝熔化面积较小、变形较小且热影响区 (HAZ) 较小，对接焊缝比搭接焊缝所需的功率更少。 对接接头配置更具成本效益，但焊接配合比搭接接头更难获得。
焊接对接结构时，装配要求的一般准则包括焊接最薄板的厚度为间隙厚度的3-10%，以及最薄板在厚度方向上的偏移量为5-12%。 相比之下，搭接接头需要顶部焊接板有 5% 到 10% 的间隙（图 3）。
激光焊接通常用于先进高强度钢的搭接接头，与对接接头配置相比，使用不同的参数。 这种类型的焊接可以是底板焊透率为 50% 的常规焊接，也可以是边缘焊接。 焊接方法与低碳钢相同，但先进高强度钢所需的夹紧力高于低碳钢。 搭接接头往往允许更大的工艺空间，这可以弥补先进高强度钢制造中的一些困难，包括回弹和零件变形。
为了获得镀锌先进高强度钢良好的激光焊接搭接接头，建议在板材之间留有小间隙（01-0.2mm），这与镀锌低碳钢相同。 这样，锌就不会残留在熔体中，避免了气孔和其他缺陷。 间隙太大可能会在焊缝顶部产生不良填充。
最近的研究表明，镀锌板的激光焊接可以在不使用重叠板之间间隙的情况下完成。 这是使用双激光束完成的。 第一束用于加热和蒸发锌涂层，第二束进行焊接。 双激光束配置使用定制夹具来组合两个激光聚焦头。
高级高强度钢可以进行激光对焊，并用于生产定制产品（拼接焊管和管材）。 先进高强度钢的边缘处理要求与低碳钢相似——在这两种情况下，良好的边缘质量和良好的适应性对于获得高质量的焊缝至关重要。
如果要形成定制焊接产品，可以使用常规拉伸测试（例如奥尔森杯测试）来评估激光焊接成形性。 具有高抗拉强度的先进高强度钢显示出良好的测试值（图4）。
先进高强高激光焊接的硬度高于低碳钢（图4.J-9）。 然而，当 AHSS 焊缝和母材之间的硬度差异仅略高于低碳钢时，测试中仍然实现了良好的拉深比。 如果焊缝硬度太高，可以采用后退火处理（使用高频设备或第二次激光扫描）来降低硬度并提高焊缝的拉伸性能。
7.先进高强钢的应变硬化和应变梯度
目前用于钣金冲压的低碳钢比高强度低合金钢和先进高强度钢具有更高的n值。 高 n 值表示材料具有较高的加工硬化指数，使钢材更容易拉伸或成型。 n 值描述了材料在施加应力时抵抗局部开裂的能力。 可以在局部区域创建高应变图案，例如字符线和浮雕。 该应变模式产生应变峰值或应变梯度。 这些应变峰值是比材料其余部分具有更高塑性变形的区域。 当它形成字符线或浮雕时，局部应变会导致材料变薄。 模具几何形状不允许材料在拉伸或拉伸模式下变形，这意味着材料在FLD图上处于平面应变变形模式。 由于 FLC₀ 锚点的位置，这种变形模式具有最小的可成形性。
这对于冲压工艺意味着什么？ 由于 n 值较高，低碳钢能够实现高应变梯度。 高强度钢由于较低的n值和较低的拉伸性而无法实现较高的峰值梯度。 这些高应变区域将更容易受到广泛的减薄和/或破裂的影响。
如果冲压工艺发生变化，例如减少润滑剂的用量，则零件中的应变水平可能会增加，并且零件的变薄将受到早期腐蚀。 此外，这些区域会影响耐撞性并可能产生尺寸变化问题。 通过正确了解应变影响区域和严格的过程控制方法，可以最大限度地减少这些担忧。
了解应变梯度如何影响零件稳定性只是故事的一半。 培训模具制造商识别和纠正这些区域将对减少峰值应变梯度引起的返工、停机和报废产生重大影响。 使用 FLC₀ 和成形性分析应该可以确定冲压件的锚点。 识别出故障区域后，应审查分析结果，并与研发经理、模具制造商和质量人员一起制定纠正措施计划。 该计划应该有具体且可衡量的方向，以支持和理解变更对现有流程的影响。
8、先进高强钢边缘拉伸极限
每个冲压车间的一个常见问题是修边毛刺。 随着新材料的引入，可能需要对断裂（空隙）或入口进行特殊修剪。 研究人员仍在试图了解这些新材料的边缘拉伸极限。 刃口拉伸极限与切削操作导致的加工硬化指数（n 值）的降低直接相关。 当材料在切割、落料、修整或穿孔操作过程中被切割时，剪切边缘上的拉伸会降低剩余材料的可成形性。 找到修复损坏和建筑边缘的合适条件至关重要。 新的测试研究有助于钢铁制造商了解他们生产的材料的最大拉伸极限。
扩孔测试 (HET) 是测量边缘拉伸极限的公认形式。 该测试包括从中心冲压平坦的毛坯，然后向上推动锥形冲头以形成凸边（详细信息请参见图 1 和图 2）。 输出是孔的最终直径与孔的初始直径的比率。 利用磨边、激光切割、电火花加工和水射流可产生最佳效果。
在冲压操作中，降低修整或穿孔边缘的成形性可能等同于停机、报废或返工。 由于使用电火花加工和水射流不切实际，我们将考虑当前可用的方法和材料。 其目的是向可能在任何一天处理此问题的车间人员提供信息。 磨损或碎裂的钢材、有问题的间隙和磨损的冲头都需要修理和维护。 与低碳钢相比，新型先进高强度钢具有特定的较低成形极限，并且磨损工具的引入将显着减小成形范围。 使用粉末冶金或机加工钢可以显着提高预防性维护间隔的命中率。 一些表面处理还可以延长刀具寿命，从而实现与传统低碳钢相同的相对刀具磨损。
多相钢（CP）等新钢种不仅具有高强度，而且由于钢厂的形变热处理而产生贝氏体相并细化晶粒。 多相钢在边缘或凸拉伸条件下也表现良好。 很好的表现。 然而，如图 3 所示，缺乏适当的工具维护可能会剥夺这些钢材的性能优势。
了解刀具磨损率、切边破损、表面涂层和表面处理的影响将减少停机时间、废品，并延长切边模具和冲孔模具之间的防御间隔。 为模具制造商提供有关最新材料、模具组件和表面处理的培训将有助于他们更长时间地修正冲压模具。 相关研究和工艺正在迅速发展，为先进高强度钢的成功冲压提供了新的方法、产品和信息。
