高強度鋼板在專用汽車上的應用

高強度鋼板在專用汽車上的應用

本文介紹了我國高強度鋼板的發(fā)展過程，簡要分析了高強度鋼板在特種車輛行業(yè)的應用現(xiàn)狀和問題，介紹了高強度鋼板的設計方法和技術方法，并開展了對高強度鋼的推廣普及。專用汽車使用高強度鋼板可以有效減輕整備質量,獲得更強的承載能力,提高安全性能和經濟效益,也更符合國家倡導發(fā)展“低碳經濟”的時代潮流。近幾年高強度鋼板在專用汽車領域的應用逐步開啟,但一直處于嘗試和起步階段,尚未形成規(guī)模效應。這種新材料反倒因設計、工藝與使用經驗的不足,而裹足不前。那么,如何讓高強度鋼板在專用汽車領域跨出更大的步伐,為專用汽車輕量化帶來新的活力,值得我們深入的了解和探究。低合金高強度鋼的標準汽車用高強度鋼主要是指應用于汽車大梁、罐車罐體、自卸車車廂等低合金的高強度鋼,即GB1591《低合金高強度結構鋼》、GB713《鍋爐和壓力容器用鋼板》、GB/T3273《汽車大梁用熱軋鋼板和鋼帶》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》等國標中規(guī)定的鋼種。國內高強度鋼的研發(fā)起步于20世紀50年代,最早研制出的國產高強度鋼為16Mn鋼和15MnTi鋼。在此基礎上制定了以低合金高強度鋼命名的第1項標準(YB13-58),其中列有12個鋼種牌號。1963年,低合金高強度鋼易名為低合金結構鋼(YB13-63),納入的鋼種牌號包括Mn系列以及新開發(fā)的V、Ti、Nb及稀土類的低合金鋼,并由此派生出橋梁、造船、容器、汽車大梁、礦用等專用鋼標準。1969年修改頒布的標準(YB13-69),改稱為普通低合金鋼(簡稱普低鋼)。1988年,升級為國標(GB1591-88)時,普低鋼改稱為低合金結構鋼,而1994年頒布的標準(GB/T1591-94)將其稱之為低合金高強度結構鋼,規(guī)定了5個強度級別(屈服強度為295～460MPa)和5個質量等級(A～E),以便于向國際規(guī)范靠攏。2008年頒布的現(xiàn)行標準(GB/T1591-2008),擴大了標準的適用范圍,增加了4個強度級別(Q500、Q550、Q620和Q690),取消了Q295強度級別,修改了鋼材化學成分的規(guī)定標準,嚴格了對磷、硫等有害元素的控制尺度等。高溫鋼板的應用近10年來,國民經濟的持續(xù)發(fā)展帶動了國內汽車產銷量的大幅增長,而減輕自重、降低油耗、減少環(huán)境污染和提高車輛安全性能等訴求,正極大地拓展了國產高強度鋼的應用領域。高強度鋼與鋁合金、鎂合金及復合材料相比,采購容易,性價比高,無須生產企業(yè)投資新的機械設備,適合于制造自卸車廂體、罐車罐體、倉柵車欄板、起重類專用汽車的吊臂和液壓支腿、載貨汽車/半掛車的縱梁/橫梁、工程機械的鏟斗等(見圖1～3),它在自卸汽車和半掛車(在工程作業(yè)類和物流運輸類的商用汽車中所占比例最大)中應用得最多。高強度鋼板主要用于底盤和車體結構上,可以使整備質量減輕25%～30%(包括底盤結構部分和車體本身)。如平常使用的10mm厚普通鋼板換成高強度鋼板,厚度可減至6～8mm,重量減少30%左右。以13m半掛車為例,整備質量可降低28%左右,如果設計得更科學,整備質量還可以更輕。應用高強度鋼板為生產企業(yè)帶來的好處是減少了鋼材用量、降低庫存成本、提高產品質量、優(yōu)化設計、提高競爭力和增加利潤。而對物流公司和用戶來說則是減少維護、提高可靠性和增加利潤。高強度鋼板按照其成形方法可以分為冷軋和熱軋兩種,冷軋板一般厚度在2.0mm以下,多用于乘用車車身覆蓋件和商用車的駕駛室等外面板,而熱軋板厚度一般在2.0mm以上,在專用汽車上應用范圍更大。高強度鋼應用范圍從汽車用高強度熱軋板的生產情況看,用量較大、強度級別達500MPa以上的熱軋板生產有了很大的突破,國內鋼企現(xiàn)有的熱軋生產線經技術開發(fā)和升級換代,皆已具備汽車用熱軋板的生產能力,均可批量供貨。但少量超高強度汽車用冷軋板,如TRIP鋼和DP鋼,僅有寶鋼、首鋼和武鋼等大型鋼企可以供貨。高強度鋼的應用范圍與國家治理超載的力度有著很大的關聯(lián),治超政策執(zhí)行到位的地區(qū),運輸類的輕量化專用汽車會比較集中,高強度鋼的應用范圍就比較廣泛。而工程作業(yè)類的專用汽車,使用環(huán)境相對惡劣,對高強度鋼的質量要求很高。不同類別的車輛對高強度鋼的性能要求不盡相同。目前國內不同鋼企生產的高強度鋼品種較多,有的貌似相近,但在適用范圍和性能上卻存在著差異性,這在一定程度上反而加大了以多品種、小批量生產為特征的專用汽車企業(yè)對高強度鋼選擇的難度,造成了諸多小規(guī)模專用汽車企業(yè)對高強度鋼種選擇、板材切割、成型、焊接等缺乏實踐經驗。這是由于高強度鋼應用不當造成多發(fā)事故的主要原因,而用戶任意超載更是事故頻發(fā)的根源(見圖4～5)。由于高強度鋼板的強度和屈服點較普通鋼板要高很多,因此,其加工和焊接難度均高于普通鋼板,這也正是企業(yè)技術人員迫切希望能得到指導和快速掌握的技術難點。為此,筆者就高強度鋼板的工藝方法和結構設計提出如下要點。高強度鋼法的要點1.高強度鋼板類零部件加工通常情況下,板厚t≤6mm的板材可采用冷加工工藝下料,即采用剪切、落料(沖壓)等工藝;板厚6mm<t≤10mm的板材既可采用冷加工工藝下料,還可采用熱切割工藝下料,如采用數(shù)控等離子和數(shù)控火焰切割等方式;板厚t>10mm的板材則應采用熱切割工藝下料;對于一些表面光潔度要求高的零部件,甚至可以采用激光切割工藝(歐美發(fā)達國家的汽車廠商大多都配備了激光切割設備)下料。復雜形狀的高強度鋼板類零部件,應采用仿形、數(shù)控切割工藝。加工高強度鋼板的剪切刀具和折彎刀具的強度和硬度均應高于加工普通鋼板的強度和硬度;冷加工的工序最好安排在熱切割加工工序之前,如果不可以實現(xiàn),在熱切割工序后應清除熱切割時留下的焊渣,否則會降低剪切刀具和折彎刀具的使用壽命,或會造成刀具局部破裂損壞。對于承受集中應力或高強動載荷的部位不宜布置接頭,零部件設計時應避免對同一處位置進行多次加工,以避免造成該部位出現(xiàn)疲勞失效和連接強度不夠等。因輥壓成形具有成形效果好,表面質量高,變形量小,生產效率高等特點,因此,高強度鋼板零部件可以大力推廣輥壓成形(包括熱輥壓成形)工藝。目前輥壓成形工藝已得到了很大的改進,可以生產出變截面、封閉截面以及長度方向發(fā)生曲線變化的構件,如橫梁、縱梁及側梁等零件。2.高強度鋼板的焊接高強度鋼板的焊接條件比普通鋼板的焊接條件苛刻,特別是焊接時溫度的控制和焊材的選擇,如果仍采用與普通鋼板相同的焊接方式,那么很容易在使用過程中發(fā)生開焊、冷裂紋、失穩(wěn)、失效、淬硬傾向等焊接質量缺陷引起的事故。高強度鋼板在焊接前,應清除焊接面上的水、油、銹蝕等異物,保持清潔和干燥,注意母材的預熱和層間溫度的控制,按《焊接預熱溫度、道間溫度及預熱維持溫度的測量指南》(GB/T18591-2001)規(guī)定的溫度進行焊接,焊接保護氣體的選擇以8:2比例的Ar/CO2混合氣體為宜,焊接接頭間隙應小于3mm,焊材的選擇須與母材性能相匹配。根據(jù)瑞典Hardox和Weldox鋼板焊接和切割手冊說明,高強度鋼板適度預熱和焊接層間溫度控制,可有效預防鋼板氫裂。高強度鋼板的合金元素因鋼的牌號或廠家不同會有較大的區(qū)別,總的來說鋼板中的碳當量越高,所需預熱和層間溫度越高。同樣隨著高強度鋼板強度和厚度的加大,切割時出現(xiàn)淬硬傾向的風險也越大。高強度鋼板切割時需要不同程度的預熱來防止切割淬硬傾向的出現(xiàn),切割前盡可能增大鋼板的預熱面積,以便使其截面均勻受熱,避免接觸熱源區(qū)域出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。在使用高強度鋼板時一定要向供應商索要使用手冊,在廠家指導下正確地使用好高強度鋼板。高強度鋼板的焊接工藝應嚴格遵守焊接工藝規(guī)程的要求,對于不同的高強度鋼材質、板厚和焊接接頭形式,應多做焊接工藝試驗,確保焊接參數(shù)的選擇符合高強度鋼焊接工藝的要求。為了消除殘余應力,提高焊縫質量,對于重要的承載結構件,應開坡口,用拋光工具打磨至露出金屬光澤,盡量避免焊縫集中,并避免在折彎處進行焊接。為了提高焊接質量,最好在折彎處設計應力釋放缺口。3.涂裝工藝在對高強度鋼板進行噴涂前,盡量采取拋丸方式去除焊渣、銹蝕、油污等,這不僅可以提高油漆的附著力,還有助于消除部分殘余應力。在結構設計時,應考慮噴涂工藝的需要,如果采用噴槍噴涂,那么就應該考慮噴槍能否伸入零部件間的空隙。當然,在實際設計制造過程中,設計者應時刻銘記高強度鋼板的冷裂紋敏感性,熱影響區(qū)軟化等“特”性,而工藝人員必須注意高強度鋼板冷沖壓強度和硬度,以及焊接工藝參數(shù)、熱輸入和碳當量等參數(shù)的“高”度。固碳鋼結構的設計要點1.選取原材料的方法目前,國內高強度鋼板的種類比較齊全,可以滿足汽車制造企業(yè)的需求。但在結構設計時,一定要注意材質的選擇,避免強度級別懸差太大,影響焊材的匹配過渡性。在確定材質后,還要根據(jù)專用汽車的使用工況決定采用哪個強度級別和質量等級的材料。對于有特殊要求的總成或者零部件,應考慮其耐磨性、耐候性、韌性等,通過綜合評價再選取材質。比如,可以采用600～700MPa級別的高強度鋼板來減輕底盤的整備質量,如用寶鋼的B610L鋼板;采用耐磨鋼如SSAB的Hardox鋼板制造自卸車廂體,采用寶鋼的耐磨鋼板如B520JJ或B590GJA制造混凝土攪拌運輸車罐體等;對于汽車吊吊臂則可采用Domex700或Domex960(最小屈服強度為960MPa),也可采用寶鋼S650MC或S700MC等來制造吊車吊吊臂或混凝土泵車的布料臂。2.鋼板的彎彎加工高強度鋼板會因鋼板強度和硬度的升高而使折彎性能下降,同時高強度鋼板的折彎力、剪切力和折彎回彈會隨著強度的增加而變大,因此高強度鋼板應盡量少折彎或剪切,如必須折彎則需要加大彎曲半徑(在結構設計允許的情況下,對于板厚t≤6mm時,建議取R=8mm;對于板厚6mm<t≤10mm,建議取R=12mm;對于板厚>10mm,建議減小折彎角度或采取多次折彎工藝),否則鋼板表面損壞或折彎斷裂的風險會加大。對于需要壓型的零部件,其結構復雜的應采取多次壓型成型工藝,并應注意控制材料的反彈量?？偠灾?高強度鋼板在沖壓成型時應盡量避免急彎,這是“急不來的”。3.大跨車焊縫的結構焊縫的布置,應考慮盡量避開應力集中的部位,以免引起應力造成的裂紋、脆斷等現(xiàn)象。比如,采用高強度鋼板制造自卸車車廂時,可以省去左右側的加強筋,車廂的截面形狀最好是圓滑的曲線,不應有棱角,否則,不僅殘余應力高,而且還會造成拐彎處焊縫集中(常見的方形車廂)。這可以借鑒歐美設計理念,采用U型、半圓形截面車廂(車廂成型時的冷作硬化可以提高車廂的強度)。對接焊縫的布置也需注意,比如自卸車車廂,當采用兩張鋼板拼焊時,焊縫最好是縱向布置(沿著車輛的長度方向布置)。以小鵝頸集裝箱運輸半掛車車架大梁的設計為例(見圖6),采用高強度鋼板時,結構最不合理的是圖6A,其最大缺點是焊縫與翼板折線重合,容易造成疲勞失效,并且,翼板拐點處折彎半徑較小,可視為直線拐點;圖6B的設計將焊縫與翼板折線錯開一段距離,結構強度有所改善;圖6C在圖6B的基礎上又加大了翼板拐點處的折彎半徑,結構強度進一步改善;圖6D采取了整塊腹板(為了節(jié)約材料,可以采取分段結構,但焊縫一般遠離小鵝頸與主梁的連接部分)和整塊翼板結構設計(翼板也可以設計成分段的,但接縫處應與腹板接縫錯開,并同樣應遠離小鵝頸與主梁的連接部分),減少了焊縫數(shù)量,因此,降低了應力集中,結構強度最好,使用壽命最長。如果一定需要布置接縫時,腹板接逢方向應與翼板成銳角(一般為45°),翼板接縫方向與翼板的長度方向也應成銳角(一般為45°)。另外,盡量避免設計缺陷及影響大梁受力線的焊縫出現(xiàn)。比如,一些半掛車鵝頸縱梁與主縱梁之間的過渡部位經常采用帶狀加強板與大梁下翼板斷續(xù)焊接(加強板比大梁下翼板略窄,一般每側邊小于10mm),但很多設計者將帶狀結構的端部設計成為直線狀(見圖7A),該種焊縫的缺點是很容易造成焊縫處大梁出現(xiàn)斷裂?？梢詫罴訌姲宓亩瞬吭O計成斜線形狀(見圖7B)、圓弧形狀(見圖7C)或是梯形形狀(見圖7D),圖7D加強方式目前最常用,效果最好。這樣就可以有效避免出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。對于一些承受動載荷的聯(lián)接部位,可以采用緊固件聯(lián)結,避免或盡量不采取焊接聯(lián)結。對強度、屈服點進行焊接工藝試驗盡管高強度鋼板與普通鋼板在焊接工藝和設計上有較大的不同,但是專用汽車企業(yè)從采用低強度的鋼板轉換到高強度鋼板無需過多的投資新設備、特殊的機加工和改變工序。不過,在切割、機械加工和沖壓成型時,應注意加工速度和進給量,還應注意所用刀具、模具材料的匹配。很多設計者在選用高強度鋼板時僅是利用了其較高的強度和屈服點,卻忽視了其“脆弱”的一面。專用汽車企業(yè)應根據(jù)鋼板制造企業(yè)在供貨或推銷時提供的鋼板化學性能和物理性能參數(shù)自行進行焊接工藝試驗研究,鋼材質量不符合質量要求的應堅決不準使用。只有鋼板的強度、屈服點和