板材受 “火焰矯正”材料性能變化實驗

靳玉濤，李斌

（長城汽車股份有限公司技術中心、河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及新車型的不斷開發(fā)升級，工程樣車試制試驗階段愈顯重要。然而，在工程樣車試制過程中，由于整車鈑金件數據不凍結等因素導致整車全套模具開發(fā)周期較長，在試制階段大部分鈑金件沒有合格的全序件。因此，在試制階段，需對部分制件進行人工敲制修改工作。

而隨著車型的升級，越來越多的制件材料采用高強板，高強板本身硬度大，敲制難度大，敲制時間長，人員體力消耗大。而且部分鈑金件材料較厚，更增加了敲制的難度。

由于工藝需要，且為了提高工作效率、節(jié)省人員體力，在敲制過程中，對高強板進行局部受火作業(yè)。高強板經過火烤作業(yè)后，敲制成型難度降低，且用時短、人員體力消耗小。但是，高強板通過火烤作業(yè)加上鈑金錘對高強板的敲打后材料性能發(fā)生了變化，雖然一般情況下，這種作業(yè)不會影響整車焊接質量及整車外觀效果。但是為了做好前期的驗證和分析，確定高強板火烤作業(yè)后發(fā)生的性能變化及性能變化趨勢，為以后鈑金敲制提供數據指導，我們運用DOE正交表分析板材在受火作業(yè)下材料性能的變化規(guī)律，并確定影響材料性能變化的主要因素。

文中主要是對工程樣車板材在手工敲制時，板材受“火焰矯正”發(fā)生性能變化的過程進行了分析。針對四種不同牌號、不同料厚的某款汽車車身部分鈑金件的材料受火作業(yè)后性能的變化采用DOE正交表實驗方法進行分析，最終確定了這幾種材料在受火作業(yè)后性能變化具體情況，有效地掌握了其受火后性能的變化及變化趨勢，為后續(xù)工作提供了有效指導依據。

1 試驗部分

表1四種牌號的試片均為某款汽車車型板材，以下列舉了一種牌號不同料厚的試片的試驗數據，及采用DOE正交實驗表對試驗數據進行分析的過程。

表1 某汽車板材四種牌號的試片

首先優(yōu)先選擇確定的因子有“板材料厚”、“火焰矯正時間”、“鈑金錘敲擊時間”、“淬火方式 （水冷、空冷）”四個主要影響因素，將其作為因子;采用三種不同的料厚定為3個水平。選擇正交設計表L9（43）來試驗，各個水平的取值參照表2、3。

表2 各試片取值

表3 各試驗取值

為了保證數據有效性及準確性，將每次試驗投入3個試片，每個試片上測取3個數據。以3個數據的平均值作為最終結果，且準備每種牌號不同料厚的試片各1片，不作任何處理，作為原始標定值。

1.1 試驗前處理

先將試片按照表4進行受火試驗處理，將試片板材進行標記 （標記位置為試片壓緊部位），再將試片按照表4進行線切割。對切割后的試片進行拉伸試驗，采集抗拉強度、屈服強度、延伸率、應變強化指數 （n值），并對其進行分析（表5）。

表4 各類牌號標距

1.2 試片試驗結果數據分析

（1）利用表5的方法將每種牌號測量數據進行數據分析，根據各列3個數據的極差，即最大數減去最小數。利用每項指標的極差值將每項的主次因子列出，再根據DOE綜合平衡法，將每項的指標綜合對比，得到最優(yōu)方案 （為了節(jié)省篇幅，其他參數的求和得到的數據沒有列出，僅僅列出了每種牌號各因素在每一水平下的平均值和各因素的極差值）。

表5 每種牌號的測量數據

根據表5將不同牌號不同料厚的試驗數據分別計算出每項指標各項數據值，表6數據為DC04（沖壓用冷連軋鋼）每項指標數據及最終優(yōu)選方案。

表6 抗拉強度分析

根據數據分析，對于抗拉強度，因子B（“火焰矯正”時間）影響最大，因子A（板料厚度）次之，因子D（淬火方式）再次之，因子C（鈑金錘敲擊時間）影響最小，較優(yōu)方案為B1A2D1C3。

表7 規(guī)定非比例延伸

根據數據分析，對于規(guī)定非比例延伸強度分析表，因子B（“火焰矯正”時間）影響最大，因子C（鈑金錘敲擊時間）次之，因子A（板料厚度）再次之，因子D（淬火方式）影響最小，較優(yōu)方案為B1C3A2D1。

表8 延伸率分析

根據數據分析，對于延伸率分析表，因子B（“火焰矯正”時間）影響最大，因子C（鈑金錘敲擊時間）次之，因子D（淬火方式）再次之，因子A（板料厚度）影響最小，較優(yōu)方案為B1C3D1A2。

表9 應變指數 （n值）分析

根據數據分析，對于延伸率分析表，因子B（“火焰矯正”時間淬火方式）影響最大，因子A（板料厚度）次之，因子C（鈑金錘敲擊時間）次之，因子D（淬火方式）影響最小，較優(yōu)方案為B1A2C3D1。

表10 綜合平衡表

由綜合平衡表 （表10）可知:

因子選取方法:

A因子的選取:A因子對各個指標都是主要因子，所以A因子經過綜合平衡后定為A2;

B因子的選取:B因子對于抗拉強度、規(guī)定非比例延伸強度為較為重要因子，所以B因子經過綜合平衡后定為B1;

C因子的選取:C因子對于延伸率為重要因子，對于其要素指標是次要因子，所以C因子經過綜合平衡后定為C3;

D因子的選取:D因子對于任何指標都均為次要因子，所以D因子經過綜合平衡后定為D1。

最終較優(yōu)方案為:A2B1C3D1。最終板材厚度為1.0 mm，火焰矯正20 s，鈑金錘敲擊20 s，空冷方式為最優(yōu)方案。

從表11中推斷出，動火作業(yè)后0.7 mm、1.0 mm的板材抗拉強度比未動火抗拉強度變小，受火時間越長抗拉強度越小，而1.4 mm的板材抗拉強度無論受火時間長短其抗拉強度不發(fā)生變化;材料的規(guī)定非比例延伸強度、斷后伸長率和應變指數均受火時間越短其變化量越小，而其1.4 mm料厚應變指數未發(fā)生變化。

表11 DC04板材動火作業(yè)與未動火數據對比

（2）根據表5將不同牌號不同料厚的試驗數據分別計算出每項指標各項數據值，表12為B250P1（加磷高強度鋼）每項指標數據。

表12 抗拉強度分析

根據數據分析，對于抗拉強度，因子A（板料厚度）影響最大，因子D（淬火方式）次之，因子B（“火焰矯正”時間）再次之，因子C（鈑金錘敲擊時間）影響最小，較優(yōu)方案為A1B3C3D3。

表13 規(guī)定非比例延伸強度分析

據數據分析，對于規(guī)定非比例延伸強度分析表13，因子A（板料厚度）影響最大，因子C（鈑金錘敲擊時間）次之，因子D（淬火方式）再次之，因子B（“火焰矯正”時間）影響最小，較優(yōu)方案為A1B0C3D3。

表14 延伸率分析

根據數據分析，對于延伸率分析表，因子A（板料厚度）影響最大，因子C（鈑金錘敲擊時間）次之，因子D（淬火方式）再次之，因子B（“火焰矯正”時間）影響最小，較優(yōu)方案為A1B0C1D1。

綜合平衡表如表15所示。

表15 綜合平衡表

因子選取方法:

A因子的選取:A因子對各個指標都是主要因子，A因子水平都為1水平。所以A因子經過綜合平衡后定為A1。

B因子的選取:B因子對各個指標都是次要因子，所以B因子經過綜合平衡后定為B0。

C因子的選取:C因子對規(guī)定非比例延伸強度、延伸率為主要因子，對于抗拉強度為次要因子，所以B因子經過綜合平衡后定為C3。

D因子的選取:D因子對抗拉強度為主要因子，對于規(guī)定非比例延伸強度、延伸率為次要因子，所以D因子經過綜合平衡后定為D3。

最優(yōu)方案:A1B0C3D3。最終板材厚度為1.0 mm，火焰矯正時間任取，鈑金錘敲擊20 s，采用水冷方式為最優(yōu)方案。

表16 B250P1動火作業(yè)與未動火作業(yè)數據

從此表推斷出B250P1牌號板材經過受火作業(yè)后抗拉強度變化區(qū)間為－2%至3%之間;規(guī)定非比例延伸強度受火時間越長板材1.2 mm、2.0 mm均為下降趨勢，而1.0 mm板材呈上升趨勢;延伸率受火時間越長板材1.2 mm、2.0 mm呈上升趨勢，反而1.0 mm板材出現下降趨勢。

（3）根據表5將不同牌號不同料厚的試驗數據分別計算出每項指標各項數據值，以下為B180H1（烘烤硬化高強鋼）每項指標數據 （表16）及最終優(yōu)選方案。

表17 抗拉強度分析

據數據分析，對于抗拉強度因子B（火焰矯正時間）影響最大，因子A（板料厚度）次之，因子C（鈑金敲擊時間）再次之，因子D（淬火方式）影響最小，最終較優(yōu)方案:B1A2C1D0。

表18 屈服強度分析

根據數據分析，對于屈服強度，因子B（火焰矯正時間）影響最大，因子A（板料厚度）與因子C（鈑金敲擊時間）影響次之，因子D（淬火方式）最小;最終較優(yōu)方案:B1A2C3D1。

表19 斷后伸長率分析表

根據數據分析，對于斷后伸長率，因子B（火焰矯正時間）影響最大，因子A（板料厚度）影響次之，因子C（鈑金敲擊時間）影響再次之，因子D（淬火方式）影響最小;最終較優(yōu)方案為B1A2C2D0。

表20 應變指數n值

根據數據分析，對于n值，因子B（火焰矯正時間）影響最大，因子C（鈑金敲擊時間次之）、因子A（板料厚度）再次之，因子D（淬火方式）影響最小;最終較優(yōu)方案:B1C2A0D2。

綜合平衡表如表21所示。

表21 綜合平衡表

因子選取方法:

A因子的選取:A因子對應板料厚度均為0.7 mm，故A因子水平無需考慮記為A0。

B因子的選取:B因子對于每個指標都是重要因子，B因子的水平都為1水平，所以B因子經過綜合評定后定為B1。

C因子的選取:C因子對于n值為較為主要因子，對于抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率為次要因子，所以C因子經過綜合評定后定為C2。

D因子的選取:D因子對于每項指標都為次要因子，所以D因子經過綜合評定后定為D0。

最終較優(yōu)方案:A0B1C2D0。最終板材厚度為0.7 mm，火焰矯正20 s，鈑金錘敲擊時間10 s，空冷水冷均可，為最優(yōu)方案。

表22 B180H1板材動火作業(yè)與未動火作業(yè)數據

從表中能推斷出B180H1板材抗拉強度動火作業(yè)后呈下降趨勢區(qū)間為－3%至－10%，受火時間越長抗拉強度越小，屈服強度受火時間越短，其變化數值越小;斷后伸長率均為下降趨勢，其區(qū)間為－6%至－26%，受火時間越長差值變化越大;應變強化指數基本維持不變狀態(tài)，與板材受火時間長短無關。

（4）根據表5將不同牌號不同料厚的試驗數據分別計算出每項指標各項數據值，以下為B340LA（低合金高強度鋼）每項指標數據及最終優(yōu)選方案。

表23 抗拉強度分析

根據數據分析，對于抗拉強度，因子A（板料厚度）影響最大，因子D（淬火方式）次之，因子C（鈑金錘敲擊時間）再次之，因子B（“火焰矯正”時間）影響最小，較優(yōu)方案為A1B3C3D3。

表24 屈服強度分析

根據數據分析，對于屈服強度分析表24，因子A（板料厚度）影響最大，因子B（“火焰矯正”時間）次之，因子C（鈑金錘敲擊時間）再次之，因子D（淬火方式）影響最小，較優(yōu)方案為A1B1C2D3。

表25 斷后伸長率分析

根據數據分析，對于斷后伸長率，因子D（淬火方式）影響最大，因子A（板料厚度）次之，因子C（鈑金錘敲擊時間）再次之，因子B（“火焰矯正”時間）影響最小，較優(yōu)方案為A2B0C2D2。

綜合平衡表如表26所示。

表26 綜合平衡表

因子選取方法:

A因子的選取:A因子對于抗拉強度、屈服強度均為重要因子，所以A因子經過綜合平衡后為A1。

B因子的選取:B因子對于任何指標都是次要因子，但對于屈服強度是較為重要因子，所以B因子經過綜合平衡后為B1。

C因子的選取:C因子對于任何指標都是次要因子，所以C因子經過綜合平衡后為C2。

D因子的選取:D因子對斷后伸長率為重要因子，但對于抗拉強度、屈服強度都為次要因子，所以D因子經過綜合平衡后為D3。

最終較優(yōu)方案:A1B1C2D3。最終板材厚度為1.0 mm，火焰矯正20 s，鈑金錘敲擊10 s，采用水冷方式，為最優(yōu)方案。

從表27中能推斷出B340LA板材都出現增大趨勢，板材1.4 mm、1.8 mm基本保持不變狀態(tài)，板材1.0 mm受火時間越長抗拉強度越大;屈服強度受火作業(yè)后都比原始數據大，其區(qū)間為11%至20%;板材受火作業(yè)后斷后伸長率呈下降趨勢且數值較大。

表27 B340LA動火作業(yè)與未動火作業(yè)數據

2 結論

（1）通過 DOE正交實驗表把 DC04、B250P1、B180H1、B340LA四種不同牌號且不同料厚的板材進行了分析，分析出每種牌號的板材最為較優(yōu)的受火方案分別是:

DC04牌號板材:較優(yōu)受火方案為A2B1C3D1（板材厚度為1.0 mm，火焰矯正20 s，鈑金錘敲擊20 s，空冷方式）;

B250P1牌號板材:較優(yōu)受火方案為A1B0C3D3（板材厚度為1.0 mm，火焰矯正時間可任取，鈑金錘敲擊20 s，水冷方式）;

B180H1牌號板材:較優(yōu)受火方案為A0B1C2D0（板材厚度為0.7 mm，火焰矯正20 s，鈑金錘敲擊時間10 s，空冷水冷均可）;

B340LA牌號板材:較優(yōu)受火方案為A1B1C2D3（板材厚度為1.0 mm，火焰矯正20 s，鈑金錘敲擊10 s，采用水冷方式）。

（2）采用一般試驗方法共需做試片312片，采用DOE需要做試片120片，共節(jié)省192片。采用DOE正交表分析，從時間上節(jié)約很多，同時也減少了材料的浪費，降低成本，提高工作效率。

（3）通過動火作業(yè)后的板材與未動火板材數值對比能確定出每種牌號的板材具體性能變化趨勢。

（4）高強板通過此方法既能推算出一組較優(yōu)的受火方案，又為后續(xù)工程樣車試制及驗證工作提供了指導依據。