薄AlSi镀层热冲压钢及其激光拼焊技术

坚持将知识产权作为企业生存的命脉，育才堂致力于汽车轻量化和先进功能金属材料的研发，与全球多家汽车公司和材料公司深度合作，为传统金属材料注入活力。

宇唐材料科技有限公司总工程师、汽车钢材部周树博士以铝硅涂层热成型材料产品、低成本激光拼焊门环战略为主题，详细介绍了高韧性铝硅涂层热冲压钢、激光拼焊技术、一体化门环。以下是演讲内容:

周树博士，宇唐材料科技有限公司汽车钢材部总工程师。

玉堂材料科技有限公司简介。

我们公司叫育才堂材料科技有限公司，英文名是“EASY FORMING”(比较容易成型的零件)。公司团队人数不到40人，但80%以上是博士和硕士，专注于技术研发和工程应用。公司的方向是专注于先进钢铁创新技术的研发，满足高强、高韧、特殊要求(高导热)等行业的需求。

公司的路线是先科研，后技术，最后工业量产。目前主要集中在热成型钢领域。通过近几年的发展，针对铝硅涂层开发了PHS涂层技术:Aluslim，意为“瘦身”，表明该产品是涂层更薄、更具成本和环保优势的涂层。

基于这种涂层，我们开发了PHS基料技术:2000MPa、1500MPa、1000MPa PHS。根据实际工况和不同场景，制定不同的强度等级和不同的韧性要求，为汽车设计人员提供了灵活的产品选择。基于这些材料的技术，我们可以在激光拼焊中做更多的集成集成方案。

除了车身用钢，我们还有其他的研发，比如高导热模具钢。随着一体化零件的集成性越来越强，零件越来越大，这不仅要求压力机的吨位，还要求铝合金的成形温度和工艺。所以我们布局了高导热模具钢，简单来说就是虽然提高了成型温度，但是材料的导热系数也更高，可以使模具在更高的成型温度下保持高效的使用寿命。

玉堂材料科技有限公司位于苏州。我们有一个研发的实验平台，代表了我们公司整个发展过程中的一个独特点:通过连接合金设计、工艺研究、应用评价的完整链条，具备了热冲压钢材产品的全流程研发能力。

对于烫印工艺，我们会对其工艺进行更加灵活的模拟，实验室自主研发了一套专用的烫印工艺设备，可以针对不同的材料和性能进行烫印模拟。这些RD和应用离不开我们与车企和钢厂的沟通。我们团队的RD领域覆盖了产业链的不同位置，我们可以不分青红皂白地与零部件厂和汽车厂进行互动。我们不仅仅是技术开发者，更希望与整个烫印产业链的工程技术人员共同开发，与行业共同进步。

高韧性铝硅涂层热冲压钢

接下来，我将介绍高韧性铝硅涂层的热冲压钢。烫印是加热后从软态到更软态，成型后再到硬态的过程。因为过程中有加热，钢材表面氧化是不可避免的。1999年，尚友发明了我认为世界上最伟大的钢材之一，单个品种就能卖出三百万吨，这是其他钢材永远做不到的，那就是铝硅涂层产品，解决了热成型时表面氧化脱碳的问题。

但是，再伟大的产品，在使用过程中也会出现不友好的技术问题。常规涂料产品面临三大问题:一是加热效率低，涂料液化粘辊；二是韧性不足，延迟开裂；第三，零件防腐，点焊电极磨损。

我们公司擅长在基础技术问题中寻找本质。通过微观分析，推测韧性不足的问题，感觉加热过程中铁、铝扩散，在基体界面形成富碳特征。因为富碳特征一旦形成，热冲压后，高碳马氏体会覆盖基体表层。在碰撞变形过程中，首先发生的将是弯曲开裂。如果表面有脆性的富碳层，材料的韧性肯定会下降，表面裂纹会优先从脆性的富碳层出现。下图是微观分析，证实了界面具有明显的富碳特征。

我们还发现，较薄的涂层也有利于加热。在实际烫印过程中，表面涂层液化后会吸收大量的热量，高吸热也使得Al-Si涂层在加热过程中的加热效率明显提高。从双碳的角度来看，加热效率的提高会导致耗电量的降低和单位面积铝硅涂层的减薄，也会导致碳更低的结果，进一步提高生产效率。关于这项技术，我们已经形成了自主知识产权，也已经向国内三家钢厂授予了专利，并完成了相应的试制和材料认证。

高韧性铝硅涂层热冲压钢件的试验

我们还对具有高韧性铝硅涂层的热冲压钢件进行了一些试验。在门槛的三点弯曲试验中，最终的裂纹破坏位置是一个拐角。如果薄涂层和厚涂层对比，数据显示使用薄涂层时吸能性能提高了一定比例，那么碰撞安全性肯定会提高。在B柱的三点弯曲试验中，具有薄涂层的热冲压件可以显著延缓大变形下的脆性断裂。

基于不同部位对能量吸收的不同要求，我们已经完成了1000MPa、1500MPa、1800MPa三个强度等级材料的试制，并于今年上半年开始小批量供货。在测试中，1000MPa材料烘烤后强度可达1100Mpa以上，而VDA可达88度，1500MPa烘烤后可达1550MPa，VDA为65度，1800MPa烘烤后可达1850MPa，VDA可达55度。

通过材料成分的设计和优化，在PH = 1的强酸条件下保持了100%屈服强度的应力水平，1000MPa和1500MPa的材料在120h h内没有开裂，但1800MPa的材料在强酸条件下仍然存在一些问题。虽然其应力水平基本接近1500MPa材料，但其延迟开裂性能不如1500MPa材料。但在空气介质中，保持100%的屈服强度应力水平，1800MPa的材料能保证淬火烘烤后的材料300h不开裂。

合适的材料应该用在合适的地方。这些不同性能的产品可以给设计师带来更灵活的设计方案。例如，1000MPa的材料具有最好的韧性和高强度，适合用于碰撞变形时吸收能量的部件。1500MPa具有均衡的强韧性，适用于各种碰撞条件下的部件。1800MPa具有超高的强度和足够的韧性，适用于抵抗变形和侵入的部件。此外，上述强度等级材料均在材料和零件层面完成了材料断裂和HAZ失效卡的标定，支持车企进行精确的CAE模拟。

激光拼焊技术和集成门环

如果要将以上材料进行一体化，就涉及到激光拼焊一体化门环的工艺和应用。就行业而言，多零件一体化设计方案已经成为汽车车身轻量化设计的大趋势。激光拼焊技术将在汽车车身制造业的发展中发挥重要作用。这项技术有四个优点:1 .成本低:钢材，材料利用率高，一体化设计；2.轻量化:多种材质规格柔性拼焊，无搭接边；3.更好的碰撞安全性:强弱合理分配；4.低碳排放。

备件传统生产工艺与集成门环生产工艺的比较。冲裁工艺类似，但在传统的零配件生产工艺中，冲裁后的零配件需要直接热冲压，然后点焊形成最终产品。在一体化生产过程中，下料后要将所有材料进行激光焊接，形成完整的料片，然后进行一体化烫印。从流程上看，后者对零部件、供应商、物流、模具的管理更加深入，会让整个生产流程更加高效低碳。

在此工艺下，一体化激光拼焊门环具有五大特点:一体化设计，减少零件数量；通过分块优化，提高了材料利用率；材料厚度和强度可以灵活组合；在高变形区应用高韧性材料更安全；但是工艺成本高。

激光拼焊镀铝热冲压钢还有一个显著的技术问题，就是焊缝强度比母材弱。比如特斯拉的Model Y，采用内外四门环设计，采用剥离+激光拼焊的技术。那么，为什么铝硅涂层热成型钢在激光拼焊后还要进行激光剥离呢？因为在激光拼焊铝硅涂层的过程中，涂层中的铝全部进入焊缝，使得热处理后形成软相结构。熔化的铝使热冲压后焊缝成为F+M双相组织，但两种母材都是硬质相组织。当面对变形和拉伸时，焊缝自然会成为弱点。因此，如果要提高焊缝强度，就需要减少铝的影响。这就是为什么激光拼焊铝硅涂层需要一个剥离的过程。

如果使用薄涂层，可以减少剥离程序，并且可以直接进行焊接。这是因为涂层更薄，进入焊缝的Al明显减少，焊缝质量更稳定。但需要注意的是，需要有一道“加焊丝”的工序:填充中C/Mn等合金，在不额外预留间隙的情况下，最大限度地保证焊缝的几何尺寸，从而提高焊接效率，保证焊缝质量，降低原材料浪费的风险。

做个总结，育才堂材料科技致力于为客户提供高韧性薄铝硅涂层热冲压钢及其拼焊产品的全流程技术解决方案，提供材料强度500/1000/1500/1800MPa的高韧性铝硅涂层材料支持；为拼焊产品的开发提供技术支持，以进行块体优化(厚度分布、焊缝设计)和可制造性分析；提供低成本高效率的拼焊产品。

以上是我的报告。

2022年8月24日，材料股份有限公司总工程师、汽车钢材部周树博士发表了由盖世汽车主办的“铝硅涂层热成型材料产品及低成本激光拼焊门环战略”主题演讲。)