傳統(tǒng)工藝中汽車車身零件有兩種成形方法：分離成形和整體成形。分離成形方法是將大型零件分成小型單個件分別成形，然后焊接成部件，其優(yōu)點是可以根據(jù)各部位的要求選擇不同材質(zhì)、不同厚度的材料；缺點是需要更多的工裝模具和設(shè)備的投入，制造成本較高，同時焊接總成的配合精度和整車質(zhì)量也有所下降。整體成形法是用整體板料直接成形大型零件。主要的優(yōu)點是工裝模具和設(shè)備的投入大大減少，制造成本相對較低，產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高；缺點是必須對零件所有部位采用相同材質(zhì)和相同厚度的材料，難以很好的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的需要。
激光拼焊板技術(shù)
激光拼焊板技術(shù)是基于成熟的激光焊接技術(shù)發(fā)展起來的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，是通過高能量的激光將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板再沖壓生產(chǎn)，以滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求。拼焊板工藝的出現(xiàn)解決了由傳統(tǒng)單一厚度材料所不能滿足的超寬板及零件不同部位具有不同工藝性能要求的工藝問題。圖1為分別成形、整體成形和激光拼焊成形生產(chǎn)轎車側(cè)圍外板的示意圖。
圖1 轎車側(cè)圍外板成形方法比較
激光拼焊板的優(yōu)勢
采用激光拼焊板有著巨大的優(yōu)勢，可以給汽車制造業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益，主要體現(xiàn)在：使整車零件數(shù)量大大減少，簡化了點焊工藝，提高了車身尺寸精度減少了質(zhì)量問題，材料厚度的可變性保證了對重要位置的強化等方面。
圖2所示為東風中型車駕駛室整體頂蓋采用激光拼焊板成功進行生產(chǎn)的實例，圖3所示為東風重型車分離成形后焊接的頂蓋總成示意圖。拼焊整體沖壓比分件沖壓取得了明顯的經(jīng)濟效益：模具投資由原先的490萬元減少到360萬元；減少了設(shè)備占用面積和操作人員數(shù)量；零件重量由于搭接面的減少而降低了0.55kg，材料利用率達到了相對最高的76.8%，材料消耗減少了5.33kg/輛。
圖2 中型車一排半駕駛室整體頂蓋
圖3 重型車標車前后頂總成
激光拼焊板的沖壓成形工藝性
拼焊板使用的技術(shù)問題，最主要的是由焊縫區(qū)組織變化所造成的成形性能下降和焊縫移動等因素引起的工裝制造難題。
1.拼焊板的沖壓成形性能
對拼焊板成形性能的研究表明：
（1）激光焊接后的焊接接頭部位強度比母材部分有一定程度的提高，厚度比率的變化對強度的影響沒有材料等級比率變化影響大，不同等級材料的焊接接頭強度主要取決于低強度等級的材料。
（2）焊接接頭部位成形性能比母材有一定程度的降低，隨拼焊厚度差異和強度差異的增加，成形性能降低。
（3）對于不等厚拼焊板，拉伸方向與焊縫方向相同時，拼焊板塑性變形能力明顯降低，薄側(cè)比例越小則降低越多。
（4）拼焊板的拉伸破壞方式一般有兩種：一是當焊縫與拉伸方向一致時，由于焊縫的塑性比母材低，焊縫部位往往被拉斷；二是當焊縫與拉伸方向垂直時，薄側(cè)母材容易產(chǎn)生過量減薄而拉裂。
此外，拼焊板在實際使用中不僅要關(guān)注其成形性能，還要考慮到其不同的料厚差異對后續(xù)工序的影響，如料厚差異較大或者性能差異較大的焊縫線應避免穿過小孔沖壓位置（易導致小孔折彎或斷裂）等。
2.拼焊板的焊縫移動及其工藝對策
焊縫移動是拼焊板區(qū)別于普通整板生產(chǎn)的根本因素，也是產(chǎn)品設(shè)計及工藝分析是否成功的根本。根據(jù)拉延工藝理論和相關(guān)的實驗論證可以得出以下結(jié)論：焊縫移動方向和移動距離主要取決于焊縫兩側(cè)材料強度比、焊縫位置以及拉伸壓邊力分布等。
由于焊縫移動量只能減小而不能消除，這就需要在焊縫處不等厚模面?zhèn)纫欢ǚ秶鷥?nèi)設(shè)定料厚空開面。空開面向料薄一側(cè)空開，壓料面區(qū)域空開相應較大，凹模凸模對應處相應較小。
采用夾緊裝置可以明顯改善焊縫移動程度，使得焊縫移動量減少72.6%～84.9%。實際的車身覆蓋件設(shè)計中，也可以在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可能的情況下，在靠近焊縫處設(shè)計合理的加強筋等結(jié)構(gòu)，通過模具結(jié)構(gòu)先成形焊縫部位從而控制焊縫的移動。
除采取必要的工藝措施控制和減少焊縫移動之外，還應該在焊縫移動區(qū)對模具結(jié)構(gòu)采用合金鑲塊等措施控制型面的磨損和拉毛。
3.焊縫移動的CAE分析
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠應用CAE手段對拼焊板的焊縫移動規(guī)律進行更為準確的分析，這為產(chǎn)品設(shè)計提供了合理的依據(jù)，也為制造工藝的合理化打下了堅實的基礎(chǔ)。圖4為中型車側(cè)圍內(nèi)板拼焊生產(chǎn)的CAE分析結(jié)果，它清晰的反映了各部位的焊縫移動量及整體拉延狀況等。
圖4 拼焊板整體沖壓CAE分析結(jié)果
中型車側(cè)圍內(nèi)板拼焊位置的確定及其對成本的影響
圖#p#分頁標題#e#5為中型卡車駕駛室側(cè)圍示意圖，分別由料厚0.75mm的側(cè)圍角板和料厚1.6mm的側(cè)圍內(nèi)板組成，分界線為圖示的彎延曲線。最初工藝為兩個零件分別成形再焊接成整體。按該方案相應的沖壓排樣及材料利用效果如圖6所示。可以看出該方案的缺點是材料利用率極低，分別為36.2%和43.9%，同時零件生產(chǎn)工藝性也較差。考慮到兩件的裝配關(guān)系，初步判斷如采用拼焊方式生產(chǎn)將有效改善產(chǎn)品工藝性和降低成本。
圖5 中型卡車駕駛室側(cè)圍
圖6 分件生產(chǎn)排樣及材料利用效果
1.焊縫位置的選擇
激光拼焊產(chǎn)品的設(shè)計意圖能否通過工藝得到最好的實現(xiàn)，其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就在于拼焊焊縫的位置選擇是否成功。焊縫位置的設(shè)定不僅要考慮產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的需要，還要從沖壓工藝性的要求、成本的要求等方面綜合考慮，三者有機結(jié)合才會得到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)和整車質(zhì)量。
依據(jù)拉延理論和拼焊成形技術(shù)的研究成果等要求，可以得到以下選擇焊縫位置的基本原則：
1）焊縫的選擇首先要滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的要求。
（2）焊縫為直線，且最好保證在完成工藝排樣后為方形板料拼焊。
（3）焊縫應避免穿越產(chǎn)生拉延效果很大的區(qū)域，特別要防止焊縫平行穿越成形R區(qū)域。
（4）由于不同料厚的沖裁間隙差異，要盡可能避免焊縫穿越小孔沖裁位置。
以圖5所示的側(cè)圍為例，產(chǎn)品最初設(shè)計結(jié)構(gòu)為彎曲的折線。以該曲線為焊縫是拼焊技術(shù)目前所不能滿足的，同時該曲線在圖示A/B部位會由于拉延時焊縫的移動造成小孔處可能出現(xiàn)0.75mm、1.6mm兩種料厚，這容易導致小孔沖頭的彎曲或折斷，因而需要重新選擇焊縫位置。
按照焊縫設(shè)定原則（1）和（2）的要求首選的焊縫位置如圖5紅粗線所示。該焊縫的主要缺點在于拉延時焊縫向厚料移動仍會使A孔出現(xiàn)不同料厚，同時由于A處凸包起伏形狀較大，可能出現(xiàn)拉延開裂。結(jié)合圖5中A、C兩孔的位置關(guān)系將拼焊線調(diào)整至圖7所示位置，基本滿足了相關(guān)各項要求。
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圖7 基本滿足相關(guān)要求的焊縫位置
2.成本因素對焊縫位置的影響
圖8所示為東風某車型側(cè)圍，初步設(shè)計階段的拼焊線如紅線所示。針對該方案的CAE分析結(jié)果為焊縫沿線嚴重開裂（圖9）。其主要原因在于圖示A處靠近R角，變形劇烈。
圖8 某車型側(cè)圍及其拼焊線
圖9 初定焊縫位置CAE結(jié)果
考慮該件的造型特點，完全滿足工藝性的焊縫線如圖8藍線所示，CAE效果良好。對比圖8的兩條焊縫線可以看出，完全滿足工藝性的方案1.6mm厚料區(qū)明顯加大，因而零件重量加大、材料消耗也明顯增加，所以該方案也不是最佳的結(jié)果。
能否類比圖7的方式按圖10設(shè)定拼焊線呢？若按照該方案實施，將最大限度符合產(chǎn)品要求并大大減少厚料區(qū)域，從而降低產(chǎn)品成本。
工藝分析圖10方案最大的風險是臺階和斜面區(qū)域可能出現(xiàn)焊縫區(qū)開裂（CAE分析也印證了這一結(jié)果），需要對該區(qū)做相應設(shè)計更改。產(chǎn)品設(shè)計部門依據(jù)分析對相應區(qū)域做了斜面變緩和過渡處理，圖11所示為經(jīng)過產(chǎn)品優(yōu)化后滿足產(chǎn)品、工藝、成本諸因素的CAE分析結(jié)果。
圖10 類比設(shè)定的拼焊線
圖11 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計后滿足工藝及成本的CAE結(jié)果
結(jié)語
激光拼焊板作為一種新的工藝手段，給車身制造帶來新的產(chǎn)品解決方案，并給質(zhì)量提高和成本降低帶來了新的機遇。同時由于其工藝實施的特殊性，需要產(chǎn)品設(shè)計、沖壓工藝和模具制造等相關(guān)人員更為密切的配合，才能最終制造出既滿足結(jié)構(gòu)和性能要求、工藝合理穩(wěn)定、成本最低的合格產(chǎn)品。
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