薄AlSi鍍層熱沖壓鋼及其激光拼焊技術

育才堂秉承知識產權是企業生存的命脈，致力于汽車輕量化和先進功能金屬材料的研發，與全球多家汽車公司和材料公司深度合作，為傳統金屬材料注入活力。

育才堂(蘇州)材料科技有限公司總工程師、汽車鋼材部周樹博士以“鋁硅涂層熱成型材料產品及其低成本激光拼焊門環戰略”為主題，詳細介紹了高韌性鋁硅涂層熱沖壓鋼、激光拼焊技術、一體化門環。以下是發言摘要:

育才堂(蘇州)材料科技有限公司、汽車鋼材部總工程師周樹博士

育才堂(蘇州)材料科技有限公司簡介

我們公司叫育才堂(蘇州)材料科技有限公司，英文名是“EASY FORMING”(零件更容易成型)。該公司的團隊人數不到40人，但80%以上是博士和碩士，專注于技術研究和工程應用的開發。公司的方向是專注于先進鋼鐵創新技術的研發，實現高強度、高韌性和特殊要求(高導熱率)等行業需求。

公司的路線是先科研，后技術，最后工業量產。目前主要集中在熱成型鋼領域。通過近幾年的發展，在鋁硅涂層領域開發出了PHS涂層技術:Aluslim，意為“瘦身”，說明該產品是一種涂層更薄，更具成本和環保優勢的涂層。

基于這種涂層，我們開發了PHS基材技術，在材料方面:2000MPa，1500MPa和1000MPa PHS。根據實際工況和不同場景，制定不同的強度等級和不同的韌性要求，為汽車設計人員提供了靈活的產品選擇。基于這些材料的技術，我們可以在激光拼焊方面做更多的整合方案。

除了汽車車身用鋼，我們還有其他方面的研發，比如高導熱模具鋼。隨著一體化零件的集成性越來越強，零件越來越大，這不僅要求壓力機的噸位，還要求鋁合金的成形溫度和工藝。所以，我們布局了高導熱模具鋼。簡單來說，雖然成型溫度升高，但材料的導熱系數也較高，可以使模具在較高的成型溫度下保持高效的使用壽命。

育才堂(蘇州)材料科技有限公司位于蘇州，我們有一個研發的實驗平臺，代表了我們公司在整個發展過程中的一個獨特點:通過合金設計-工藝研究-應用評估的完整鏈條串聯，我們擁有熱沖壓鋼材產品的全流程研發能力。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

對于燙印工藝，我們會對其工藝做更加靈活的模擬，實驗室已經自主研發了一套專用的燙印工藝設備，可以針對不同的材料和性能進行燙印模擬。這些R&D和應用離不開我們與車企和鋼廠的溝通。我們團隊的R&D領域覆蓋了產業鏈的不同位置，我們可以不分青紅皂白地與零部件工廠和汽車工廠進行互動。我們不僅僅是技術開發者，更希望與整個燙印產業鏈的工程技術人員進行共同開發，行業共同進步。

高韌性鋁硅涂層熱沖壓鋼

接下來，我想介紹一下高韌性鋁硅涂層的燙印鋼。熱沖壓是從軟態到加熱軟態，再到成型后的硬態的過程。因為過程中有加熱，鋼材表面氧化是不可避免的。1999年，尚友發明了我認為世界上最偉大的鋼鐵產品，一次就可以賣到300萬噸……e品種，這是其他鋼材永遠達不到的。這也是鋁硅涂層產品，解決了熱成型時表面氧化脫碳的問題。

但是再偉大的產品，在使用過程中也會出現不友好的技術問題。常規涂料產品面臨三大問題:一是加熱效率低，涂料液化粘輥；二是韌性不足，延遲開裂的問題；第三，零件防腐，點焊電極磨損。

我們公司善于發現基本技術問題的本質。通過微觀分析，基于韌性不足的問題進行推測，認為加熱過程中鐵、鋁擴散，在基體界面形成富碳特征。因為富碳特征一旦形成，熱沖壓后，高碳馬氏體會覆蓋基體表面。碰撞變形過程中首先會產生彎曲裂紋。如果表面有脆性的富碳層，材料的韌性肯定會下降，表面裂紋首先從脆性的富碳層出現。下圖是微觀分析，證實了界面上有明顯的富碳特征。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

找到關鍵，如果要解決這個問題，有沒有更科學簡單的方法？我公司結合鋼材的實際生產工藝，用兩種相對簡單的方法解決了問題。首先，涂層變薄。眾所周知，涂層是鋁，加熱時鐵和鋁會擴散。然而，如果鋁較少，擴散過程可能被抑制，富碳特征可能被削弱。同時，如果在涂裝前對基材表面進行脫碳處理，從源頭上降低基材表面的含碳量，表面的富碳層自然會消失。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

我們還發現涂層的厚度也有利于加熱。其實在燙印過程中，表面的涂層液化后會吸收大量的熱量，高吸熱的特性也使得鋁硅涂層在加熱時加熱效率明顯提高。從雙碳的角度來看，加熱效率的提高會導致耗電量的降低，單位面積鋁硅涂層的減薄也會導致更低的碳結果，進一步提高生產效率。關于這項技術，我們已經形成了自己的知識產權，向國內三家鋼廠授權了專利，并完成了相應的試制和材料認證。

高韌性鋁硅涂層熱沖壓鋼件的試驗

我們還對具有高韌性鋁硅涂層的熱沖壓鋼件進行了一些試驗。在門檻的三點彎曲試驗中，最終開裂失效位置是一個拐角。如果對比薄涂層和厚涂層，數據顯示使用薄涂層時吸能性能有一定比例的提高，那么碰撞安全性肯定會提高。在B柱的三點彎曲試驗中，具有薄涂層的熱沖壓件可以顯著延緩大變形下脆性斷裂的發生。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

基于不同部位的吸能要求不同，我們已經完成了1000MPa、1500MPa、1800MPa三個強度等級材料的試制，并于今年上半年開始小批量供貨。在實驗中，1000MPa強度的材料烘烤后可達1100Mpa以上，VDA可達88度，1500MPa烘烤后可達1550MPa，VDA 65度，1800MPa烘烤后可達1850MPa，VDA可達55度。

通過材料成分的設計優化，在PH = 1的強酸條件下，保持了100%屈服強度的應力水平，1000MPa和1500MPa的材料在120h h內沒有開裂，但1800MPa的材料在強酸條件下仍然存在一些問題。雖然其應力水平基本接近1500MPa材料，但其延遲開裂性能不如1500MPa材料。而在空氣介質中，1800MPa材料在淬火烘烤狀態下，能保持100%屈服強度的應力水平300小時不開裂。

合適的材料應該用在合適的地方。這些不同性能的產品可以給設計師帶來更靈活的設計方案。例如，…000MPa的材料韌性最好，強度高，適用于碰撞變形時用來吸收能量的部件。1500MPa具有均衡的強韌性，適用于各種碰撞條件下的零件。1800MPa具有超高的強度和足夠的韌性，適用于抵抗變形和侵入的零件。此外，上述強度等級材料均在材料和零件層面完成了材料斷裂和焊點HAZ失效的卡片標定，支持汽車企業進行精確的CAE仿真。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

激光拼焊技術與一體式門環

要整合以上材料，會涉及到激光拼焊和集成門環的工藝和應用。行業方面，多零件一體化設計方案已成為汽車車身輕量化設計的大趨勢，激光拼焊技術將在汽車車身制造發展中發揮重要作用。這項技術有四個優點:1 .成本低:鋼材，材料利用率高，一體化設計；2.輕量化:多種材質規格柔性拼焊，無搭接邊；3、碰撞安全性更好:強度分布合理；4.低碳排放。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

將傳統的備件生產工藝與集成敲擊器的生產工藝進行比較。下料工藝類似，但在傳統的零配件生產工藝中，下料后的零配件需要直接熱沖壓，然后在每個單件成型后點焊，形成最終產品。在一體化生產過程中，下料后要將所有材料進行激光拼焊，形成完整的板材，然后進行一體化熱沖壓。從流程上看，后者對零部件、供應商、物流、模具的管理更加深入，會讓整個生產流程更加高效低碳。

在此工藝下，一體化激光拼焊門環具有五大特點:一體化設計，減少零件數量；通過分塊優化，提高了材料利用率；材料厚度和強度可以靈活組合；高韌性材料在高變形區的應用具有更高的安全性；但是工藝成本高。

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具有Al-Si涂層的熱沖壓鋼的激光拼焊還有一個顯著的技術問題，即焊縫強度弱于母材。比如特斯拉的Model Y，采用了內外四門環設計，采用了剝離和激光拼焊的技術。那么，為什么在激光拼焊工藝后，鋁硅涂層熱成型鋼必須增加激光剝離？因為在Al-Si涂層激光拼焊過程中，涂層中的鋁全部進入焊縫，這樣熱處理后會形成軟相組織，混合鋁使焊縫在熱沖壓后成為F+M雙相組織，但兩種母材是硬相組織。當面對變形和拉伸時，焊縫自然會成為弱點。因此，如果要提高焊縫強度，就需要減少鋁的影響。這就是為什么在激光拼焊鋁硅涂層時需要剝離過程。

如果使用薄涂層，可以減少剝離過程，并且可以直接進行焊接。這是因為涂層更薄，進入焊縫的Al明顯減少，焊縫質量更穩定。但需要注意的是，需要有一道“加焊絲”的工序:填充C/Mn等合金，在不額外預留間隙的情況下，最大程度保證焊縫的幾何尺寸，從而提高焊接效率，保證焊縫質量，降低原材料浪費的風險。

綜上所述，育才堂(蘇州)材料科技有限公司致力于為客戶提供高韌性薄型鋁硅涂層熱沖壓鋼及其拼焊產品的全流程技術解決方案，提供材料強度500/1000/1500/1800MPa的高韌性鋁硅涂層材料支撐；為拼焊產品的開發提供技術支持，以進行塊體優化(厚度分布、焊縫設計)和可制造性分析；提供低成本高效率的拼焊產品。

那是我的報告。

(以上內容來自于2022年8月24日蓋世汽車主辦的2022年第二屆中國車身大會上，育才堂(蘇州)材料科技有限公司、汽車用鋼部總工程師周樹博士發表的《鋁硅涂層熱成型材料產品及其低成本激光拼焊門環戰略》主題演講。)秉承知識產權是企業生存的命脈，育才堂致力于汽車輕量化和先進功能金屬材料的研發，與全球多家汽車公司和材料公司深度合作，為傳統金屬材料注入活力。

育才堂(蘇州)材料科技有限公司總工程師、汽車鋼材部周樹博士以“鋁硅涂層熱成型材料產品及其低成本激光拼焊門環戰略”為主題，詳細介紹了高韌性鋁硅涂層熱沖壓鋼、激光拼焊技術、一體化門環。以下是發言摘要:

育才堂(蘇州)材料科技有限公司、汽車鋼材部總工程師周樹博士

育才堂(蘇州)材料科技有限公司簡介

我們公司叫育才堂(蘇州)材料科技有限公司，英文名是“EASY FORMING”(零件更容易成型)。該公司的團隊人數不到40人，但80%以上是博士和碩士，專注于技術研究和工程應用的開發。公司的方向是專注于先進鋼鐵創新技術的研發，實現高強度、高韌性和特殊要求(高導熱率)等行業需求。

公司的路線是先科研，后技術，最后工業量產。目前主要集中在熱成型鋼領域。通過近幾年的發展，在鋁硅涂層領域開發出了PHS涂層技術:Aluslim，意為“瘦身”，說明該產品是一種涂層更薄，更具成本和環保優勢的涂層。

基于這種涂層，我們開發了PHS基材技術，在材料方面:2000MPa，1500MPa和1000MPa PHS。根據實際工況和不同場景，制定不同的強度等級和不同的韌性要求，為汽車設計人員提供了靈活的產品選擇。基于這些材料的技術，我們可以在激光拼焊方面做更多的整合方案。

除了汽車車身用鋼，我們還有其他方面的研發，比如高導熱模具鋼。隨著一體化零件的集成性越來越強，零件越來越大，這不僅要求壓力機的噸位，還要求鋁合金的成形溫度和工藝。所以，我們布局了高導熱模具鋼。簡單來說，雖然成型溫度升高，但材料的導熱系數也較高，可以使模具在較高的成型溫度下保持高效的使用壽命。

育才堂(蘇州)材料科技有限公司位于蘇州，我們有一個研發的實驗平臺，代表了我們公司在整個發展過程中的一個獨特點:通過合金設計-工藝研究-應用評估的完整鏈條串聯，我們擁有熱沖壓鋼材產品的全流程研發能力。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

對于燙印工藝，我們會對其工藝做更加靈活的模擬，實驗室已經自主研發了一套專用的燙印工藝設備，可以針對不同的材料和性能進行燙印模擬。這些R&D和應用離不開我們與車企和鋼廠的溝通。我們團隊的R&D領域覆蓋了產業鏈的不同位置，我們可以不分青紅皂白地與零部件工廠和汽車工廠進行互動。我們不僅僅是技術開發者，更希望與整個燙印產業鏈的工程技術人員共同開發，與行業共同進步……試試看。

高韌性鋁硅涂層熱沖壓鋼

接下來，我想介紹一下高韌性鋁硅涂層的燙印鋼。熱沖壓是從軟態到加熱軟態，再到成型后的硬態的過程。因為過程中有加熱，鋼材表面氧化是不可避免的。1999年，尚友發明了我認為世界上最偉大的鋼鐵產品，單個品種就可以賣到世界上300萬噸，這是其他鋼鐵永遠做不到的。這也是鋁硅涂層產品，解決了熱成型時表面氧化脫碳的問題。

但是再偉大的產品，在使用過程中也會出現不友好的技術問題。常規涂料產品面臨三大問題:一是加熱效率低，涂料液化粘輥；二是韌性不足，延遲開裂的問題；第三，零件防腐，點焊電極磨損。

我們公司善于發現基本技術問題的本質。通過微觀分析，基于韌性不足的問題進行推測，認為加熱過程中鐵、鋁擴散，在基體界面形成富碳特征。因為富碳特征一旦形成，熱沖壓后，高碳馬氏體會覆蓋基體表面。碰撞變形過程中首先會產生彎曲裂紋。如果表面有脆性的富碳層，材料的韌性肯定會下降，表面裂紋首先從脆性的富碳層出現。下圖是微觀分析，證實了界面上有明顯的富碳特征。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

找到關鍵，如果要解決這個問題，有沒有更科學簡單的方法？我公司結合鋼材的實際生產工藝，用兩種相對簡單的方法解決了問題。首先，涂層變薄。眾所周知，涂層是鋁，加熱時鐵和鋁會擴散。然而，如果鋁較少，擴散過程可能被抑制，富碳特征可能被削弱。同時，如果在涂裝前對基材表面進行脫碳處理，從源頭上降低基材表面的含碳量，表面的富碳層自然會消失。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

我們還發現涂層的厚度也有利于加熱。其實在燙印過程中，表面的涂層液化后會吸收大量的熱量，高吸熱的特性也使得鋁硅涂層在加熱時加熱效率明顯提高。從雙碳的角度來看，加熱效率的提高會導致耗電量的降低，單位面積鋁硅涂層的減薄也會導致更低的碳結果，進一步提高生產效率。關于這項技術，我們已經形成了自己的知識產權，向國內三家鋼廠授權了專利，并完成了相應的試制和材料認證。

高韌性鋁硅涂層熱沖壓鋼件的試驗

我們還對具有高韌性鋁硅涂層的熱沖壓鋼件進行了一些試驗。在門檻的三點彎曲試驗中，最終開裂失效位置是一個拐角。如果對比薄涂層和厚涂層，數據顯示使用薄涂層時吸能性能有一定比例的提高，那么碰撞安全性肯定會提高。在B柱的三點彎曲試驗中，具有薄涂層的熱沖壓件可以顯著延緩大變形下脆性斷裂的發生。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

基于不同部位的吸能要求不同，我們已經完成了1000MPa、1500MPa、1800MPa三個強度等級材料的試制，并于今年上半年開始小批量供貨。在實驗中，1000MPa強度的材料烘烤后可達1100Mpa以上，VDA可達88度，1500MPa烘烤后可達1550MPa，VDA 65度，1800MPa烘烤后可達1850MPa，VDA可達55度。

通過材料成分的設計優化，在PH = 1的強酸條件下，保持了100%屈服強度的應力水平，1000MPa和1500MPa的材料在120h h內沒有開裂，但1800MPa的材料在強酸條件下仍然存在一些問題。雖然其應力水平基本接近1500MPa材料，但其延遲開裂性能不如1500MPa材料。而在空氣介質中，1800MPa材料在淬火烘烤狀態下，能保持100%屈服強度的應力水平300小時不開裂。

合適的材料應該用在合適的地方。這些不同性能的產品可以給設計師帶來更靈活的設計方案。例如，…000MPa的材料韌性最好，強度高，適用于碰撞變形時用來吸收能量的部件。1500MPa具有均衡的強韌性，適用于各種碰撞條件下的零件。1800MPa具有超高的強度和足夠的韌性，適用于抵抗變形和侵入的零件。此外，上述強度等級材料均在材料和零件層面完成了材料斷裂和焊點HAZ失效的卡片標定，支持汽車企業進行精確的CAE仿真。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

激光拼焊技術與一體式門環

要整合以上材料，會涉及到激光拼焊和集成門環的工藝和應用。行業方面，多零件一體化設計方案已成為汽車車身輕量化設計的大趨勢，激光拼焊技術將在汽車車身制造發展中發揮重要作用。這項技術有四個優點:1 .成本低:鋼材，材料利用率高，一體化設計；2.輕量化:多種材質規格柔性拼焊，無搭接邊；3、碰撞安全性更好:強度分布合理；4.低碳排放。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

將傳統的備件生產工藝與集成敲擊器的生產工藝進行比較。下料工藝類似，但在傳統的零配件生產工藝中，下料后的零配件需要直接熱沖壓，然后在每個單件成型后點焊，形成最終產品。在一體化生產過程中，下料后要將所有材料進行激光拼焊，形成完整的板材，然后進行一體化熱沖壓。從流程上看，后者對零部件、供應商、物流、模具的管理更加深入，會讓整個生產流程更加高效低碳。

在此工藝下，一體化激光拼焊門環具有五大特點:一體化設計，減少零件數量；通過分塊優化，提高了材料利用率；材料厚度和強度可以靈活組合；高韌性材料在高變形區的應用具有更高的安全性；但是工藝成本高。

圖片來源:育才堂(蘇州)材料科技有限公司

具有Al-Si涂層的熱沖壓鋼的激光拼焊還有一個顯著的技術問題，即焊縫強度弱于母材。比如特斯拉的Model Y，采用了內外四門環設計，采用了剝離和激光拼焊的技術。那么，為什么在激光拼焊工藝后，鋁硅涂層熱成型鋼必須增加激光剝離？因為在Al-Si涂層激光拼焊過程中，涂層中的鋁全部進入焊縫，這樣熱處理后會形成軟相組織，混合鋁使焊縫在熱沖壓后成為F+M雙相組織，但兩種母材是硬相組織。當面對變形和拉伸時，焊縫自然會成為弱點。因此，如果要提高焊縫強度，就需要減少鋁的影響。這就是為什么在激光拼焊鋁硅涂層時需要剝離過程。

如果使用薄涂層，可以減少剝離過程，并且可以直接進行焊接。這是因為涂層更薄，進入焊縫的Al明顯減少，焊縫質量更穩定。但需要注意的是，需要有一道“加焊絲”的工序:填充C/Mn等合金，在不額外預留間隙的情況下，最大程度保證焊縫的幾何尺寸，從而提高焊接效率，保證焊縫質量，降低原材料浪費的風險。

綜上所述，育才堂(蘇州)材料科技有限公司致力于為客戶提供高韌性薄型鋁硅涂層熱沖壓鋼及其拼焊產品的全流程技術解決方案，提供材料強度500/1000/1500/1800MPa的高韌性鋁硅涂層材料支撐；為拼焊產品的開發提供技術支持，以進行塊體優化(厚度分布、焊縫設計)和可制造性分析；提供低成本高效率的拼焊產品。

那是我的報告。

(以上內容來自于2022年8月24日蓋世汽車主辦的2022年第二屆中國車身大會上，育才堂(蘇州)材料科技有限公司、汽車用鋼部總工程師周樹博士發表的《鋁硅涂層熱成型材料產品及其低成本激光拼焊門環戰略》主題演講。)

標簽：發現特斯拉Model Y

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