热冲压：采用激光技术打造局部软化区

钢坯在热冲压工艺的第一阶段进入炉内。将坯料加热到900℃以上，使得它们在将钢转变为完全奥氏体相时更具延展性。

在20世纪70年代早期开发的率先用于为小刀、割草机刀片和铲子提供耐磨性的热冲压成形技术中，能够一次完成成形/淬火工艺，这被视作替代冷冲压和二次批量淬火的一种手段。今天，基于汽车轻量化和安全趋势，热冲压技术再次站上了舞台的中心。

经过数十年的研发，热冲压已历经几轮技术变革，如今它俨然成为生产那些汽车前部和后部碰撞易损零部件的一个切实可行的工艺，不再仅是停留在早期的汽车防撞梁和支柱等的加工应用。西班牙汽车零配件制造商北美地区的研发总监Paul Belanger表示，该工艺的关键点是能够在部件加工中创建更明确的软化区。

“将高强度钢移至碰撞区或许是基于对软化区的控制，”Belanger说道，“而相关的设计以及通过碰撞事件了解部件的运动学，显然能够助力减重。”

相比传统的冷冲压，热冲压使高强度钢更有效地通过成形工艺被打造为各种复杂的形状。通常，将钢坯料送入隧道式或堆叠式烘炉中，并加热至坯料具有可锻性的温度（高于900℃）。由于需要控制冲速并预留保压时间，坯料会被送入液压型压力机进行成形加工，紧随其后的是3-10秒的模内淬火——这也是模内水路存在的意义。就加热和淬火过程而言，前者将钢材完全转化为奥氏体相，而后者则将钢完成转化为马氏体相——目的是产生硬化材料，同时不会过度加压模具，因此材料在达到其最终的硬化状态前能够更容易地进行成形加工。

通过这个流程，超硬钢被加工为复杂的形状，从而产生轻质而坚固的部件，否则往往需要将较厚、较重的冷冲压部件焊接在一起。
通过使用改进的验证措施，如先进的成形和碰撞模拟数据和软件，本田汽车（Honda）和Gestamp能够在热冲压工艺中更好地定位模具中的软化区，在生产2015款本田思域Civic车型时的后排行李架导轨时，考虑其软化区特性，这样可以在之后的碰撞时提升撞击能量吸收能力。这一进展为两家公司赢得了美国钢材市场发展研究所（SMDI）颁发的“2016年汽车卓越奖”。

激光技术适宜定位软化区域

就Gestamp公司而言，作为欧洲最早开始使用热冲压技术的企业，现在他们正努力使用激光技术在冲压流程后创建软化区域。

如今，在冷却过程中，通过改变冷却水的冷却路线，可以将软区放置在模具内部的某一区域，冷却段变小后则能成为软区。凭借先进的模拟软件以及优化的碰撞测试数据，Gestamp一直在使用激光技术更好地定位软区，这也是被Belanger称之为的“第四代热冲压技术的演变”。

“激光技术非常有选择地软化了热冲压部件，扩展了可被软化的区域，并且在复杂的几何形状下使部件在冲撞过程中更有效地发挥作用，”他解释道。

为了保持热量，坯料快速地通向压机，并配有专门用于成形和淬火的模具。

根据Belanger的说法，归功于Gestamp的验证工作，这种选择性的软化区的创建已获得成功。

“我们确实有一个广泛的验证计划——从基础启动，先了解材料属性，然后对那些开始使用该材料进行设计的模型进行建模，”他表示。“了解材料的流动特性很重要，特别是在目标软化区域。然后我们将其按比例扩展到简单的帽形截面，并在那些帽形截面上确定三点弯曲和轴向挤压点。鉴于此，我们确保可以将模型与在物理测试中观察到的相互关联。我们一直不停歇地验证，直至对整部车辆完成舒适的设计和建模。这是我们生产本田汽车后排行李架导轨的方法。”

结合激光切割优势

“热冲压通常用于常规加工，激光技术则被用于后续的工艺流程，”Belanger解释道。 “激光技术可以针对某些区域，在特定位置进行再加热和回火，以降低强度和提高延伸率。”

有几种方法可以配置和设定热冲压/激光操作，Belanger指出，激光软化功能可以与激光切割机一起使用，因为大多数情况下，热冲压部件会经过后成形激光切割工艺。

一种选择方案是：采用具有双向工作台的加工单元配置，其中后成形部件旋转后被送入激光切割单元进行软化和切割操作。 另外一个方案是：三向工作台的配置，装载部件旋转后被送入独立的基于激光的切割和软化加工单元。

“我们认为热冲压工艺结合激光软化技术仅限于小批量生产，但最终要面对的是汽车行业的‘数量级’，”Belanger表示。“这将需要资本投资，例如将现有的激光切割单元改变为三个加工站的形式。重视生产率的关键是要确保激光软化的周期不会明显大于切割的周期。”

由于需要精确控制冲速并增加保压时间，一款液压机被指定用于热成形操作。 对于模内淬火来说，模具包括水路通道，以快速冷却部件。这种作用将钢转化为马氏体相，是一种硬化材料的过程。通过某些方式的通道布局，可以绕过零件的指定区域进行淬火加工。这些区域会成为软化区。

“就零件尺寸来说，具有大面积软化区的汽车B柱，可能必须严格地采用模内技术进行生产，”他继续说道。 “但是对于局部区域的软化要求，我们也开始尝试在部分汽车前部导轨和后部导轨的局部弯矩中进行使用。这些应用非常适合使用激光技术进行软化加工。

未来的生产可能性

Gestamp正在全力开展“Flex Laser Softzone（柔性激光软化）”技术的研发工作。该公司现正持续加快该技术的工业化步伐，并与其OEM客户携手针对一系列部件（从支柱到导轨）开展研究，以及针对各种未来的车辆——从小批量到大批量生产的车辆制造研究工作。

Belanger认为该技术不仅可以通过变形时的运动学控制来改善车辆碰撞性能，而且通过增加邻近点焊母材的延展性来改善电阻点焊接头的变形情况。这增加了焊接头整体的负荷能力。

该技术还提供了另一种可能性：“通过选择性地软化法兰来获得强大的压铆或铆接性能，可以将铝或碳纤维增强聚合物等替代型材料的机械连接转换为超高强度热冲压钢，”他说道。

到目前为止，Belanger 表示仅使用了一种传统的热冲压钢种22MnB5来验证该技术的适用性，同时，该技术可以被应用于市场上新兴的热冲压钢。