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機械工業雜誌

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熱衝壓異厚拼焊板B柱之製程開發

作者 莊志宇,陳逸群,陳宛伶,邱黃正凱,李明富

刊登日期:2025/11/25

摘要

為因應車身輕量化與高安全性的需求,本研究旨在開發應用於汽車B柱之熱衝壓異厚拼焊板(TWB)製程。研究採1.8 mm與1.2 mm硼鋼板進行雷射拼焊與試作,先以CAE分析確保成形性,再透過實體試模探討不同持壓時間(5~20秒)對尺寸精度與機械性能的影響。結果顯示,增加持壓時間能有效提升尺寸精度;三點彎曲試驗中,異厚件相較於等厚件(最大反力23 kN vs. 30 kN),展現更佳的韌性與吸能效果,成功達成局部弱化之設計目標。本研究驗證了此先進製程的可行性,並為後續優化提供關鍵數據。

Abstract

To meet the demands for vehicle lightweighting and high safety, this article aims to develop a hot stamping process for Tailor Welded Blanks (TWB) applied to an automotive B-pillar. The study utilizes 1.8 mm and 1.2 mm boron steel sheets for laser welding and trial production. Formability is first ensured through CAE analysis, followed by physical trials to investigate the effects of different holding times (5-20 seconds) on dimensional accuracy and mechanical properties. The results indicate that a longer holding time effectively enhances dimensional accuracy. In the three-point bending test, the TWB part demonstrates superior toughness and energy absorption (maximum reaction force of 23 kN vs. 30 kN for the uniform thickness part), successfully achieving the design objective of localized weakening. This research validates the feasibility of this advanced process and provides crucial data for future optimization.

前言

熱沖壓(Hot Stamping)技術因能製造出兼具超高強度與複雜形狀的輕量化汽車結構件,已成為現代汽車工業不可或缺的關鍵製程。此技術將硼鋼板加熱至沃斯田鐵化溫度(約900-950 °C)[1],使其具備優異的延展性,再利用具備冷卻水路的模具進行高速沖壓成形的同時進行淬火,使材料獲得麻田散鐵組織超高強度。例如本研究採用之中鋼(CSC)HC 15B36高強度錳硼鋼,熱沖壓後更能獲致 1800 MPa 以上之超高強度特性,從而在提升車輛安全碰撞性能的同時,有效降低車體重量[2]。全球日益嚴苛的油耗法規與電動車對續航里程的需求,更驅使車廠積極導入此類先進輕量化技術,以取代傳統多件焊接的厚重結構。

然而,傳統的等厚度板件設計,在某些情況下難以兼顧不同區域的功能需求。以汽車的B柱為例,其在側面撞擊中扮演保護車室完整性的關鍵角色,上段結構需要極高的剛性以抵抗變形;但在特定部位(通常是下半部),又必須產生可控的潰縮變形以吸收撞擊能量,避免將過大的衝擊力傳遞至車身底板,造成乘員傷害。為此,異厚拼焊板(TWB)技術應運而生。TWB是將不同厚度、強度或塗層的鋼板,預先透過雷射焊接成一整塊板料,再進行沖壓成形。此方法能使單一零件的不同部位擁有客製化的材料特性,實現更精準的輕量化與性能設計,達到「該硬則硬,該軟則軟」的理想目標[3]。

本研究旨在結合熱沖壓與TWB技術,開發應用於汽車B柱的異厚拼焊板製程。此組合製程的挑戰在於,焊接區域的熱影響區(HAZ)在高溫成形下的材料行為複雜[4],且不同板厚區域的熱傳速率差異顯著,都可能影響最終產品的品質。特別是較厚的板材區域儲熱量大,若模具冷卻設計不當,極易造成冷卻速率不均,導致成品尺寸精度不佳(如翹曲或扁平化形變)、以及機械性能無法達到預期,從而造成廢品率上升,這也是本研究致力於透過製程優化來解決的關鍵問題之一。因此,研究將針對不等厚硼鋼的模具設計、CAE模擬分析、熱處理與成形參數,以及最終產品的機械性能進行系統性探討,期望建立完整的製程技術與驗證數據,以滿足後續車廠對於功能性輕量化的市場需求。

DOI:10.30256/JIM.202512_(513).0007

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