祁學(xué)軍 王新坤 陳嘉玥 薛福元 劉勇 許夢琦

作者簡介：祁學(xué)軍（1978—），男，高級工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)榻饘俨牧霞拜p量化。

基金項(xiàng)目：湖北省科技重大專項(xiàng)課題（2022AAA001）。

參考文獻(xiàn)引用格式：

祁學(xué)軍， 王新坤， 陳嘉玥， 等. 2 GPa熱成形座椅橫梁開裂失效分析及工藝研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（6）： 17-23.

QI X J， WANG X K， CHEN J Y， et al. Analysis and Process Research on Cracking Failure of 2 GPa Hot Formed Seat Cross Beam[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 17-23.

摘要：為解決2 GPa熱成形材料沖壓的座椅橫梁零件焊接后出現(xiàn)批量開裂的問題，經(jīng)分析，該零件開裂為氫脆致裂，通過追查零件工藝發(fā)現(xiàn)引起零件氫脆開裂的原因?yàn)榧訜釡囟冗^高、加熱時(shí)間過長、零件轉(zhuǎn)移時(shí)間過長，通過正交設(shè)計(jì)改進(jìn)零件不同的熱沖壓工藝組合并試制零件進(jìn)行驗(yàn)證，最終確認(rèn)2 GPa鋁硅鍍層熱成形零件的熱沖壓工藝窗口為熱成形的奧氏體化爐內(nèi)露點(diǎn)須低于-5 ℃，加熱時(shí)間為3～13 min，加熱溫度為880～940 ℃。

關(guān)鍵詞：2 GPa熱成形 氫脆開裂 熱成形工藝 軟模試制

中圖分類號：U465.1+1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240128

Analysis and Process Research on Cracking Failure of 2 GPa Hot Formed Seat Cross Beam

Qi Xuejun， Wang Xinkun， Chen Jiayue， Xue Fuyuan， Liu Yong， Xu Mengqi

（Voyah Automotive Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056）

Abstract： To address the issue of batch cracking of seat crossbeam parts stamped with 2 GPa hot forming material after welding， this article analyzed and found that this part was cracked caused by hydrogen embrittlement. Through tracing the parts process， it was found that hydrogen embrittlement cracking was caused by factors such as high heating temperature， long heating time， and long part transfer time. Through orthogonal design， different hot stamping process combinations of parts were improved to verify the prototyped parts， it was finally confirmed that for the 2 GPa hot formed parts with hot stamping process window in hot-formed austenitizing furnace， dew point temperature shall be under -5 ℃， heating time of 3～13 min， and heating temperature of 880～940 ℃.

Key words： 2 GPa hot forming， Hydrogen embrittlement cracking， Hot forming process， Soft mold

1 前言

近年來，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，汽車零件的輕量化、高強(qiáng)化、集成化設(shè)計(jì)越來越重要，熱成形鋼在車身上的使用比例大幅提高，國內(nèi)電動(dòng)汽車熱成形鋼占車身的使用比例可達(dá)30%，使用熱成形材料的零件有B柱、A柱、縱梁、中通道、頂蓋橫梁等，幾乎涵蓋所有車身結(jié)構(gòu)件，目前主機(jī)廠主要使用1 500 MPa的22MnB5熱成形材料，由于輕量化的需要，近年來2 GPa熱成形材料逐步應(yīng)用。氫脆是目前制約2 GPa熱成形鋼應(yīng)用的主要問題之一。氫脆是指因氫原子的滲入導(dǎo)致金屬機(jī)械強(qiáng)度降低、韌性下降，同時(shí)導(dǎo)致亞臨界裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象[1]。研究表明，由于高強(qiáng)鋼及超高強(qiáng)鋼的高強(qiáng)度[2]和馬氏體組織[3-4]，氫脆敏感性更高。

某車型前座椅第1、第3橫梁設(shè)計(jì)選材均采用2 GPa帶鋁硅鍍層的熱成形材料，在樣車試制階段，發(fā)現(xiàn)該車型有10余臺(tái)白車身前座椅第1、第3橫梁與門檻加強(qiáng)板邊緣焊接搭接處拐角位置出現(xiàn)開裂，開裂位置相似，裂紋大小及形態(tài)不完全相同，首先對該問題進(jìn)行原因分析。

2 座椅橫梁批量開裂原因分析

2.1 問題背景

某車型前座椅橫梁總成中部分零件采用2 GPa帶鋁硅鍍層的熱成形材料，如表1、圖1所示，在樣車試制階段，發(fā)現(xiàn)該車型使用的7個(gè)2 GPa零件在MULE車制造過程中出現(xiàn)開裂，零件在熱沖壓后完好，但在點(diǎn)焊后放置一段時(shí)間或裝配在車身上后出現(xiàn)開裂。開裂問題主要出現(xiàn)在厚度為1.6 mm和2.0 mm的零件上，其中，厚度為1.6 mm的零件開裂最嚴(yán)重，厚度為2.0 mm的零件次之。統(tǒng)計(jì)10臺(tái)白車身可知：厚度為1.6 mm的零件有9個(gè)開裂，厚度為2.0 mm的零件有2個(gè)開裂，厚度為1.4 mm和1.8 mm的零件可視段未發(fā)現(xiàn)開裂，兩端被連接件覆蓋，無法查看開裂情況；開裂區(qū)域主要存在于零件兩端與門檻件點(diǎn)焊搭接位置，原因推測為此區(qū)域有相比于其他區(qū)域更嚴(yán)重的應(yīng)力集中，具體斷裂如圖2所示。

2.2 生產(chǎn)工藝

目前，該失效零件為軟模試制開發(fā)件，采用箱式爐加熱，無露點(diǎn)控制，模具冷卻方式為自然冷卻。加熱工藝中，加熱溫度為930～940 ℃，加熱時(shí)間為15 min，保壓時(shí)間為3 min，沖壓完成后采用激光切割加工。所使用的加熱爐、壓機(jī)（1 000 t）、激光割機(jī)分別如圖3、圖4、圖5所示。

2.3 零件測試與分析

2.3.1 零件材料成分

對已經(jīng)成形的零件進(jìn)行取樣，采用直讀光譜儀進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)及測試結(jié)果如表2所示。

對比測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)可知，零件原材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 零件硬度測試

硬度測試按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行測試，使用的測試設(shè)備型號為WILSION。零件硬度值要求為520～640 HV10，測試結(jié)果如表3所示。

對比測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)要求可知，零件硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.3 零件折彎角

零件折彎角按照VDA 238-100（07/2020） Pl?ttchen-Biegeversuch für metallische Werkstoffe / Plate Bending Test for metallic materials要求測試，測試設(shè)備為Zwick設(shè)備，測試結(jié)果如表4所示。

2.3.4 零件金相組織及鍍層分析

截取失效零件斷口附近一小塊樣品，取其橫截面進(jìn)行鑲嵌制成試樣，樣品經(jīng)處理后按照GB/T 13298.1—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相分析，金相分析結(jié)果如圖6所示，其金相組織為全馬氏體組織；針對其鍍層進(jìn)行金相分析，光學(xué)顯微鏡分析顯示鍍層結(jié)構(gòu)未見合金擴(kuò)散層，如圖7所示；而熱成形后的正常擴(kuò)散層厚度≤15 μm，如圖8所示。

對失效件的鍍層進(jìn)行掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析，如圖9、圖10所示，鐵已經(jīng)擴(kuò)散至整個(gè)鍍層范圍，說明失效熱成形零件的加熱溫度過高，加熱時(shí)間過長[5]。

2.3.5 氫脆延遲斷裂分析

按照ASTM G39-99（2021） Standard Practice for Preparation and Use of Bent-Beam Stress-Corrosion Test Specimens，采用四點(diǎn)彎曲法進(jìn)行氫脆延遲斷裂分析測試，樣品在四點(diǎn)彎曲裝置上加載應(yīng)力并在空氣中放置72 h后不開裂即為合格樣品。

在失效件零件斷口附近取氫脆試樣2件，樣品尺寸為110 mm×40 mm；另外在與失效零件同批次卷號原板料中，取350 mm×350 mm板料，按正常熱處理工藝進(jìn)行平板淬火后再取氫脆樣品2件。

測試后發(fā)現(xiàn)，失效零件試驗(yàn)樣品加載3.5 h后出現(xiàn)氫脆延遲開裂，與失效件同批次的板料試驗(yàn)樣品加載72 h后不開裂，如圖11、圖12所示。

2.3.6 斷口SEM分析

在圖13零件裂紋處取樣并進(jìn)行SEM分析，斷口微觀形貌為冰糖狀沿晶脆性斷口，顯示斷口為脆性斷裂，如圖14所示。

2.3.7 應(yīng)力

零件經(jīng)線切割后應(yīng)力釋放，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)。圖15中的1號、2號和3號位置均存在較大應(yīng)力，其中1號位置存在裂紋，2號、3號位置未達(dá)到臨界應(yīng)力，無裂紋，但有較高斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.8 分析與結(jié)論

失效零件的化學(xué)成分、金相、硬度和彎曲角均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，失效零件抗氫脆延遲性能不合格，斷口形貌特征表現(xiàn)為脆性斷裂。綜上，失效零件在點(diǎn)焊完成并放置一段時(shí)間后出現(xiàn)的開裂屬于氫致延遲開裂，原因主要有以下4點(diǎn)：

a.熱成形工藝超出熱沖壓工藝專利窗口范圍，加熱時(shí)間過長、溫度過高，增加了氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)導(dǎo)致擴(kuò)散層侵入整個(gè)鍍層；

b.零件在點(diǎn)焊后存在較大應(yīng)力，開裂位置受應(yīng)力影響發(fā)生延遲開裂，未開裂的應(yīng)力增大位置也存在延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)；

c.模具冷卻方式為空冷，提供了氫的來源；

d.加熱爐無露點(diǎn)控制，存在露點(diǎn)過高的風(fēng)險(xiǎn)。

3 零件熱沖壓工藝驗(yàn)證

以上分析說明，2 GPa熱成形零件氫脆開裂的影響因素有熱沖壓加熱時(shí)間、加熱溫度、轉(zhuǎn)移時(shí)間、冷卻方式、露點(diǎn)控制等。在考慮軟模工藝設(shè)備及軟模零件的局限性的前提下，采用空冷方式、無露點(diǎn)控制和轉(zhuǎn)移時(shí)間固定的情況下，僅考慮加熱溫度、加熱時(shí)間對2 GPa熱成形零件氫脆性能的影響。

取同批次板料進(jìn)行平板淬火熱沖壓，改變加熱溫度、加熱時(shí)間，形成不同熱沖壓工藝組合的試驗(yàn)板料，經(jīng)工藝探索及正交試驗(yàn)組合設(shè)計(jì)，選取表5所示的4種工藝組合，每組合制作3塊樣品，尺寸為300 mm×300 mm。

從表4所示的4種組合熱成形板料中取試樣，分別進(jìn)行力學(xué)性能、鍍層、金相及抗氫脆性能比較。

3.1 抗氫脆性能

按照ASTM G39-99（2021），采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，加載載荷后在空氣中放置72 h，試件不開裂則視為合格。每種組合樣品取2個(gè)試驗(yàn)樣品，編號為b的樣品分別在放置4.25 h和6.5 h后發(fā)生斷裂，如圖16所示，樣品a、樣品c、樣品d在72 h內(nèi)均未發(fā)生斷裂。

3.2 鍍層結(jié)構(gòu)分析

在光學(xué)顯微鏡下分析每種組合試驗(yàn)樣品鍍層結(jié)構(gòu)及厚度，結(jié)果如表6及圖17所示。

由表6及圖17可知：樣品a的鍍層正常；樣品b的中間層過分長大，熱處理時(shí)間過長；樣品c、樣品d的中間層過大或接近上限（15 μm），熱處理溫度過高。

3.3 力學(xué)性能

針對a、b、c、d工藝組合試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)，測試結(jié)果如表7所示。

測試結(jié)果表明，4種組合樣品報(bào)告的抗拉強(qiáng)度均高于1 800 MPa。按實(shí)際鍍層厚度計(jì)算，去除鍍層影響，4種樣品烘烤后的強(qiáng)度均符合定義設(shè)計(jì)要求。

3.4 金相組織

對a、b、c、d樣品進(jìn)行金相分析，均為均勻馬氏體+少量鐵素體組織，為正常組織，如圖18所示。

4 分析與結(jié)論

對失效零件分析后，確認(rèn)原熱沖壓工藝加熱溫度為930～940 ℃，加熱時(shí)間為15 min，保壓時(shí)間為3 min，導(dǎo)致零件出現(xiàn)氫脆延遲斷裂失效，4種工藝組合熱沖壓板材，經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，a、b、c、d樣品的強(qiáng)度、硬度均符合定義要求，金相組織亦為正常組織，但樣品b出現(xiàn)氫脆試驗(yàn)不合格，樣品c、樣品d鍍層中間層結(jié)構(gòu)厚度接近上限，均不符合要求，樣品b再次確認(rèn)，盡管零件性能滿足定義要求，但熱沖壓工藝中加熱時(shí)間過長仍然會(huì)導(dǎo)致零件氫脆延遲斷裂失效。

經(jīng)過試驗(yàn)組合，為避免攝入過多的氫和嚴(yán)重的延遲斷裂風(fēng)險(xiǎn)，確認(rèn)2 GPa AS150熱成形材料熱處理工藝點(diǎn)如下：

a.熱成形的奧氏體化爐內(nèi)露點(diǎn)必須低于-5 ℃；

b.必需按照圖19[6]所示的熱成形工藝窗口進(jìn)行生產(chǎn)；

c.熱處理爐內(nèi)為干燥空氣，不允許使用任何保護(hù)性氣體；

d.零件必須采用激光切割；

e.不允許在熱成形過程中采用接觸式水冷模具進(jìn)行淬火。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合熱成形件軟模試制工藝限制，根據(jù)試制實(shí)際情況，通過研究2 GPa熱成形材料加熱溫度、加熱時(shí)間對成形結(jié)果的影響，確定了加熱溫度、加熱時(shí)間對熱成形結(jié)果的影響程度，規(guī)范了試制階段熱成形要求。

2 GPa熱成形材料在汽車上的應(yīng)用發(fā)展較慢的主要原因之一是氫脆延遲開裂，隨著國內(nèi)新能源汽車的快速發(fā)展，針對2 GPa熱成形零件的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)領(lǐng)先國外，國內(nèi)量產(chǎn)應(yīng)用在新能源汽車上的2 GPa零件包括地板橫梁、A柱、B柱本體、雪橇板、門環(huán)Patch板等零件，目前正在研發(fā)2 GPa一體式后下車身骨架、2 GPa一體式激光拼焊門環(huán)等集成零件。

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