2 GPa熱成形座椅橫梁開(kāi)裂失效分析及工藝研究

祁學(xué)軍 王新坤 陳嘉玥 薛福元 劉勇 許夢(mèng)琦

作者簡(jiǎn)介：祁學(xué)軍（1978—），男，高級(jí)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(zhuān)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(kāi)裂失效分析及工藝研究[J]. 汽車(chē)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(kāi)裂的問(wèn)題，經(jīng)分析，該零件開(kāi)裂為氫脆致裂，通過(guò)追查零件工藝發(fā)現(xiàn)引起零件氫脆開(kāi)裂的原因?yàn)榧訜釡囟冗^(guò)高、加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、零件轉(zhuǎn)移時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)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(kāi)裂 熱成形工藝 軟模試制

中圖分類(lèi)號(hào)：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(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，汽車(chē)零件的輕量化、高強(qiáng)化、集成化設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，熱成形鋼在車(chē)身上的使用比例大幅提高，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)熱成形鋼占車(chē)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(chē)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(lái)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(wèn)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(chē)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(chē)試制階段，發(fā)現(xiàn)該車(chē)型有10余臺(tái)白車(chē)身前座椅第1、第3橫梁與門(mén)檻加強(qiáng)板邊緣焊接搭接處拐角位置出現(xiàn)開(kāi)裂，開(kāi)裂位置相似，裂紋大小及形態(tài)不完全相同，首先對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行原因分析。

2 座椅橫梁批量開(kāi)裂原因分析

2.1 問(wèn)題背景

某車(chē)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(chē)試制階段，發(fā)現(xiàn)該車(chē)型使用的7個(gè)2 GPa零件在MULE車(chē)制造過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)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(chē)身上后出現(xiàn)開(kāi)裂。開(kāi)裂問(wèn)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(kāi)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(chē)身可知：厚度為1.6 mm的零件有9個(gè)開(kāi)裂，厚度為2.0 mm的零件有2個(gè)開(kāi)裂，厚度為1.4 mm和1.8 mm的零件可視段未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，兩端被連接件覆蓋，無(wú)法查看開(kāi)裂情況；開(kāi)裂區(qū)域主要存在于零件兩端與門(mén)檻件點(diǎn)焊搭接位置，原因推測(cè)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(kāi)發(fā)件，采用箱式爐加熱，無(wú)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(cè)試與分析

2.3.1 零件材料成分

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

對(duì)比測(cè)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(cè)試

硬度測(cè)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(cè)試，使用的測(cè)試設(shè)備型號(hào)為WILSION。零件硬度值要求為520～640 HV10，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

對(duì)比測(cè)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(cè)試，測(cè)試設(shè)備為Zwick設(shè)備，測(cè)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(shuō)明失效熱成形零件的加熱溫度過(guò)高，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[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(cè)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(kāi)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(hào)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(cè)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(kāi)裂，與失效件同批次的板料試驗(yàn)樣品加載72 h后不開(kāi)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(hào)、2號(hào)和3號(hào)位置均存在較大應(yīng)力，其中1號(hào)位置存在裂紋，2號(hào)、3號(hào)位置未達(dá)到臨界應(yīng)力，無(wú)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(kāi)裂屬于氫致延遲開(kāi)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(zhuān)利窗口范圍，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、溫度過(guò)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(kāi)裂位置受應(yīng)力影響發(fā)生延遲開(kāi)裂，未開(kāi)裂的應(yīng)力增大位置也存在延遲開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；

c.模具冷卻方式為空冷，提供了氫的來(lái)源；

d.加熱爐無(wú)露點(diǎn)控制，存在露點(diǎn)過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)。

3 零件熱沖壓工藝驗(yàn)證

以上分析說(shuō)明，2 GPa熱成形零件氫脆開(kāi)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(wú)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(duì)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(kāi)裂則視為合格。每種組合樣品取2個(gè)試驗(yàn)樣品，編號(hào)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(guò)分長(zhǎng)大，熱處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；樣品c、樣品d的中間層過(guò)大或接近上限（15 μm），熱處理溫度過(guò)高。

3.3 力學(xué)性能

針對(duì)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(cè)試結(jié)果如表7所示。

測(cè)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(duì)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(duì)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(guò)長(zhǎng)仍然會(huì)導(dǎo)致零件氫脆延遲斷裂失效。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)組合，為避免攝入過(guò)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?qǐng)D19[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(guò)程中采用接觸式水冷模具進(jìn)行淬火。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)研究2 GPa熱成形材料加熱溫度、加熱時(shí)間對(duì)成形結(jié)果的影響，確定了加熱溫度、加熱時(shí)間對(duì)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(chē)上的應(yīng)用發(fā)展較慢的主要原因之一是氫脆延遲開(kāi)裂，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，針對(duì)2 GPa熱成形零件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已經(jīng)領(lǐng)先國(guó)外，國(guó)內(nèi)量產(chǎn)應(yīng)用在新能源汽車(chē)上的2 GPa零件包括地板橫梁、A柱、B柱本體、雪橇板、門(mén)環(huán)Patch板等零件，目前正在研發(fā)2 GPa一體式后下車(chē)身骨架、2 GPa一體式激光拼焊門(mén)環(huán)等集成零件。

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