現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某車(chē)型差厚激光拼焊門(mén)內(nèi)板（薄板厚度0.7mm，厚板厚度1.4mm）零件出現(xiàn)的開(kāi)裂狀態(tài)有以下2種：①激光拼焊縫位置開(kāi)裂（見(jiàn)圖1）；②薄板區(qū)激光拼焊縫旁3~5mm位置開(kāi)裂（見(jiàn)圖2）。2種問(wèn)題的發(fā)生頻次有一定差異，第2種焊縫旁開(kāi)裂問(wèn)題發(fā)生的頻次較高（見(jiàn)表1），現(xiàn)將重點(diǎn)闡述第2種開(kāi)裂問(wèn)題的原因和解決方案。
圖1 激光拼焊縫開(kāi)裂
圖2 激光拼焊縫旁開(kāi)裂
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，差厚激光拼焊門(mén)內(nèi)板焊縫位置開(kāi)裂的問(wèn)題，主要是拼焊過(guò)程焊接質(zhì)量差導(dǎo)致。厚薄板匹配直線(xiàn)度差、焊接部位有雜質(zhì)、焊接氣孔或虛焊等問(wèn)題是導(dǎo)致焊接質(zhì)量差的主要原因，做好焊接過(guò)程控制即可有效解決焊縫位置的開(kāi)裂問(wèn)題。現(xiàn)重點(diǎn)對(duì)拼焊縫旁開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行分析。
為分析差厚激光拼焊門(mén)內(nèi)板開(kāi)裂原因，將各開(kāi)裂零件狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂主要表現(xiàn)為薄板料焊縫旁3~5mm位置拉深過(guò)程的應(yīng)變超過(guò)極限，使材料拉裂。
將該零件工藝設(shè)計(jì)階段的CAE結(jié)果調(diào)取出來(lái)進(jìn)行檢查（見(jiàn)圖3），同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格試驗(yàn)分析（見(jiàn)圖4），結(jié)果顯示實(shí)際零件成形后狀態(tài)與CAE分析結(jié)果基本一致，可以確認(rèn)薄板區(qū)在局部位置材料應(yīng)變超過(guò)成形極限，產(chǎn)生開(kāi)裂。因此差厚激光拼焊門(mén)內(nèi)板焊縫旁開(kāi)裂問(wèn)題分析，應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。
根據(jù)鋼材沖壓成形原理分析，沖壓件滿(mǎn)足拉深要求的首要條件為鋼材自身的力學(xué)性能參數(shù)滿(mǎn)足零件拉深要求。現(xiàn)探討的門(mén)內(nèi)板開(kāi)裂問(wèn)題全部集中在薄板區(qū)，將該零件0.7mm薄板鋼材作為分析的關(guān)鍵點(diǎn)。
調(diào)取生產(chǎn)過(guò)程中某時(shí)期內(nèi)0.7mm薄板性能參數(shù)，與許可范圍進(jìn)行對(duì)比，各參數(shù)表現(xiàn)如下：屈服強(qiáng)度許可范圍120~210MPa，實(shí)際板料屈服強(qiáng)度133~154MPa；抗拉強(qiáng)度許可范圍≥260MPa，實(shí)際板料抗拉強(qiáng)度284~291MPa；斷后延伸率許可范圍≥42%，實(shí)際板料斷后延伸率51%~55.5%；厚向異型系數(shù)R90值許可范圍≥1.7，實(shí)際板料厚向異型系數(shù)2.6~3.1；應(yīng)變硬化指數(shù)N90值許可范圍≥0.2，實(shí)際板料應(yīng)變硬化指數(shù)0.25~0.26，薄板性能達(dá)標(biāo)。
變形力和變形是作為評(píng)判焊縫質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，可以通過(guò)杯突試驗(yàn)機(jī)獲得，一般以變形高度作為最終衡量標(biāo)準(zhǔn)。按照GB4156-84《金屬杯突試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，一般沖壓的變形高度為5.6mm，超深沖壓的變形高度為7.0mm以上。調(diào)取該時(shí)期28批次的拼焊板料杯突結(jié)果顯示，板料杯突試驗(yàn)滿(mǎn)足超深沖壓要求。
熱沖壓門(mén)環(huán)是指將A柱、B柱、門(mén)檻梁和車(chē)頂邊梁設(shè)計(jì)成一個(gè)封閉的整體式零件，進(jìn)而進(jìn)行熱沖壓成形。從2009年起，主要受全球排放法規(guī)的影響，熱沖壓鋼激光拼焊板在現(xiàn)代汽車(chē)上的使用開(kāi)始迅速增長(zhǎng)。
輕量化門(mén)環(huán)的設(shè)計(jì)與材料機(jī)械性能、材料厚度、涂層性質(zhì)、材料落料利用率、成形方式相關(guān)。目前生產(chǎn)的熱沖壓激光拼焊板中，約99%使用鋁硅涂層的鋼。使用部分消融技術(shù)對(duì)鋁硅涂層板進(jìn)行激光拼焊，但如果在激光拼焊前沒(méi)有去除涂層，涂層中含有的鋁會(huì)削弱焊縫，導(dǎo)致零件失效。而如果采用無(wú)涂層鋼板制造熱沖壓激光拼焊件，雖無(wú)激光拼焊開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但由于在一般的氣氛加熱爐內(nèi)存在大量氧氣，使得無(wú)涂層鋼板在加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生氧化皮，需要進(jìn)行拋丸，但拋丸易變形，且耐腐蝕性差。本文以真空熱沖壓技術(shù)與激光落料、激光拼焊技術(shù)相結(jié)合，對(duì)一體式門(mén)環(huán)的輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)拓思路，對(duì)熱沖壓零件的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)和借鑒意義。
工藝優(yōu)化對(duì)比
以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的A柱、B柱、門(mén)檻梁和車(chē)頂邊梁點(diǎn)焊接門(mén)環(huán)方案與激光拼焊的無(wú)涂層板的方案進(jìn)行對(duì)比分析。⑴原方案：4個(gè)零件是單獨(dú)成形，后續(xù)通過(guò)點(diǎn)焊裝配；優(yōu)化方案：采用激光拼焊整體成形。⑵料厚保持原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。⑶原方案每個(gè)零件的匹配搭接處取消，改成激光拼焊縫(圖1)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 門(mén)環(huán)優(yōu)化方案數(shù)模
表1 門(mén)環(huán)優(yōu)化方案信息
從上述表格數(shù)據(jù)分析可得，門(mén)環(huán)優(yōu)化后減重17.853kg-15.141kg＝2.712kg，減重率約≈17%。
材料利用率對(duì)比
目前大部分通用落料線(xiàn)為壓力機(jī)與模具落料，壓力機(jī)與模具落料是利用壓力機(jī)和沖切模具進(jìn)行金屬板料的落料，壓力機(jī)一次開(kāi)合即完成一次料片的落料。其工作效率較高，但沖切時(shí)，為保持沖切順利，每個(gè)成品料片間必須有8～10mm的縫隙，并且在更換新產(chǎn)品時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)和制造新的模具。因此這種工作方式，其材料利用率偏低，柔性較差，對(duì)新產(chǎn)品的響應(yīng)速度較慢，其材料利用率如圖2所示。而激光落料是利用激光切割裝置對(duì)切割平臺(tái)上的板材進(jìn)行切割加工，從而完成料片的落料。激光切割時(shí)，每個(gè)成品料片間只需有3mm左右的縫隙，有些特殊的料片甚至可以做到零間隙排布，即共邊切割，同時(shí)，在更換新產(chǎn)品時(shí)，只需要重新編寫(xiě)切割程序即可。因此這種工作方式，其材料利用率高，柔性好，對(duì)新產(chǎn)品的響應(yīng)速度也快，其材料利用率如圖3所示，材料利用率對(duì)比詳見(jiàn)表2。
圖2 模具落料材料利用率
表2 模具落料與激光落料材料利用率對(duì)比
圖3 激光落料材料利用率
現(xiàn)場(chǎng)效果驗(yàn)證
采用激光切割的落料方式，分別對(duì)厚度為1.4mm和1.6mm的22MnB5裸鋼板進(jìn)行落料，得到厚度為1.4mm的A柱板料和門(mén)檻板料，厚度為1.6mm的B柱板料和H柱板料。依次序?qū)柱板料、門(mén)檻板料、B柱板料和H柱板料進(jìn)行激光拼焊，得到門(mén)環(huán)坯料，如圖4所示。將門(mén)環(huán)坯料放入930℃的真空爐內(nèi)，對(duì)真空爐進(jìn)行抽真空，爐內(nèi)真空度在1～100Pa之間。將門(mén)環(huán)進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為300s。將奧氏體化后的門(mén)環(huán)坯料放入模具中進(jìn)行熱沖壓，其中轉(zhuǎn)移時(shí)間為10s，沖壓壓力為750t，保壓時(shí)間12s，門(mén)環(huán)熱沖壓件成形，如圖5所示。
圖4 激光拼焊門(mén)環(huán)坯料
圖5 真空加熱一體式激光拼焊門(mén)環(huán)
另外為增加無(wú)涂層門(mén)環(huán)的耐腐蝕性能，可對(duì)真空加熱后的門(mén)環(huán)進(jìn)行電鍍鋅處理，電鍍鋅門(mén)環(huán)如圖6所示。
圖6 真空加熱一體式激光拼焊電鍍鋅門(mén)環(huán)
對(duì)真空加熱的門(mén)環(huán)以及氣氛爐加熱的門(mén)環(huán)用金相法進(jìn)行氧化皮厚度測(cè)試，普通爐如不通入氮?dú)膺M(jìn)行氣氛保護(hù)，氧化皮厚度一般在10μm以上，而通入氮
圖7 氣氛爐加熱門(mén)環(huán)氧化皮厚度
圖8 真空加熱一體式激光拼焊門(mén)環(huán)氧化皮厚度
氣進(jìn)行氣氛保護(hù)，氧化皮厚度一般在5μm左右(圖7)。而用真空爐制備的零件，其氧化皮厚度一般小于2μm(圖8)。
結(jié)束語(yǔ)
結(jié)合真空加熱爐技術(shù)與激光拼焊門(mén)環(huán)技術(shù)，采用無(wú)涂層板制備一體式門(mén)環(huán)，減重17%左右，且發(fā)現(xiàn)通過(guò)真空加熱爐制備的熱沖壓門(mén)環(huán)，其氧化皮厚度小于2μm，小于普通氣氛保護(hù)爐產(chǎn)生的氧化皮厚度。另外由于激光拼焊處無(wú)涂層，可以避免焊接開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)涂層激光拼焊需要增加耐腐蝕性能，可在熱成形之后加一道電鍍鋅工序即可。
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