摘要
引言
自2014 年本田謳歌MDX首次采用熱成形門環(huán)，其后2016年克萊斯勒Pacifica再次采用相同技術(shù)開始［1］，熱成形門環(huán)技術(shù)越來越受到關(guān)注。目前，國內(nèi)多家汽車制造商也已開始研究設(shè)計并量產(chǎn)熱成形門環(huán)，推動該技術(shù)快速發(fā)展的主要原因如下：（1）車身輕量化需求。熱成形門環(huán)能夠降低整車重量，實現(xiàn)輕量化的目標。這不僅可以提升燃油經(jīng)濟性、車輛操作性及加速性能，還能夠減小制動距離、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)需求和輪胎滾動阻力，
降低碰撞時車輛結(jié)構(gòu)能量；（2）車身結(jié)構(gòu)安全要求。因25%小偏置碰撞法規(guī)、可變形移動避障側(cè)面碰撞試驗和新能源汽車試驗項目側(cè)面柱碰試驗等的實施［2］，傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)在不斷升級的安全法規(guī)要求下存在不足。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計，使整車更加穩(wěn)定堅固。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效地分散碰撞能量，可以承受更高的碰撞沖擊力，減少車身變形量和鈑金開裂風(fēng)險，保護乘員安全；（3）熱成形技術(shù)的進步。隨著TWB拼焊不等厚板、TRB柔性軋制板、TTP軟區(qū)工藝和PB補丁板等技術(shù)在車身上的應(yīng)用［3］，融合了這些新技術(shù)的一體式熱成形激光拼焊門環(huán)得到了進一步發(fā)展。門環(huán)技術(shù)的應(yīng)用不僅提高汽車制造效率和整車質(zhì)量穩(wěn)定性，也可以降低生產(chǎn)成本。綜上所述，一體式熱成形門環(huán)的應(yīng)用在近年的整車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中尤其重要。本文基于某三廂轎車的前門環(huán)設(shè)計方案，研究一體式熱成形激光拼焊門環(huán)優(yōu)化方案，為后續(xù)新車型開發(fā)設(shè)計提供參考。
相關(guān)技術(shù)與理論 1.1激光拼焊板材技術(shù)
1.2 熱成形沖壓成形技術(shù)
熱成形沖壓成形技術(shù)是一種利用熱作用對金屬材料進行塑性變形的方法。它結(jié)合了熱處理和沖壓成形的特點，通過加熱金屬材料使其達到可塑性狀態(tài)，然后通過沖壓工藝對其進行成形。具體工藝是，將板料放入加熱爐中加熱到 900 ℃左右，使其完全奧氏體化，然后通過機械手放到帶有冷卻水道的沖壓模具上進行快速沖壓成形，成形后保壓、冷卻淬火成馬氏體鋼。
熱成形沖壓成形技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）熱成形技術(shù)解決了超高強度成形問題，與高強度鋼的冷沖壓相比，不易出現(xiàn)起皺和開裂問題；（2）熱成形之后，制件的回彈小，零件尺寸精度高，減少模具調(diào)試整改周期；（3）變成馬氏體后，材料的抗拉強度可以達到1 600 MPa左右，顯著地提升車身的剛度和強度；（4）超高強度鋼的使用，在保證車身安全性能的前提下，可以降低鈑金厚度，從而降低零件重量，實現(xiàn)整車輕量化目標。近年來，隨著熱成形沖壓成形技術(shù)的成熟，越來越多地被應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)件中，如A柱、B柱及鉸鏈柱內(nèi)外板、雪撬板、門檻內(nèi)外板和前后縱梁等。
1.3 一體式熱成形激光拼焊門環(huán)的應(yīng)用
在傳統(tǒng)的門環(huán)制造過程中，通常需要將多個鈑金零件通過點焊組合成完整的門環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣會導(dǎo)致板材利用率低下，造成材料的浪費，增加材料成本。一體式門環(huán)解決了傳統(tǒng)門環(huán)制造過程中多處重疊點焊導(dǎo)致的板材利用率較低和多層板焊接工藝問題。一體式門環(huán)主要技術(shù)路線有兩種：一種是等料厚一體熱成形，該技術(shù)減重效果較差，材料利用率低，性能變化不靈活；另一種是不等料厚激光拼焊熱成形，即一體式熱成形激光拼焊門環(huán)。它將激光拼焊技術(shù)和熱成形沖壓技術(shù)有效結(jié)合，實現(xiàn)車身安全性能、整車輕量化和生產(chǎn)制造之間的巧妙平衡，提高材料利用率，減少材料的浪費。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)主要工藝流程包括：落料、激光拼焊、熱沖壓成形和激光切割，如圖2所示。
設(shè)計方案優(yōu)化
圖3 一體式熱成形激光拼焊門環(huán)各成本要素占比
該三廂轎車的前門環(huán)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是傳統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分成6個部分（見圖4），各部分具體結(jié)構(gòu)信息如表1所示。本文依托此base方案將前門環(huán)設(shè)計成一體式熱成形激光拼焊門環(huán)結(jié)構(gòu)，同時綜合考慮門環(huán)性能、減重和成本，對分片數(shù)量、分片位置等方面進行優(yōu)化設(shè)計。
圖4 現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
2.1 分片數(shù)量優(yōu)化 本文分別設(shè)計出3道焊縫、4道焊縫和5道焊縫的方案進行分析對比，如圖5所示。不同分片數(shù)量方案的零件重量和成本對比如表2所示。與原始方案對比，3道焊縫設(shè)計方案在單片成本方面表現(xiàn)最優(yōu)，但該方案存在材料利用率低、減重效果欠佳且后期性能調(diào)整料厚不靈活等缺點。5道焊縫便于落料排樣設(shè)計，材料利用率最高，但該方案焊縫長度長，使單片成本大幅增大。4 道焊縫減重效果最佳，材料利用率與原始方案相比僅有小幅增加。綜合考慮減重、成本和性能調(diào)整靈活度3個方面，4道焊縫方案為此前門環(huán)的分片數(shù)量最優(yōu)解。 圖5 不同分片數(shù)量的門環(huán)方案對比 2.2 分片位置優(yōu)化 確定分片數(shù)量之后，需繼續(xù)對分片位置進行微調(diào)優(yōu)化。焊縫需要避開材料流動劇烈的地方， 保證焊縫距離R角50 mm以上，避免出現(xiàn)影響激光拼焊質(zhì)量和成形性問題。同時，通過優(yōu)化焊縫位置來進一步減少激光焊縫長度，降低激光拼焊費用，從而有效節(jié)約門環(huán)單片成本。 表2 不同分片數(shù)量的門環(huán)方案成本對比 拼焊質(zhì)量和成形性問題。同時，通過優(yōu)化焊縫位置來進一步減少激光焊縫長度，降低激光拼焊費用，從而有效節(jié)約門環(huán)單片成本。本文在上訴4道焊縫設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計 了3種優(yōu)化分片位置方案，如圖6所示。3種優(yōu)化方案與原始方案的零件重量和成本對比，如表3所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案3的減重效果最好，焊縫長度最短，單片成本和模具成本相對最低。因此，本文最后選擇優(yōu)化方案3作為該車前門環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，將A柱加強板、鉸鏈柱加強板、門檻加強板及B柱加強板等部分通過激光拼焊的方式組合成一個整體，然后進行熱成形和激光切割得到所需零件。門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，再經(jīng)模擬CAE碰撞性能試驗 ，進一步驗證其結(jié)構(gòu)的合理性。 圖6 不同分片位置的門環(huán)優(yōu)化方案對比 2.3 成形分析優(yōu)化 一體式門環(huán)相比于原傳統(tǒng)的單件熱成形，體積較大、型面更復(fù)雜，一次成形后，成形性會有變化，容易在鉸鏈柱前端上部和下部的尖角處等區(qū)域出現(xiàn)鈑金開裂、過度減薄和局部起皺疊料等成形性問題。雖然采用熱成形工藝，成形性會比高強度鈑金的冷沖壓好，但在個別位置仍然需要調(diào)整，產(chǎn)品數(shù)模設(shè)計時要避免尖角、負角、小圓角等不利于成形的特征。圖7顯示了幾處一體式門環(huán)容易出現(xiàn)鈑金開裂、過度減薄和起皺疊料的位置。 圖7 成形性問題 為應(yīng)對以上典型的開裂和起皺問題，需要有針對性地局部優(yōu)化。圖8給出了部分更改建議和解決方案。數(shù)模優(yōu)化后該門環(huán)成形狀態(tài)如圖9所示，可以看出成形問題有明顯改善。 表3 3種優(yōu)化方案與原始方案的零件質(zhì)量和成本對比 圖8 成形性問題解決方案 優(yōu)化結(jié)果對比 3.1 成本對比分析 經(jīng)過成本對比，優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)單片成本略高于傳統(tǒng)工藝方案門環(huán)，整車成本增加約28元（單車2片），如表4所示。此外，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)的模具成本可與傳統(tǒng)工藝方案模具成本幾乎持平。 3.2 重量對比分析 經(jīng)過重量對比，優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)較傳統(tǒng)工藝方案門環(huán)單側(cè)減重2.82kg，如表5所示，整車減重5. 64 kg，減重超18. 6%。優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)明顯具有更優(yōu)的減重優(yōu)勢，更容易達到輕量化目標。 3.3 性能對比分析 對傳統(tǒng)工藝門環(huán)和優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)分別進行SOF碰撞模擬分析，碰撞結(jié)果如圖10及表6所示。從對比圖和表中數(shù)據(jù)可以看出，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)相比于傳統(tǒng)工藝門環(huán)，大部分區(qū)域的鈑金變形和侵入量都更小。A柱上鉸鏈位置的侵入量下降15.6mm，上儀表板位置的侵入量下降32.8mm，優(yōu)化后滿足碰撞性能目標值。 圖10 SOF碰撞結(jié)果對比圖 表6 SOF碰撞結(jié)果侵入量/mm 經(jīng)過SOF碰撞模擬分析對比，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)對駕駛艙的侵入量更小，特別是對于車體上部的侵入量的優(yōu)化尤為顯著，表現(xiàn)出更優(yōu)異的安全性能。 結(jié)語 本文針對某三廂轎車的側(cè)圍前門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行研究，介紹了結(jié)合激光拼焊技術(shù)和熱成形沖壓技術(shù)的一體式熱成形激光拼焊門環(huán)技術(shù)。綜合考慮成本、重量及性能要求，提出了幾種不同分片設(shè)計的門環(huán)結(jié)構(gòu)方案，并針對成形性進行數(shù)模設(shè)計優(yōu)化。圍繞成本、重量和性能三方面的對比分析，最終確定前門環(huán)的結(jié)構(gòu)方案，進一步提升一體式熱成形激光拼焊門環(huán)在成本、輕量化和安全性能方面上的優(yōu)勢。最后，研究結(jié)果不僅解決了該項目的門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，也為后續(xù)車型的前門環(huán)提供了設(shè)計參考。 ［1］覃顯峰，謝國文，劉偉，等. 激光焊接在熱成形門環(huán)中的應(yīng)用研究［J］. 熱加工工藝，2022，51（9）：52-55，59. ［2］劉江波，趙震，張羽，等. 整體式熱成形門環(huán)技術(shù)在輕量化車身上的應(yīng)用［J］. 汽車實用技術(shù)，2023，48（5）：138-142. ［3］周槿楓，孔嬌龍，耿娟. 應(yīng)用熱成形技術(shù)實現(xiàn)白車身輕量化實踐案例［J］. 時代汽車，2021（15）：130-131. ［4］YAN Q，CAO N. Research on the Properties of TWB for Automobiles［J］. Proc. SPIE，2022，4915：117-123. ［5］YAN Q，CAO N，YU N F. Research on the Properties of Laser Welded Joints of Aluminum Killed Cold Rolled Steel［J］. China Welding，2002，11（2）：143-147.
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