热气胀技术在无B柱车身上的应用

摘 要：无B柱车身能够显著提升上下车方便性，但车身B柱缺失导致车身刚度较难保证，同时侧碰安全性也受到了一定的挑战，因而限制了无B柱乘用车的发展。热气胀技术可成型变截面闭合管梁，实现模内一体成型，零件刚度好。热气胀管梁抗拉强度可达1500MPa，且高温成型回弹小、成型精度高。截面膨胀率最高可达20%，有较高的设计自由度。上述特点使得热气胀管梁适合应用于无B柱车身尤其是大尺寸的无B柱车身中。极氪汽车通过热气胀管梁的应用成功打造了侧门洞开度达2010mm的无B柱车身。

关键词：热气胀 无B柱车身 管成型 汽车制造

0 引言

随着时间来到21世纪的第3个十年，汽车的发展已经进入到智能化时代。“移动的家”“移动创业平台”“共享出行”等标签被赋予到汽车上，使其从传统的交通工具衍变成了一个智能的多功能平台。

在此背景下，更大的车内空间、更好的上下车便利性成了安全性之外车身结构设计的另一个重要关注点。近两年密集上市的新能源汽车，如腾势D9、极氪009、理想L9、岚图梦想家等车型，无不体现了这一设计理念。这些车型对传统车身结构进行改进，如增大车身尺寸和降低地板高度等，满足市场对于空间舒畅性和上下车便利性的需求。另外一个提升上下车便利性和车辆多功能用途的重要方向是无B柱车身。目前市面上无B柱车型多为尺寸较小的A级车，在一定程度上提升了车辆的上下车方便性，但其尺寸小、空间有限，创新程度有限，无法满足多场景的应用。

限制无B柱乘用车发展的主要原因是取消B柱后，车身侧面门洞尺寸将扩大一倍，在现有车身零件制造工艺（冷冲压、热冲压、一体压铸、辊压等）下，其小偏置碰撞[1]、顶压、侧碰等工况的考核受到了极大挑战。因此虽然各大主机厂都投入了精力去研究无B柱车型，但大多存在于概念阶段。

推动大尺寸无B柱车身的量产需要一种能显著提升车身强度及刚度的新型工艺或结构。近年来上车身结构加强手段主要还是通过热成型工艺，其抗拉强度最高能够达到2000MPa，能够在一定程度上满足车身碰撞安全的需求。但冲压件的结构特点使其具有较低的截面刚度，需要与其它零件拼焊成腔体来形成完整的加强结构，结构的整体性及轻量化效果相对较差。管状零件的结构整体性较好，但成熟的工艺主要是3D辊弯、液压胀形等冷成型工艺，其成型强度相对较低且尺寸精度较难控制，不适用于上车身领域。管状零件具备热冲压成型件的材料力学性能，会使其强度和传力效率必然会有极大的提升。目前德国的林德威曼已经开发了名为ACCRA的工艺[2]，即管件的加热气胀成型与淬火工艺，俗称“热气胀成型”，并且应用在了福特的一些相关车型上。但由于其成本较高，开发周期较长，很难满足于国内快速发展的乘用车市场，以致国产车型鲜有应用。

由于热气胀成型工艺上述的显著优势，国内多家供应商近年开展了相关研究，其中航宇智造（北京）工程技术有限公司率先成功研发制造出了我国第一套自主设计的HMGF+Q热气胀成型装备，并于2020年实现国家科技重大专项首台套热气胀示范产线全自动生产[3]。在应用方面，极氪汽车及江铃福特率先与其展开了某些车型合作研发并成功实现量产。

1 热气胀成型工艺介绍

我们知道，热成型工艺是指将板料加热到900℃至950℃保温3-10分钟，充分奥氏体化后，将板料转移到压机中，在该温度下材料有充分的延展性可以成型复杂的零件，高温成型的零件在模具中快速冷却（水冷），这一过程称为淬火，奥氏体相变为马氏体[4]。热成型技术制作的零件强度可以达到2000Mpa以上，同时零件回弹较小，其工艺流程及成型机理见下图。

热气胀成型是将热成型技术运用到管件成型过程中，具体工艺为在900℃至950℃条件下，将管材保温一定时间使其充分奥氏体化，同时在模具内充入高压气体，使管材发生膨胀与模具表面贴合而得到相应的形状。随后在模具中以大于30K/s的速度冷却淬火，以得到具有均匀马氏体组织的超高强度可变截面管状零件。

热气胀成型采用了和热冲压成型同样的原材料和相近的成型温度曲线，因此最终获得的零件具有与热冲压成型相当的屈服强度和抗拉强度。另外，预弯加模内气胀成型的方式可以成型复杂的变截面。此外，管状结构能够保证从前到后传力结构的一致性，不会产生明显变形诱导区域。同时，15%的截面变化率提高了与周边零件的匹配性。热气胀成型兼具了液压胀型和热冲压成型的优点，即既有液压胀型管闭合截面的刚度提升，又能达到与热冲压成型同样的拉伸和屈服强度。并且其采用模内保压冷却，可保证成型过程中更小的回弹进而提高零件尺寸精度。

2 热气胀成型零件的连接

热气胀成型零件是管状结构，因此钢点焊不适合用于与其相关的连接，应考虑单边可达的连接工艺如激光熔焊、弧焊、结构胶带、拉铆等[6]。并且，由于管梁结构通常轴向尺寸较长，中间区域微小的尺寸波动在端部会被成倍的放大。因此，与周边件的搭接应尽量避免大面贴合，如图8所示为推荐的搭接结构示意：热气胀管梁与匹配零件在凸台处连接，焊点交叉排布。非贴合区域用结构胶带粘接，提高连接强度的同时吸收零件的尺寸公差。

此外，在热气胀管梁上设置安装点时，通常采用拉铆工艺。如确实需要采用凸焊，则需在管梁对面开过孔并谨慎评估对碰撞安全性能的影响。

3 热气胀在无B柱车身上的应用

随着国内热气胀技术的发展，极氪汽车率先将热气胀技术大量应用于实车。在极氪MIX车型上单车共应用了6个热气胀成型管梁，帮助其成功打造了超大侧门洞开度的无B柱车身。

3.1 侧碰性能达成

无B柱汽车并非真的没有B柱，而是将传统白车身的B柱转移到车门，在发生侧碰时，车门B柱将碰撞力传递到上下边梁，进而减小车门B柱的侵入量，减少对车内乘员的伤害。而热气胀管梁的高强度、闭合截面等特点使得热气胀成型非常适合用于无B柱车身的车门B柱和上边梁区域。如图10所示，极氪MIX在上边梁区域采用了1500MPa/2.0mm热气胀管梁以及在B柱区域采用2000MPa/3.5mm的热气胀管梁，侧碰CAE分析及实车碰撞均达到了“Good”评级。

3.2 顶压性能达成

由于B柱集成于车门，无B柱车身侧面门洞开口尺寸较有B柱车身扩大了1倍，顶压测试时缺少了B柱支撑的车身结构稳定性受到了较大挑战。热气胀成型管梁具有一体成型、结构连续等特点，可直接连接A柱和C柱，将顶压的载荷分解传递到C柱，共同承担顶部压力。这一关键设计使得大尺寸无B柱车身的实现成为了可能，经过CAE分析以及实车验证，该车型的顶压承重力达到了130kN，为整车整备重力的4.4倍。

3.3 减重效果

热气胀管梁的应用可提高零件集成度，减少零件数量及无效焊接，减重效果十分显著。如图13所示，将上边梁及B柱总成由拼焊结构改为热气胀管梁结构，可将零件数量由20个减少至6个，单车减重可达20.2kg。此设计思路为上车身的一体化、集成化设计提供了新的方向。

4 展望

极氪汽车通过极氪MIX打造了一种移动出行“新物种”，热气胀管梁的应用显著降低了车身重量，减少了零件数量，在一定程度上提高了上车身结构的集成度。热气胀管梁的管状、可变截面的结构特点使其具备模块化拼接设计的可实施性。未来可结合压铸接头甚至一体化成型半固态压铸接头进一步提升其集成度，使汽车车身整体重量减轻的同时提高车身强度与刚度，使车身整体更耐撞击而具备更高的安全性。同时大大缩短生产制造周期，提升生产效率，降低制造成本。“一体化成型上车身骨架结构”或将成为未来上车身一体化的主流方向之一。

参考文献：

[1]李超，万龙，张东升，等.基于25%偏置碰撞工况下2000MPa级热气胀成形A柱的轻量化研究[J].汽车工艺与材料，2023（3）：9-13.

[2]Lanzerath Horst， Tuerk Markus. Lightweight Potential of Ultra High Strength Steel Tubular Body Structures[J]. SAE International Journal of Materials and Manufacturing， 2015， 8（3）.

[3]程鹏志，成刚，谢亚苏，等.一种钢管热气胀成形工艺系统：CN202122506150.8[P].CN216065071U[2024-03-14].

[4]解东旋，庄蔚敏，王楠，等.高强度钢板热冲压工艺与装备研究综述[J].机械工程学报，2022，58（20）：20.DOI：10.3901/JME.2022.20.319.

[5]薛戬.热成型技术的应用现状和发展趋势[J].汽车工艺与材料，2018（11）：7.DOI：CNKI：SUN：QCGY.0.2018-11-006.

[6]李军正，代金龙，杨丽，等.热成型钢焊接接头的组织及力学性能[J].焊接技术，2023，52（4）：33-36.