高强度钢板在专用汽车上的应用

高强度钢板在专用汽车上的应用

本文介绍了我国高强度钢板的发展过程，简要分析了高强度钢板在特种车辆行业的应用现状和问题，介绍了高强度钢板的设计方法和技术方法，并开展了对高强度钢的推广普及。专用汽车使用高强度钢板可以有效减轻整备质量,获得更强的承载能力,提高安全性能和经济效益,也更符合国家倡导发展“低碳经济”的时代潮流。近几年高强度钢板在专用汽车领域的应用逐步开启,但一直处于尝试和起步阶段,尚未形成规模效应。这种新材料反倒因设计、工艺与使用经验的不足,而裹足不前。那么,如何让高强度钢板在专用汽车领域跨出更大的步伐,为专用汽车轻量化带来新的活力,值得我们深入的了解和探究。低合金高强度钢的标准汽车用高强度钢主要是指应用于汽车大梁、罐车罐体、自卸车车厢等低合金的高强度钢,即GB1591《低合金高强度结构钢》、GB713《锅炉和压力容器用钢板》、GB/T3273《汽车大梁用热轧钢板和钢带》和GB3531《低温压力容器用低合金钢钢板》等国标中规定的钢种。国内高强度钢的研发起步于20世纪50年代,最早研制出的国产高强度钢为16Mn钢和15MnTi钢。在此基础上制定了以低合金高强度钢命名的第1项标准(YB13-58),其中列有12个钢种牌号。1963年,低合金高强度钢易名为低合金结构钢(YB13-63),纳入的钢种牌号包括Mn系列以及新开发的V、Ti、Nb及稀土类的低合金钢,并由此派生出桥梁、造船、容器、汽车大梁、矿用等专用钢标准。1969年修改颁布的标准(YB13-69),改称为普通低合金钢(简称普低钢)。1988年,升级为国标(GB1591-88)时,普低钢改称为低合金结构钢,而1994年颁布的标准(GB/T1591-94)将其称之为低合金高强度结构钢,规定了5个强度级别(屈服强度为295～460MPa)和5个质量等级(A～E),以便于向国际规范靠拢。2008年颁布的现行标准(GB/T1591-2008),扩大了标准的适用范围,增加了4个强度级别(Q500、Q550、Q620和Q690),取消了Q295强度级别,修改了钢材化学成分的规定标准,严格了对磷、硫等有害元素的控制尺度等。高温钢板的应用近10年来,国民经济的持续发展带动了国内汽车产销量的大幅增长,而减轻自重、降低油耗、减少环境污染和提高车辆安全性能等诉求,正极大地拓展了国产高强度钢的应用领域。高强度钢与铝合金、镁合金及复合材料相比,采购容易,性价比高,无须生产企业投资新的机械设备,适合于制造自卸车厢体、罐车罐体、仓栅车栏板、起重类专用汽车的吊臂和液压支腿、载货汽车/半挂车的纵梁/横梁、工程机械的铲斗等(见图1～3),它在自卸汽车和半挂车(在工程作业类和物流运输类的商用汽车中所占比例最大)中应用得最多。高强度钢板主要用于底盘和车体结构上,可以使整备质量减轻25%～30%(包括底盘结构部分和车体本身)。如平常使用的10mm厚普通钢板换成高强度钢板,厚度可减至6～8mm,重量减少30%左右。以13m半挂车为例,整备质量可降低28%左右,如果设计得更科学,整备质量还可以更轻。应用高强度钢板为生产企业带来的好处是减少了钢材用量、降低库存成本、提高产品质量、优化设计、提高竞争力和增加利润。而对物流公司和用户来说则是减少维护、提高可靠性和增加利润。高强度钢板按照其成形方法可以分为冷轧和热轧两种,冷轧板一般厚度在2.0mm以下,多用于乘用车车身覆盖件和商用车的驾驶室等外面板,而热轧板厚度一般在2.0mm以上,在专用汽车上应用范围更大。高强度钢应用范围从汽车用高强度热轧板的生产情况看,用量较大、强度级别达500MPa以上的热轧板生产有了很大的突破,国内钢企现有的热轧生产线经技术开发和升级换代,皆已具备汽车用热轧板的生产能力,均可批量供货。但少量超高强度汽车用冷轧板,如TRIP钢和DP钢,仅有宝钢、首钢和武钢等大型钢企可以供货。高强度钢的应用范围与国家治理超载的力度有着很大的关联,治超政策执行到位的地区,运输类的轻量化专用汽车会比较集中,高强度钢的应用范围就比较广泛。而工程作业类的专用汽车,使用环境相对恶劣,对高强度钢的质量要求很高。不同类别的车辆对高强度钢的性能要求不尽相同。目前国内不同钢企生产的高强度钢品种较多,有的貌似相近,但在适用范围和性能上却存在着差异性,这在一定程度上反而加大了以多品种、小批量生产为特征的专用汽车企业对高强度钢选择的难度,造成了诸多小规模专用汽车企业对高强度钢种选择、板材切割、成型、焊接等缺乏实践经验。这是由于高强度钢应用不当造成多发事故的主要原因,而用户任意超载更是事故频发的根源(见图4～5)。由于高强度钢板的强度和屈服点较普通钢板要高很多,因此,其加工和焊接难度均高于普通钢板,这也正是企业技术人员迫切希望能得到指导和快速掌握的技术难点。为此,笔者就高强度钢板的工艺方法和结构设计提出如下要点。高强度钢法的要点1.高强度钢板类零部件加工通常情况下,板厚t≤6mm的板材可采用冷加工工艺下料,即采用剪切、落料(冲压)等工艺;板厚6mm<t≤10mm的板材既可采用冷加工工艺下料,还可采用热切割工艺下料,如采用数控等离子和数控火焰切割等方式;板厚t>10mm的板材则应采用热切割工艺下料;对于一些表面光洁度要求高的零部件,甚至可以采用激光切割工艺(欧美发达国家的汽车厂商大多都配备了激光切割设备)下料。复杂形状的高强度钢板类零部件,应采用仿形、数控切割工艺。加工高强度钢板的剪切刀具和折弯刀具的强度和硬度均应高于加工普通钢板的强度和硬度;冷加工的工序最好安排在热切割加工工序之前,如果不可以实现,在热切割工序后应清除热切割时留下的焊渣,否则会降低剪切刀具和折弯刀具的使用寿命,或会造成刀具局部破裂损坏。对于承受集中应力或高强动载荷的部位不宜布置接头,零部件设计时应避免对同一处位置进行多次加工,以避免造成该部位出现疲劳失效和连接强度不够等。因辊压成形具有成形效果好,表面质量高,变形量小,生产效率高等特点,因此,高强度钢板零部件可以大力推广辊压成形(包括热辊压成形)工艺。目前辊压成形工艺已得到了很大的改进,可以生产出变截面、封闭截面以及长度方向发生曲线变化的构件,如横梁、纵梁及侧梁等零件。2.高强度钢板的焊接高强度钢板的焊接条件比普通钢板的焊接条件苛刻,特别是焊接时温度的控制和焊材的选择,如果仍采用与普通钢板相同的焊接方式,那么很容易在使用过程中发生开焊、冷裂纹、失稳、失效、淬硬倾向等焊接质量缺陷引起的事故。高强度钢板在焊接前,应清除焊接面上的水、油、锈蚀等异物,保持清洁和干燥,注意母材的预热和层间温度的控制,按《焊接预热温度、道间温度及预热维持温度的测量指南》(GB/T18591-2001)规定的温度进行焊接,焊接保护气体的选择以8:2比例的Ar/CO2混合气体为宜,焊接接头间隙应小于3mm,焊材的选择须与母材性能相匹配。根据瑞典Hardox和Weldox钢板焊接和切割手册说明,高强度钢板适度预热和焊接层间温度控制,可有效预防钢板氢裂。高强度钢板的合金元素因钢的牌号或厂家不同会有较大的区别,总的来说钢板中的碳当量越高,所需预热和层间温度越高。同样随着高强度钢板强度和厚度的加大,切割时出现淬硬倾向的风险也越大。高强度钢板切割时需要不同程度的预热来防止切割淬硬倾向的出现,切割前尽可能增大钢板的预热面积,以便使其截面均匀受热,避免接触热源区域出现局部过热现象。在使用高强度钢板时一定要向供应商索要使用手册,在厂家指导下正确地使用好高强度钢板。高强度钢板的焊接工艺应严格遵守焊接工艺规程的要求,对于不同的高强度钢材质、板厚和焊接接头形式,应多做焊接工艺试验,确保焊接参数的选择符合高强度钢焊接工艺的要求。为了消除残余应力,提高焊缝质量,对于重要的承载结构件,应开坡口,用抛光工具打磨至露出金属光泽,尽量避免焊缝集中,并避免在折弯处进行焊接。为了提高焊接质量,最好在折弯处设计应力释放缺口。3.涂装工艺在对高强度钢板进行喷涂前,尽量采取抛丸方式去除焊渣、锈蚀、油污等,这不仅可以提高油漆的附着力,还有助于消除部分残余应力。在结构设计时,应考虑喷涂工艺的需要,如果采用喷枪喷涂,那么就应该考虑喷枪能否伸入零部件间的空隙。当然,在实际设计制造过程中,设计者应时刻铭记高强度钢板的冷裂纹敏感性,热影响区软化等“特”性,而工艺人员必须注意高强度钢板冷冲压强度和硬度,以及焊接工艺参数、热输入和碳当量等参数的“高”度。固碳钢结构的设计要点1.选取原材料的方法目前,国内高强度钢板的种类比较齐全,可以满足汽车制造企业的需求。但在结构设计时,一定要注意材质的选择,避免强度级别悬差太大,影响焊材的匹配过渡性。在确定材质后,还要根据专用汽车的使用工况决定采用哪个强度级别和质量等级的材料。对于有特殊要求的总成或者零部件,应考虑其耐磨性、耐候性、韧性等,通过综合评价再选取材质。比如,可以采用600～700MPa级别的高强度钢板来减轻底盘的整备质量,如用宝钢的B610L钢板;采用耐磨钢如SSAB的Hardox钢板制造自卸车厢体,采用宝钢的耐磨钢板如B520JJ或B590GJA制造混凝土搅拌运输车罐体等;对于汽车吊吊臂则可采用Domex700或Domex960(最小屈服强度为960MPa),也可采用宝钢S650MC或S700MC等来制造吊车吊吊臂或混凝土泵车的布料臂。2.钢板的弯弯加工高强度钢板会因钢板强度和硬度的升高而使折弯性能下降,同时高强度钢板的折弯力、剪切力和折弯回弹会随着强度的增加而变大,因此高强度钢板应尽量少折弯或剪切,如必须折弯则需要加大弯曲半径(在结构设计允许的情况下,对于板厚t≤6mm时,建议取R=8mm;对于板厚6mm<t≤10mm,建议取R=12mm;对于板厚>10mm,建议减小折弯角度或采取多次折弯工艺),否则钢板表面损坏或折弯断裂的风险会加大。对于需要压型的零部件,其结构复杂的应采取多次压型成型工艺,并应注意控制材料的反弹量。总而言之,高强度钢板在冲压成型时应尽量避免急弯,这是“急不来的”。3.大跨车焊缝的结构焊缝的布置,应考虑尽量避开应力集中的部位,以免引起应力造成的裂纹、脆断等现象。比如,采用高强度钢板制造自卸车车厢时,可以省去左右侧的加强筋,车厢的截面形状最好是圆滑的曲线,不应有棱角,否则,不仅残余应力高,而且还会造成拐弯处焊缝集中(常见的方形车厢)。这可以借鉴欧美设计理念,采用U型、半圆形截面车厢(车厢成型时的冷作硬化可以提高车厢的强度)。对接焊缝的布置也需注意,比如自卸车车厢,当采用两张钢板拼焊时,焊缝最好是纵向布置(沿着车辆的长度方向布置)。以小鹅颈集装箱运输半挂车车架大梁的设计为例(见图6),采用高强度钢板时,结构最不合理的是图6A,其最大缺点是焊缝与翼板折线重合,容易造成疲劳失效,并且,翼板拐点处折弯半径较小,可视为直线拐点;图6B的设计将焊缝与翼板折线错开一段距离,结构强度有所改善;图6C在图6B的基础上又加大了翼板拐点处的折弯半径,结构强度进一步改善;图6D采取了整块腹板(为了节约材料,可以采取分段结构,但焊缝一般远离小鹅颈与主梁的连接部分)和整块翼板结构设计(翼板也可以设计成分段的,但接缝处应与腹板接缝错开,并同样应远离小鹅颈与主梁的连接部分),减少了焊缝数量,因此,降低了应力集中,结构强度最好,使用寿命最长。如果一定需要布置接缝时,腹板接逢方向应与翼板成锐角(一般为45°),翼板接缝方向与翼板的长度方向也应成锐角(一般为45°)。另外,尽量避免设计缺陷及影响大梁受力线的焊缝出现。比如,一些半挂车鹅颈纵梁与主纵梁之间的过渡部位经常采用带状加强板与大梁下翼板断续焊接(加强板比大梁下翼板略窄,一般每侧边小于10mm),但很多设计者将带状结构的端部设计成为直线状(见图7A),该种焊缝的缺点是很容易造成焊缝处大梁出现断裂。可以将带状加强板的端部设计成斜线形状(见图7B)、圆弧形状(见图7C)或是梯形形状(见图7D),图7D加强方式目前最常用,效果最好。这样就可以有效避免出现断裂现象。对于一些承受动载荷的联接部位,可以采用紧固件联结,避免或尽量不采取焊接联结。对强度、屈服点进行焊接工艺试验尽管高强度钢板与普通钢板在焊接工艺和设计上有较大的不同,但是专用汽车企业从采用低强度的钢板转换到高强度钢板无需过多的投资新设备、特殊的机加工和改变工序。不过,在切割、机械加工和冲压成型时,应注意加工速度和进给量,还应注意所用刀具、模具材料的匹配。很多设计者在选用高强度钢板时仅是利用了其较高的强度和屈服点,却忽视了其“脆弱”的一面。专用汽车企业应根据钢板制造企业在供货或推销时提供的钢板化学性能和物理性能参数自行进行焊接工艺试验研究,钢材质量不符合质量要求的应坚决不准使用。只有钢板的强度、屈服点和