CN114770037B - 一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法，包括如下步骤：S1、选取钢卷原材料在开卷线上开卷后进行高频焊接卷管，通过水冷整形后冷切飞锯取得合适尺寸卷焊管坯；S2、对管坯依次进行高频淬火、空冷过渡、水冷、切割、烘烤回火、冷却；S3、装配时防撞杆的焊缝需面对碰撞方向±20°以内。本发明通过结合结构优化与装配要求限定要求提升了材料的弯曲性能，进而满足车身的碰撞性能要求，该制造设计方案可适用于2GPa强度级别车门防撞杆的工业化生产制造。

Description

一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法
技术领域
本发明涉及汽车材料技术领域，具体涉及一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法。
背景技术
汽车轻量化对节能减排具有重大的现实意义。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
而选择高强钢材料是最经济、最有效的汽车轻量化的手段。市场上主流B级车的白车身高强钢的比例超过60％，高强钢零件的分布在车身侧围和地板区域。汽车侧门防撞杆是为了车门的防撞而设计的安全件。众所周知，当汽车受到侧面撞击时，车门很容易受到冲击而变形，从而直接伤害到车内乘员。为了提高汽车的被动安全，不少汽车公司就在汽车两侧门夹层中间放置一两根非常坚固的钢梁，这就是常说的侧门防撞杆。对汽车侧门防撞杆的使用要求是能够有效地抵御遭到意外时的冲击力，因此防撞杆必须具备强度与韧性相结合的良好的综合机械性能。
现阶段乘用车常用1500MPa级别防撞杆，其原材料一般用22MnB5体系钢种材料(专利号：201010250115.8)，而选择更高强度的钢材料来进一步提升防撞杆的强度，确实可以减薄防撞杆的管壁厚度，起到汽车轻量化的作用，但是同时存在问题：其在碰撞过程中因韧性差而产生脆性开裂而无法满足车身碰撞要求的缺陷，无法同时兼顾强度与韧性的综合机械性能要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法。本发明通过结合结构优化与装配要求限定要求提升了材料的弯曲性能，进而满足车身的碰撞性能要求，该制造设计方案可适用于2GPa强度级别车门防撞杆的工业化生产制造。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法，包括如下步骤：
S1、选取钢卷原材料，经预处理得到管坯；
S2、对管坯进行后处理，得到防撞杆；
S3、在车门上装配防撞杆时，防撞杆的焊缝需面对碰撞方向±20°以内。
优选的是，所述步骤S1中，钢卷原材料采用35MnVB钢板，其化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.3～0.4％，Mn：1.0～2.5％，B：0.001～0.005％，V：0.2～0.4％，Ti：0.06～0.12％，Alt：0.02～0.06％，Si：≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步优选的是，35MnVB钢板的化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.35％，Mn：1.6％，B：0.003％，V：0.25％，Ti：0.092％，Alt：0.042％，Si：≤0.22％，P≤0.015％，S≤0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的是，所述步骤S1中的预处理步骤包括：钢卷原材料在开卷线上开卷后进行高频焊接卷管，通过水冷整形后冷切飞锯取得卷焊管坯。
进一步优选的是，所述步骤S1中，高频卷焊功率为41±2KW，速度为12-15m/min。
优选的是，所述步骤S2中的后处理步骤包括：对管坯依次进行高频淬火、空冷过渡、水冷、切割、烘烤回火、冷却。
进一步优选的是，所述步骤S2中，高频淬火功率为85±3KW，速度为3700±50m/min。
进一步优选的是，所述步骤S2中，烘烤回火温度为180±10℃，烘烤时间为20±5min。
优选的是，所述步骤S3中，装配时防撞杆的焊缝需面对碰撞方向±15°以内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、本发明首次采用35MnVB体系钢种，并结合在工艺上对高频卷焊、高频淬火以及烘烤回火的参数调整，制备出2GPa强度级别超高强车门防撞杆，比当前传统零件强度高500MPa，同时达到了零件对应折弯试验要求，即碰撞性能的韧性要求，取得强塑性合理平衡的效果。
2、本发明通过替代传统材料，取得了减重25％的轻量化效果，并同步获得了成本收益(核算约2元/车)。
3、由本技术方案产生的减薄替代方案对零件设计没有产生新的要求，可同时在量产和新开发车型上推广应用。
附图说明
图1是本发明防撞杆装配时焊缝面对碰撞方向的示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。
下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
下面结合附图1和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法，包括如下步骤：
(1)原材料组分及高频卷焊管坯制备：
本发明实施例1～11、对比例1～2的化学组分及重量百分含量的取值如表1所示；2GPa级别防撞杆用钢板原材料选择35MnVB体系的钢种，其中Fe和杂质未列出：
表1为本发明各实施例和对比例的化学组分及重量百分含量列表
表2为本发明各实施例和对比例的性能检测情况列表
力学性能 Re(Mpa) Rm(Mpa) A50％
实施例1 1580 2050 6.3
实施例2 1420 1894 6.5
实施例3 1656 2121 6.1
实施例4 1613 1993 6.2
实施例5 1592 2082 6.1
实施例6 1564 2027 6.4
实施例7 1497 1998 6.5
实施例8 1502 2004 6.4
实施例9 1532 2045 6.2
实施例10 1561 2090 6.2
实施例11 1670 2146 6.1
对比例1 1557 1989 4.2
对比例2 1604 2102 5.4
通过对实施例1-11的理化综合性能数据可知，可以达到屈服Re 1400～1700MPa，抗拉Rm 1800-2200MPa，延伸A50％不小于6，11组实施例可以制备出2GPa强度级别超高强车门防撞杆，比当前传统零件强度高500MPa，同时达到了零件对应折弯试验要求，即碰撞性能的韧性要求，取得强塑性合理平衡的效果。其中，实施例1各方面综合性能最佳，作为本发明的最佳实施例。
通过对对比例1-2的理化综合性能数据可知，当不添加元素Ti或添加过量时，虽然其屈服强度和抗拉强度均满足使用要求，但是延伸率在6％以下，不能满足碰撞性能的韧性要求，因此元素Ti的优选范围为0.060-0.120％。
经试验，C含量在0.30-0.40％，以提升钢种屈服与抗拉强度；Mn含量在1.2-2.5％以提升钢种的强度和硬度的同时获得较好的淬性和热加工性能，降低了马氏体的转变温度，C、Mn两种元素设置上限保证本材料具有良好的焊接性能；添加0.15-0.4％的V是起到细化晶粒和进一步提升强韧性的作用，同时也提高了高温高压的抗氢腐蚀能力；适量的B改善钢的致密性和热轧性能并提高淬透性；添加0.060-0.120％的Ti，提高了钢的临界点同时使奥氏体晶粒细化，提升了韧性。
本材料Ac3(℃)其值在950-962℃。考虑工业化生产效率和能耗，实际制造加热温度为960-970℃。以下工艺参数方案均以此为依据确定。
卷焊管坯工艺流程：
选取钢卷原材料在开卷线上开卷后进行高频焊接卷管，通过水冷整形后冷切飞锯取得合适尺寸卷焊管坯。
卷焊工艺：采用高频焊接，利用高频电流所产生的集肤效应和相邻效应，进行直缝钢管的制备。其工艺特点：电流的速度快，在很短的时间内将相邻的钢板边部加热，熔融，并通过挤压实现对接。
表3高频卷焊制管工艺参数要求
经试验，采用高于本功率及速度的任一工艺参数制备管坯，无法满足直缝钢管焊缝标准要求及材料三点弯曲韧性要求，其0°、90°、180°方向三点弯曲试验断裂，并呈现较多横向裂纹。本工艺参数方案材料0°、90°方向三点弯曲未断裂，180°方向断裂无横向裂纹，并满足压扁及扩口性能要求。采用低于本功率及速度的工艺参数制备管坯，其生产效率低于本工艺方案。
(2)高频淬火热处理管件：
热处理工艺流程：高频淬火→空冷过渡→水冷→切割→烘烤回火→冷却
高频淬火进行本零件的表面淬火，使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热表面，达到快速淬火的目的。
表4高频淬火工艺参数要求
淬火功率KW 等效温度区间℃ 速度m/min 烘烤回火温度℃ 烘烤时间min
85±3 950-970 3700±50 180±10 20±5
经试验，采用高于本功率方案制备的零件，其材料韧性差，0°、90°、180°方向无法满足三点弯曲试验要求。本工艺方案制备的管件0°方向三点弯曲可达到最大压下量，90°达到最大压下量的1/2以上，180°达到最大压下量的1/3以上。低于本功率方案制备的零件，其材料强度无法达到1800MPa，无法保证后续侧碰性能要求。低于本速度方案其生产效率偏低。
本工艺方案充分考虑了采用与汽车涂装工艺相当的烘烤温度及时间进行回火后的零件状态进行的设计定义。表5为烘烤前后压弯试验结果，数据表明烘烤前零件其0°范围内压弯均能满足侧碰状况下能量吸收的技术要求，20°接近要求下限值，45°不达标，烘烤后0-45°范围内压弯满足技术要求，45°接近要求下限值。
表5烘烤回火前后防撞杆压弯试验结果数据
(3)零件装配要求限定
结合压弯试验数据结果，考虑到乘用车车门侧碰要求，对零件的装配方式进行了规定。具体要求：在车门上装配防撞杆时，要求防撞杆的焊缝面对碰撞方向±20°以内，优选±15°以内。
如图1所示，为了更好的说明防撞杆焊缝的装配要求，图中采用防撞杆沿垂直于车门方向的截面图，定义碰撞方向为垂直于车门的方向(碰撞方向与防撞杆轴线互相垂直)，其中a表示为焊缝与防撞杆轴线所在面与碰撞方向之间夹角﹢20°；b表示为焊缝与防撞杆轴线所在面与碰撞方向重合，夹角为0°；c表示为焊缝与防撞杆轴线所在面与碰撞方向之间夹角-20°。
效果验证：
采用本技术方案制造的2GPa级别车门防撞杆替代传统用22MnB5(1500MPa级别)，壁厚减薄25％进行替代。例2.2mm减薄至1.65mm，分别搭载车型A和车型B进行CAE碰撞分析，其最大局部变形分别为4.4％和2.3％，均在材料延伸率(6％)以下，可满足相关设计及碰撞性能要求。
本发明的一种轻量化车门防撞杆的制造方法的技术关键点，首先是针对35MnVB体系钢种形成的高频卷焊制管坯的工艺参数，其管坯满足弯曲、扩口、压扁等后续工艺要求相关性能。其次是兼顾热处理效果和后续汽车制造的烘烤工艺条件下的高频淬火制管的工艺参数。该工艺参数组合为零件成品性能和生产效率的最优平衡点。最后，结合本技术方案的材料特性对装配方式进行了规定以满足乘用车的碰撞性能要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取钢卷原材料，经预处理得到管坯；
S2、对管坯进行后处理，得到防撞杆；
S3、在车门上装配防撞杆时，防撞杆的焊缝需面对碰撞方向±20°以内；
所述步骤S1中，钢卷原材料采用35MnVB钢板，其化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.3～0.4％，Mn：1.0～2.5％，B：0.001～0.005％，V：0.2～0.4％，Ti：0.06～0.12％，Alt：0.02～0.06％，Si：≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述步骤S1中的预处理步骤包括：钢卷原材料在开卷线上开卷后进行高频焊接卷管，通过水冷整形后冷切飞锯取得卷焊管坯；高频卷焊功率为41±2KW，速度为12-15m/min；
所述步骤S2中的后处理步骤包括：对管坯依次进行高频淬火、空冷过渡、水冷、切割、烘烤回火、冷却；高频淬火功率为85±3KW，速度为3700±50m/min，烘烤回火温度为180±10℃，烘烤时间为20±5min。
2.根据权利要求1所述的轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法，其特征在于：35MnVB钢板的化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.35％，Mn：1.6％，B：0.003％，V：0.25％，Ti：0.092％，Alt：0.042％，Si：≤0.22％，P≤0.015％，S≤0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的轻量化的车门防撞杆的制造及装配方法，其特征在于：所述步骤S3中，装配时防撞杆的焊缝需面对碰撞方向±15°以内。
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