汽车改变生活、材料改变汽车
一、先进高强钢简介
人们对人类活动导致的温室气体排放愈发担忧。全球立法机构在设定未来 10 年的减排目标时很有雄心。同时，他们通过了更严厉的机动车排放法规，此法规将于 2020 年开始实施。汽车制造商正在努力寻找新材料和工程技术来应对这些具有冲击性的法规。比如，汽车结构材料需要具备高强度以及相应的刚性，一般情况下，只有使用厚度较大的材料才能满足要求。同时，燃油经济和尾气排放方面，在汽车部件厚度减薄的情况下会降低。新型汽车设计采用复杂几何形状是为了达到美观的效果，但这种形状难以成型和连接，所以必须通过合理地减薄汽车材料来实现车身减重。全球钢铁行业致力于开发新牌号的先进高强钢。这些先进高强钢有着独特的微观结构和冶金属性。它们可以按不同强度及成型性来划分牌号。通过这些牌号，能够满足整车厂应对排放法规的要求，也能满足整车厂设计现代多功能汽车的要求。
先进高强度钢是一种具有复相组织的材料。它能够通过严格控制加热和冷却工艺，从而达到所需的化学成分和复相微结构。并且，它还采用各种强化机制，以此来实现不同的强度、延展性、韧性和疲劳性能。先进高强度钢包含双相钢、复相钢、铁素体+贝氏体钢(FB)、马氏体钢、相变诱导塑性钢、热成型钢和孪生诱发塑性钢。第二代先进高强度钢也能满足不同部件的使用要求。像马氏体用在乘员舱的结构件中，可提高安全性能。热成型钢用在乘员舱的结构件中，同样可提高安全性能。
近来，对第三代先进高强度钢的研究力度越来越大，对其投入的资金也越来越多。这些钢种可以通过调节合金成分以及热处理工艺，从而获得比现有的先进高强度钢更高的强度和延展性能。并且，它们的连接能力更加高效，同时成本也比较低。更多性能可从强度 - 延性图中查看得知。
先进高强度钢的合金元素含量较高，其组织为两相或多相组织。多相组织能够提高钢的强度，而单相组织无法做到这一点。例如，高强度低合金钢是借助合金和固溶强化来达到高强度的，而先进高强钢则是通过合金成分以及精确的热处理工艺来实现高强度的。
过去，若钢铁的抗拉强度超过 550 兆帕，就可归为先进高强度钢；抗拉强度超过 780 兆帕，则归为超高强度钢。然而当下，多相先进高强度钢的最低抗拉强度是 440 兆帕。所以，将强度作为界定先进高强钢的标准不再适用。抗拉强度为 1000 兆帕的先进高强度钢，通常也被称作 1GPa 钢。第三代先进高强度钢有望在低成本前提下实现相当或更优的性能。
二、先进高强钢的机械性能
多年来，钢铁企业已收集了一些薄钢板的机械性能数据。冲压厂也收集了一些薄钢板的机械性能数据。个别企业记录了屈服强度等性能数据。个别企业记录了 n 值等性能数据。个别企业记录了 r 值等性能数据。
冲压厂引进新材料后，开始探讨新型机械性能测试。目前，在冲压铝和双相钢的过程中出现了一些问题。拉伸试验所提供的典型数值或标准数值，无法解释如边缘裂纹和回弹变化等问题。这些问题可能导致废料增多、为去除部件边缘裂纹而过多返工，甚至还会因模具修模而使停机时间增加。引进更多复杂和精密的材料或许会对冲压厂的生产效率产生严重影响。冲压厂的学习曲线可能会让人感到沮丧。
基于上述情况，对冲压工人展开培训，让他们了解材料的机械性能以及技术诀窍，开发面向先进高强度钢的稳定冲压工艺，这样冲压厂将会获益。典型拉伸试验能够提供屈服强度、极限抗拉强度、n 值、均匀延伸率和总延伸率。通常需进行应变分析，还要制作一张成形极限图，以此来评价材料的成形性。不过这些试验反映的是材料的全局成形表现，无法说明高级材料在特定条件下的局部成形性。我们需要了解典型的机械性能数据能否提供足够的信息，能否真实地对冲压操作产生的影响进行评估。如果典型的机械性能数据无法做到这些，那么哪些新型试验能够让我们深入了解这些材料对某些成形载荷的反应。
典型应力应变曲线
一个新型输出数值为瞬态 n 值。瞬态 n 值能够表征应变梯度。材料首次接触模具几何形状时，会通过瞬态 n 值体现出如何产生加工硬化。若测量应变在 10%至 20%之间，仅观察标准 n 值，就会遗漏形变期间加工硬化性的增加部分。扩孔试验是现在的常见试验，它表征的是相关材料在剪切边的拉伸性能。三点弯曲试验也是现在的常见试验，它通过相关材料能够达到的最小弯曲半径，来表征该材料的拉伸性能。
瞬态n值
先进高强度钢材具有多相结构特点，就这种材料而言，它能够提高成形性。先进高强度钢材通过提升强度并且降低厚度的方式来提高耐撞性。基于我们目前对于材料机械性能以及相应成形表现的认知，我们鼓励冲压厂开展关于先进高强度钢材产品、试验以及冲压技术的培训。
三、认识钢焊接跟铝焊接之间的区别
铝焊接生产中遇到的难题有：一是厚度和成分不断变化时会快速形成氧化层；二是具有高导电性和导热性；三是电阻率会随温度变化而小幅增加；四是塑性范围较窄；五是熔点低且热膨胀系数高。与钢焊接相比，这些都是铝焊接生产中所面临的情况。俄亥俄州立大学许可了该摘要，此摘要是为那些希望深入了解它们之间性能差异的人而做的阐述，该摘要来自与 David 的新书《汽车工业中的电阻点焊基础和应用》。
1. 导热性和电阻率
电阻点焊工艺是汽车工业的主要工艺之一。它最适用于金属合金。钢的导电性和导热性比用于焊接的铜基电极低很多。低电导率（或高电阻率）便于进行 I2R 加热。低导热率意味着从焊核区域提取热量更慢。热量提取需要的时间长，焊接就越坚固。如图 1 所示，钢材的电阻率非常高，所以非常适合这种焊接工艺。
图1：钢和铝的电导率（和铜电极相比）
铝的导电性和导热性与铜相近，这是导致这种金属较难点焊的另外两个原因。所以在焊接铝时需要更高的电流和更短的时间。按照铝焊接电流和时间的经验法则，铝焊接温度大约是当前温度的三倍，而铝焊接加工时间是钢焊接加工时间的三分之一。因为需要更高的电流，所以现有的设备还不能用于铝焊接的生产。
2. 金属的塑性范围
金属的塑性范围大致可定义为低于其熔化温度的范围，在这个温度下金属会表现出明显的软化现象。点焊很重要，因为更大的塑性范围能在焊缝周围产生更大的软化区域。这个区域伴随着电极压力，能够有效地“密封”熔体焊缝熔核快速膨胀（金属熔化时会体积膨胀），还能防止它从焊接区域喷出（排出）。如图 2 展现的那样，铝的典型塑性范围比钢的要小很多。图中存在一条随机加热线，此线能说明狭窄的塑料范围既减小了熔核周围“密封”的宽度，又表明能产生良好焊接工艺的焊接时间会受到限制。总之，铝合金具有塑料范围窄以及熔化温度低的特点汽车钢材强度，这意味着良好焊接和避免熔体排出的工艺窗口是非常小的。
图2：钢和铝的典型塑性变化范围对比图
3. 动态电阻
如图 3 所呈现的那样，铝的动态电阻曲线与钢的动态电阻曲线存在显著差异，二者完全不一样。造成这种巨大差异的原因主要有两个方面： 其一；其二。
图3：钢和铝的动态电阻曲线对比图
开始通电时，因为存在氧化物层，所以电阻很高，而该氧化层的电阻率比铝高很多。这样就增加了初始排出的可能性，并且会使电极明显发热。随着电阻迅速下降，氧化层会迅速分解，让电流更容易通过。但是，和钢的动态阻力曲线相比，在循环后期，阻力没有明显增加。原因在于：当铝与钢同时被使用时，铝的电阻率在温度升高的情况下只是稍微有所增加。这种差别意味着，凭借电阻率的快速上升，来加快点焊熔核生长的可能性是有限的，而这与钢的情形是相同的。
4. 热膨胀系数
铝的热膨胀系数约为钢的三倍。这使得在加热时金属的体积膨胀得更大，并且在冷却时收缩得更厉害。其后果一方面是熔体排出的可能性增大，另一方面会造成焊接不连续性，像孔隙和凝固开裂等情况。这或许需要低惯性、快速的“后续”焊接，以便在熔体膨胀和收缩区域快速运动时确保力的一致性，进而导致设备和费用增加。
5. 铝氧化层
前面已经讨论过，铝很快形成了一个非常紧密的氧化物层。高电阻氧化物层的益处是它极大地增加了被焊接片材之间的接触电阻。然而，由于它暴露在环境中且自然形成，所以要保持一致的氧化层厚度是困难的。因为氧化层的形成不一致，这就会致使焊缝不一致。
一方面，如果在焊接之前立即采用机械方式（例如进行研磨）或者化学方式（例如实施酸洗以及随后的转化处理）来使氧化层明显减少，那么就需要非常高的电流，而这会促使电极发生粘附并且加快磨损。
图4：铝焊接间断点（多孔性）
四、电阻点焊先进高强度汽车板
过去几年里，先进高强度钢一直被用于汽车生产线的电阻焊接。不过，在典型的焊接质量评价（包括剥离试验和凿削试验）中，高强度和高硬度有可能会对点焊的失效模式产生影响。
常规钢种的剥离测试，可接受的公认行业标准有“拉出金属块”以及“完整按钮”，这在图 1 中有展示。
然而，对于先进高强度钢而言，因为高碳当量可能会形成坚硬的焊接块，所以完整按钮拉动是不太可能实现的。其原因在于，在剥离或凿削试验中，较高的材料屈服强度会在金属块儿的边缘导致更大的应力集中。因此，像剥离或凿削试验这样的常规测试模式，可能更容易引发界面或部分界面失效模式，就如同图 2 所展示的那样。
对于先进高强度钢而言，即便预期应用的焊接强度是能够被接受的，依然有可能出现这种类型的失效模式。虽然区分界面失效与“卡焊”（即强度不可接受的未融化点）有时会是一种挑战，但是完全的界面失效也有可能展现出高强度。
要改善先进高强度钢的失效模式，就需要使硬质马氏体软化。一种简单有效的方式是在焊接结束后添加一个回火周期（如图 3 所示），有时在电焊周期结束后进行会比较容易。在回火之前，必须要有足够的淬火时间，以让马氏体完全转变，并且回火时间和电流会决定软化的程度。淬火时间增加了每个焊接的周期时间，所以生产过程需要尽可能缩短淬火时间。被焊接钢的硬化程度不同，其他一些降低冷却速率的方法可能会起到帮助作用。这些方法包含电流脉冲、电流倾斜、更长的焊接时间以及较短的保温时间。
五、先进高强度钢电弧焊接工艺
电弧焊常用于高负载的车辆部件，比如减震塔和发动机支架。传统的电弧焊接工艺，像气体保护焊、氩弧焊和等离子焊，能有效地用于先进高强度钢和低碳钢。这两种钢种可以使用相同的保护气体，并且较短焊接长度的钢材强度通常能与母材强度等同（不过增加焊接长度通常能获得更高的焊接强度）。调整焊缝的数量和长度，也就是改变焊接总面积，能够提高接头的疲劳强度。电弧焊接的疲劳强度一般比点焊的疲劳强度要好。
虽然先进高强度钢的合金含量有所提升，但是和低碳钢相比，电弧焊接缺陷并未增加。先进高强度钢焊缝的强度会随着基体金属强度的上升而上升，有时也会随着热量输入的减少而上升。根据先进高强度钢的化学成分，像高马氏体含量以及强度超过低碳钢和 DP 钢等情况。相比于母材强度，焊缝的强度可能会因热影响区内软化区域较小而降低，这在图 1 中有体现。与低碳钢和 DP 钢相比，对于 CP 和 TRIP 级别的钢，由于这些钢的合金含量较高，所以在热影响区内不会出现软化区域。
对于强度等级超过的先进高强度钢，推荐使用强度更高的填充焊丝。要注意的是，高强度填充焊丝价格更贵，而且更关键的是不能有任何焊接缺陷。当把先进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行业。这种类型的接头存在不对称的载荷以及额外的弯曲力矩。所以，这种搭接接头的强度比对接接头的强度低。
当用于汽车行业时，如图 2 所展示的那样汽车钢材强度，所有焊缝的设计间隙公差（G）能够为 0 到 0.5 毫米。并且如果边部属于焊缝的一部分，从图 2 中也能够看出，边缘修整公差（Et）需要被控制在正负 0.5 毫米。
如图 3 所呈现的那样，边缘位置发生变化，进而使得电极丝与焊缝的对齐情况也发生了变化。电极出现错位的话，有可能会引发焊接形状不佳、熔合不好以及烧穿等问题。为了对这个变量进行控制，焊缝处的微调公差需要被保持在±0.5mm 范围内，同时电极也必须要保持在±0.5mm 的根部接头对准公差之内。
所有气体保护焊焊接接头都需进行公差累计检查。在最差的情形下，最大设计间隙（包含公差累计）不能超过图 4 里的数值。最好能达到最小的可能间隙，也就是最薄的薄片或者厚度为 1.5 毫米，取其中最小的那个。
为了优化焊接，需要对由焊缝分析和/或功能测试定义的高应力区域进行检查。图 5 对用于减少焊缝应力集中的技术进行了解释，这些技术能够提高焊接性能。这些技术包含将焊接开始/停止位置放置在远离拐角和其他高应力区域的位置，在可能的情况下避免发生突然的焊线方向变化等。
间断焊接是一种能减少热量输入与变形的方法，且需保持间隙控制。这种方法存在焊接启动和焊接停止的情况，而这两种操作都会引发应力集中。在进行间断焊接时，其焊接启动/停止应远离高应力区域。如图 6 所示，间断焊接的特点由中心到中心的距离（也就是间距）以及焊接长度所决定。
六、先进高强度钢激光焊接
激光焊接具有固有的焊接强度，能适应复杂焊缝的几何形状，并且部件变形较低，正因如此，它正逐渐进入更多的汽车应用领域（图 1）。
汽车领域在激光焊接方面采用了各种不同的焊接接头设计，这些设计用于搭接接头和接缝对接接头，就像图 2 所展示的那样。比如，在轧制成型生产线上，激光对焊焊接被用作高频感应焊接的替代方法，用于焊接钢管。因为对接接头焊缝的焊缝熔合面积更小，变形更小，热影响区（HAZ）也更小，所以它比搭接接头焊缝需要的动力更少。而焊缝的适配性比搭接接头更难以获得。
焊接合对接接头结构时，装配要求有一般的指导原则。其一，焊接最薄片材的厚度要为间隙厚度的 3%至 10%；其二，最薄片材在厚度方向需有 5%至 12%的偏移。而搭接接头则需要顶层焊接薄板缝隙的 5 至 10%（如图 3 所示）。
激光焊接常用于先进高强钢的搭接接头。与对接接头配置相比，其使用的参数有所不同。这种焊接类型，要么是在底部薄板上有 50%穿透率的常规焊接，要么是边缘焊接。焊接方法和低碳钢的焊接方法一样，但先进高强钢所需的夹持力比低碳钢高。搭接接头有提高更大工艺空间的倾向，这种倾向能够补偿先进高强钢制造过程中的一些困难，这些困难包含回弹和零件变形。
为获得镀锌先进高强钢良好的激光焊接搭接接头，需在薄板间留下小间隙（01 - 0.2mm），此间隙与镀锌低碳钢相同。这样一来，锌不会留在熔体中，从而避免了毛孔及其他缺陷。若间隙过大，可能会在焊缝顶部产生不希望出现的填充。
最近的研究表明，激光焊接镀锌板能够在不借助重叠薄板之间间隙的情况下完成。这种焊接是通过双激光束来实现的。其中，第一束激光用于加热和蒸发锌涂层，而第二束激光则负责执行焊接操作。双激光束配置会使用定制的夹具来组合两个激光聚焦头。
先进高强钢牌号的钢能够使用激光进行对焊，并且将其用于生产定制化的产品，比如拼接焊管和管材。先进高强钢的边缘准备要求与低碳钢相近，在这两种情形下，良好的边缘质量以及良好的适应性对于获得高质量的焊缝来说都是至关重要的。
如果要对定制焊接产品进行成型操作，那么能够运用一般拉伸性测试，比如 Olsen cup 测试，以此来对激光焊接的成型性进行评估。先进高强钢的拉伸强度很高，它显示出了良好的测试值（如图 4 所示）。
先进高强高激光焊接的硬度比低碳钢高（如图 4.J-9 所示）。不过，相较于低碳钢，当先进高强钢的焊缝与基体金属之间的硬度差异只是稍微高一些时，在测试中依然能够获得良好的拉伸比。要是焊缝的硬度过高，就可以采用后退火处理（利用 HF 设备或者进行第二次激光扫描）来降低硬度，进而改善焊接的拉伸性能。
七、先进高强度钢应变硬化和应变梯度
目前用于钣金冲压的低碳钢，其 n 值比高强度低合金钢和先进高强钢的 n 值要高。高的 n 值意味着材料具备更高的加工硬化指数，这样能让钢更易于进行拉伸或成型操作。n 值能够描述在施加应力时，材料是如何共同抵抗局部裂纹的。在局部区域可以创建出诸如字符线和浮雕等高应变图案。这种应变模式会产生应变峰或者应变梯度。这些应变峰的塑性变形比材料其余部分区域的塑性变形更高。因为它会形成字符线或浮雕，所以局部应变会使材料变薄。模具几何不允许材料在拉伸或拉伸模式下发生变形，这表明材料处于 FLD 图上的平面应变变形模式。由于 FLC₀锚定点的位置，这种变形模式的可成形性最小。
低碳钢由于 n 值较高，所以有能力达到高应变梯度。高强度钢因为 n 值较低且拉伸性较小，所以不具备达到较高峰值梯度的能力。这些高应变区域更容易出现大量的变薄和/或裂缝。
冲压过程若发生变化，像润滑油量减少这类情况，部件中的应变水平可能会上升，而且应变水平上升后变薄的部件会遭遇早期腐蚀。此外，这些区域会对防撞性产生影响，还可能引发尺寸变化方面的问题。通过对应变影响区域有恰当的了解以及采用严格的过程控制方法，能够将这些担忧降低到最小程度。
理解应变梯度如何影响零件稳定性只是故事的一部分。培训模具制造商去识别和纠正这些区域，会对因应变梯度峰值降低而导致的返工、停工和废品产生重要影响。利用 FLC₀ 和成形性分析能够确定冲压件的锚定点。在明确了故障区域之后，应该对分析进行审查，并且与研发经理、模具制造商以及质量人员一同制定纠正措施计划。这个计划需要有具体的方向，并且这个方向是可衡量的。它要能够支持变化，同时也要了解变化对现有的过程所产生的影响。
八、先进高强度钢边缘拉伸极限
每个冲压工厂都存在一个常见问题，那就是修边毛刺。当新材料被引入后，可能就需要对特殊的修整断裂（空隙）或者进入量进行处理。研究人员一直在努力尝试去了解这些新材料的边缘伸展的极限。边缘拉伸的极限与加工硬化指数（n 值）的降低有着直接的关联，而加工硬化指数（n 值）是因为切割操作而产生的。材料在切割、下料、修整或穿孔操作过程中会被切割，这导致拉伸出现在剪切边缘上，从而降低了剩余材料的成型性。寻找合适的修整破损以及修建边缘的条件是非常重要的。新的测试研究能够帮助钢铁生产商了解他们所生产材料的最大拉伸极限。
扩孔试验（HET）是一种可用于测量边缘拉伸极限的形式。该测试是通过在平坦的坯料中心冲孔，然后将锥形冲头向上推，从而形成凸型的边缘（具体可参考图 1 和图 2）。其输出量为孔的最终直径与孔初始直径的比率。而最好的结果是通过磨边、激光切割、电火花加工和水射流来产生。
在冲压操作里，修整或穿孔边缘的可成形性降低就等于停工、出现废品或需要返工。因为使用电火花加工和水射流不太可行，所以我们会考虑当下可用的方法和材料。这样做的目的是在每天都能为可能处理此问题的车间人员提供相关信息。像磨损或有缺口的钢、有问题的空隙以及磨损的冲头都需要进行修理和保养。新型先进高强度钢比低碳钢的成形极限更低。引入磨损工具会使成形范围显著降低。采用粉末冶金或切削钢能显著提高预防性维修间隔的命中率。一些表面处理能够延长工具寿命，以此实现与传统低碳钢相同的相对工具磨损。
多相钢（CP）等新钢种具有很高的强度。钢厂通过热机械处理能产生贝氏体相和使晶粒细化。多相钢在边缘或凸型拉伸条件下表现良好。然而，如图 3 所示，若缺乏适当的工具维护，可能会剥离这些钢材的性能优势。
了解刀具磨损率的影响，能减少停机时间；了解修整断裂的影响，能减少废品；了解表面涂层的影响，能延长修整间隔时间；了解表面处理的影响，能延长冲孔模具的防御性间隔时间。为模具制造商提供关于最新材料的培训，有助于他们对冲压模具进行更长久的更正；为模具制造商提供关于模具部件的培训，有助于他们对冲压模具进行更长久的更正；为模具制造商提供关于表面处理的培训，有助于他们对冲压模具进行更长久的更正。相关研究和工艺不断发展变化，为先进高强度钢的成功冲压提供了新的方法、产品和信息。
