一、零件性能要求及应用
此类零件多由热成形钢板冲压而成，通常作为车身在碰撞中传递力量的关键安全部件，它们普遍需要具备高强度的特性，以有效防止在碰撞过程中过度变形或侵入乘客的生存空间。此外，对于如车门防撞梁、B柱等部件，还需具备一定的韧性，确保在碰撞导致变形时，不会轻易断裂，从而发挥其吸收能量的功能。
图一展示了沃尔沃V系列车型的白车身材料分布，其中红色部分标示了热冲压组件，这些组件主要分布在正面和侧面碰撞的路径上，涵盖了A柱、B柱、C柱、前横梁、后横梁、顶盖横梁、上边梁、门槛以及地板横梁等部位。
随着对车辆轻量化及碰撞安全性能要求的日益提升汽车钢材变形类型，热成型钢在汽车骨架结构中的应用范围持续扩大。据通用汽车公司公开的数据显示，热成型钢的年产量预计已达到600万吨，而与之形成鲜明对比的是，经过多年发展的第三代冷冲压高强钢的年产量仅有3万吨。
如图2所示，以Volvo品牌为例，其XC90车型在2015年的热成型钢单车用量已从7%增加至38%，而目前最新款车型的比例更是高达42%。众多汽车制造商，无论是采用钢质还是轻度钢铝混合结构的，都显著提高了热成型钢的使用比例。此外，一些电动车企也已经开始在电池包结构件的生产中实施热成型钢的量产应用。
二、材料性能要求
为确保乘员舱的完整性及防护性能，通常对热冲压材料（如硼钢等）提出以下要求：
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。
自然，鉴于当前汽车安全部件对精细化的设计要求不断提升，我们不仅需要强度日益增强的硼钢，而且还要选用中等强度且高韧性的热冲压材料作为缓冲区的材料，比如B柱的底部就采用了低合金高强度钢6Mn6。这类材料的需求包括高弯曲韧性、优异的可焊性以及较快的临界冷却速度，其室温下的组织结构可以是铁素体、珠光体或是马氏体。
三、行业用材分析
1、行业用材现状
• 从基材来讲：
硬区部分目前主要采用的是某些特定类型的硼钢，这些硼钢具有高强度特性，适用于硬区区域，这一区域对强度要求极高，目的是为了减少或避免形变的发生。
软区：得益于激光拼焊（TWB技术）的广泛应用与成熟，我们能够使用诸如500/级的6Mn6、8Mn*级的8Mn以及12Mn*级的12Mn等不同强度等级的材料，这些材料特别适用于激光拼焊件中强度要求较低的区域，通常被称为软区。
图3展示了沃尔沃XC90车型的纵梁以及B柱的末端区域（以黄色标示）。该区域使用的材料在VDA弯曲角度上通常显著超过其他部分，因此在碰撞过程中能够实现较大的有效变形行程，从而发挥出良好的吸能效果。
• 从表面涂层来讲：
①常规镀层材料：
安赛乐米塔尔在中国持有的专利，对常规涂层的工艺参数进行了严格规定，包括镀层重量在70g/m2，热冲压后的总厚度在30-50um之间。这一规定使得相关材料被安米公司及其授权企业（如现代制铁、新日铁、VAMA、TKS）所垄断，导致其价格相对较高，货源较为单一，且供货周期较长。
国内如宝钢、首钢、唐钢、马钢等钢铁企业正大规模提供此类材料。以宝钢为例，其供应方式主要是通过调整加热时间来绕过专利限制。然而，由于AM技术在各国和地区的专利要求存在差异，国内生产的材料在欧盟、北美、日韩、巴西等主要汽车市场流通和销售时，必须高度警惕专利侵权风险。目前，我们并不推荐在大陆以外的地区使用这些材料。
②薄镀层材料：
2019年，东北大学易红亮教授领衔的团队成功研发了一种新型薄镀层材料，该材料能够有效减少涂层厚度（热冲压后的涂层总厚度介于10至25微米之间）。这种材料可通过调整工艺参数（如提升温度、缩短处理时间）来拓宽工艺范围，从而避开AM加热窗口的限制。经过热处理后，镀层的厚度和结构设计同样能够绕过AM专利的限制。目前，该材料已获得国内TAGAL和马钢两家钢铁企业的生产授权，并且已经通过了包括GM、长城、奇瑞、一汽、东风、岚图等国内外多家主机厂的认证，部分认证工作仍在进行中。目前能批量生产供货的材料基材为和6Mn6。
③裸板材料：
裸板材料未经镀层处理，不具备相关专利，能够选用包括国内外的众多钢厂产品，例如TKS、现代制铁、首钢、宝钢、本钢、马钢等。与镀层材料相比，裸板材料的成本有所下降，然而，裸板在加热过程中容易发生氧化，表面会产生氧化层，通常需要额外增加抛丸处理工序，这无疑会额外增加抛丸加工的费用。氧化皮不仅会磨损冲压模具，缩短其使用寿命，而且抛丸处理后的板件还会出现轻微变形（通常1.2mm以下规格不宜使用裸板），并且会对环境造成污染。鉴于此，我们并不推荐广泛使用裸板，而应根据车型的具体需求，在干燥区域适当选用。
2、行业用材趋势
鉴于对碰撞安全性、重量减轻、成本降低以及防腐性能的持续强烈需求，热成型钢在强化、韧性优异、经济且耐腐蚀的三大领域，正引领着研究与应用的发展潮流。
• 高强度（硬区）：——————
高韧性材料在结构上具有以下特点：软区部分具有一定的柔韧性；硬区则由V/Nb/Re/Mo/Ni等元素构成，具备高强度；而软硬结合区域，尤其是在薄镀层热成型过程中，表现出优异的综合性能。
• 经济耐蚀：含Cr裸板热成型钢、薄镀层热成型钢
四、零件生产工艺
• 一般零件：
热冲压零件的常规制造流程如图4（铝硅板）所示，其关键步骤主要有：首先进行加热处理至奥氏体状态，接着进行淬火成型，最后进行激光切割。在裸板的生产过程中，淬火环节之后还需额外进行抛丸处理。
• 特殊工艺零件：
鉴于不同区域对碰撞安全材料规格和性能的要求各异，为了满足多样化的精细化和定制化设计需求，同时展现轻量化带来的优势，近年来已大规模生产并广泛应用了TWB（激光拼焊）、TRB（变厚度轧制板）、Soft zone（强度软区，包括模内和炉内两种）、Patch（补丁板）这四种创新技术。如图5所示，沃尔沃XC90车型便同时采用了这四种工艺，其中B柱部位采用了TRB与TWB相结合的复合工艺。
①TWB（激光拼焊）：
二次板料需在激光拼焊厂进行拼焊处理，随后被运送至热冲压厂接受加热淬火成型操作。以激光消融焊为例，其典型的生产流程详见图6a。目前市场上可供选择的供应商有宝钢TB、宝钢阿赛洛、鞍钢钢加等，而工艺方面则包括消融焊、填丝焊以及消融加填丝焊等多种方式。
②TRB（变厚度轧制板）：
这种金属板系采用柔性轧制技术制成，该技术涉及在钢板轧制阶段，运用计算机进行实时监控与调节轧辊间的距离，从而确保板材在轧制方向上实现预定厚度的连续变化。具体的生产流程图可参照图7所示，目前市场上能够提供此类产品的供应商有Mubea和东宝海星。
③Soft Zone（分区强化）：
热成型强化分区技术涉及将厚度与强度均等的板材原料，经特殊加工手段（如模具内分区加热、炉内分区加热）处理，以实现不同区域具备不同强度特性的目的。在单一零件上，这种技术将材料划分为若干区域，包括硬度较高的硬区和相对柔软的软区；其中，硬区的抗拉强度保持较高水平，而软区的抗拉强度则有所降低。图8展示了本田雅阁北美版车型所采用的分区强化工艺示意图。
这项技术不受专利约束，企业可以自行进行开发与应用，然而，由于必须添置加热控制设备（涉及固定投资，热冲压厂需投入100至200万元），加热区域使用的镶块必须采用耐高温疲劳的材料（每公斤价格在170至180元之间），并且需要铺设加热丝，这导致模具成本大约增加20%。若不能实现大规模应用，其节拍和收益将相对有限。对于年销量低于20万辆的车型，通常不推荐采用此技术。对于销量较高的车型，采用该技术相较于TWB和TRB技术，能够有效减少材料片子的成本。目前，大众、福特、本田等汽车制造商较多地采用了这一技术，而大多数车企尚未开始使用。
④Patch（补丁板）：
在热冲压零件需要特别加固的部位，我们通常会在坯料上事先焊接一块或几块额外的热冲压材料，接着将这些材料与原坯料一同加热，并在同一模具中进行淬火处理以形成最终形状。这样做可以确保各个区域拥有不同的材料厚度和结构强度。此外，这种工艺有助于减少冲压模具的使用，并且总体成本较为经济，因此被广泛采纳。然而，必须特别小心，确保补丁板的厚度不宜过大，否则会扩大与基板之间的厚度差异，这对后续的加热和淬火保压操作极为不利。图9展示了岚图FREE车型所采用的补丁板技术的示意图。
热成型软区技术
汽车轻量化的发展离不开热成型软区技术的应用，该技术以模具冷却和加热系统为基础，实现了零件强度可调、材料厚度适中以及重量减轻的设计目标。本文对热成型软区技术的原理、工艺流程、模具结构设计及其应用领域进行了深入剖析。实际生产中观察到，采用热成型技术在软区制造的零件，与传统的等强度热成型零件相比，能够显著增强汽车的强度和安全性，并且减轻车身重量，从而实现汽车的轻量化设计以及节能减排的目标。
1、热成型软区工艺原理
热成型技术中，针对板材采用等厚度处理，采用特殊工艺，使得不同区域具备不同强度特性。在单一零件上，这一技术将零件划分为两个区域：硬质区域和柔软区域。硬质区域保持其抗拉强度在1300兆帕以上，屈服强度在900兆帕以上；而柔软区域的抗拉强度则降至640兆帕，屈服强度为420兆帕。
采用加热炉设备对料片各部位实施分区加热管理，以调节其加热温度，然而，要实现这一目标，需投入巨额的设备成本，并且一旦生产线建成，便无法再增设相关设施，故此方法并不适合那些追求稳定和持续发展的生产企业。
目前，我们可以利用模具的水冷系统以及电热系统来布置料片硬区的水道，以此提升冷却效率。当板料被整体加热至860℃至960℃之间时，料片能够实现完全的奥氏体化。在模具合模的瞬间，迅速进行冷却处理，从而使得料片形成高强度的淬火马氏体。软区模具内部安装有电阻丝，这些电阻丝与外部电加热系统相连，确保软区部位能够持续且稳定地加热至500℃，维持这一高温状态超过10秒钟，直至所需软化的区域保持其原有的奥氏体、珠光体和铁素体等多种组织组合，从而在同一个零件的不同区域实现不同的机械性能。
2、热成型软区工艺优势
为了更有效地满足轻型汽车对优良防撞性能的需求，诸如汽车B柱等具有变强度特性的高强度热冲压部件在汽车车身制造中得到了普遍应用。这些部件的优势在于，它们能够用较薄的钢板替代原本较厚的钢板，并通过引入多相微观组织来取代先前的单相马氏体结构。这样的改进不仅有助于减轻汽车零部件的重量，而且还能显著提升其缓冲和吸收能量的性能。热成型技术在汽车制造中的应用不仅有效抵御外界撞击汽车钢材变形类型，确保车辆结构的完整无损，而且还能在车辆遭受撞击时吸收冲击能量，从而保障乘客的安全。
热成型软区零件的应用，能够显著增强汽车关键部位的抗拉和屈服强度等机械性能，使其能够承受更强烈的撞击力。与此同时，该零件还能确保汽车非关键部位的抗拉和屈服强度相对较低，以便在碰撞时有效吸收能量并发生溃缩。这种双重机制的结合，不仅提升了汽车的碰撞安全性，还促进了汽车的轻量化设计。确保同一热成型部件在各个部分展现出差异化的机械特性，从而提升该部件在整车碰撞测试中的整体性能。
3、热成型软区工艺流程
热成型软区工艺流程如下：
开卷落料过程涉及利用落料压机和落料模具，对热冲压板料进行冲裁，从而获得所需的外形轮廓。
转移：使用机械手等设备将毛还转移至加热炉中。
对板料进行加热与保温处理，需将其温度升至奥氏体再结晶点之上，并维持一定时间以实现完全均匀的奥氏体化。这一过程中的奥氏体化参数，包括加热温度与保温时长，对板料奥氏体化质量具有显著影响。此外，在加热与保温阶段，板料表面极易发生氧化，这不仅会削弱后续冲压淬火的效果，还额外增加了表面清理的工作量。对板料实施表面防护措施，如施加防氧化涂层，或向加热炉内注入保护性气体，如氮气，可有效降低钢板出现氧化层的可能性，甚至完全防止其产生。
运用机械手等自动化设备，将经过奥氏体化处理的板材从加热炉中取出，并精确地转移到热冲压成形的水冷模具内。
迅速进行冲压成型、实施保压淬火以及模具内持续加热和保压处理：迅速完成冲压成型并实施保压淬火，借助模具的冷却系统对高温板材进行淬火处理，确保热冲压零件的硬质区域形成均匀的马氏体结构，并具备优异的机械性能。模具内持续加热和保压处理，则有助于热冲压零件的软质区域保持原有的奥氏体状态，防止其发生马氏体转变。此外，保压工艺还能有效降低回弹现象，提升热冲压零件的形状精度。
转移：使用机械手等设备将热冲压成形零件从模具中取出。
后续工序包括：通过酸洗或喷丸技术清除零件表面的氧化物，以提升其表面品质；运用激光切割机和激光钻孔设备对超高强度热冲压件进行切割边缘和打孔处理，亦或是在热冲压成型前先行钻孔。
4、热成型软区模具设计
热成型软区模具的结构相较于传统热成型模具更为繁复，它结合了水冷系统和电加热系统。在此系统中，引入了能够精确快速调整的定位杆装置和可伸缩的定位杆调节装置。这些装置的应用，不仅能够显著缩短工装上线后的调节时间，还能精确控制零件软区与硬度过渡区的长度，从而实现降低生产成本的目标。
图1展示了某车型所使用的支柱加强板零件，图中编号1标记了必须进行硬化的区域。该零件在此区域的抗拉强度必须超过某个值，屈服强度也需超过另一个特定值。为此，我们通过在模具该区域的镶块上实施水道加工，将其与水冷系统连接，以实现快速冷却。这种冷却方式能够使原材料从奥氏体状态转变为均匀的马氏体，满足我们的设计要求。
图示中的3号区域是零件的软硬过渡带，这一区域通常由残余奥氏体、珠光体、马氏体和铁素体等一种或多种组织构成。该过渡带属于不受控制的区域，在模具内部，通过布置隔温石棉或耐高温高压的玻璃纤维来达到隔热的效果；图示中的2号区域是零件需要软化的部分，在该区域，最终成品的抗拉强度必须超过一定值，屈服强度同样需要超过特定标准。模具内软区位置镶块打孔，布置电阻丝，用于模内持续加热输出。
模具内部的镶块电阻丝布置完成，随后与外部加热装置通过电控信号实现连接，借助外部电加热系统对镶块温度进行自动化调控，从而确保镶块温度能够持续稳定地维持在500℃±50℃的范围内。这一措施旨在防止零件软区部位的金属组织发生马氏体转变，保持原有的奥氏体、珠光体和铁素体的多种组织结构，以满足技术规范的要求。
硬区部位模内水道快速冷却
如图所示，硬区部位的模具内部依旧设有水道，这些水道与水路系统和设备的水路相连接。通过外部设备对水流量和水温的调节，可以确保硬区部位的镶块表面温度不超过80℃。这样的温度控制有助于使零件硬区部位的金属组织从奥氏体向马氏体转变，从而满足技术规范的要求。
5、热成型设备
与传统冷成型模具制造工艺相比，热成型工艺采纳了高速上料机械臂、高效液压装置以及辊底式加热设备，具体如图5和图6所展示。借助高端自动化机械臂，能迅速且精确地将板材从叠放区域搬运至加热炉的输送带，该加热炉采用38米长的辊底式设计，对板材进行3至5分钟的加热处理，使其温度升至900℃以上；此外，还配备了多种先进的测温设备，确保大批量生产过程中的稳定性。
解析与研究热成型软区工艺的开发过程，实际生产情况显示，与传统的热成型等强度零件相比，热成型软区零件能够显著提升汽车的强度和安全性，并且减轻车身重量，从而实现汽车的轻量化设计，并促进节能减排。
