文/秦海斌，張宇，馬延峰·恒大新能源汽車集團(tuán)天津公司

激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用于汽車行業(yè)已經(jīng)多年，技術(shù)也相對(duì)成熟，但在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，還存在盲目應(yīng)用的情況。本文通過沖壓成形模擬仿真分析，結(jié)合主機(jī)廠常用零件的實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)出激光拼焊板料厚度差異的建議值，為汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

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，是利用激光焊機(jī)將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同表面鍍層的鋼板焊接成一塊整體板材，再進(jìn)行沖壓生產(chǎn)，以滿足零件不同部位對(duì)材料不同使用性能的要求。拼焊板工藝的出現(xiàn)，解決了由傳統(tǒng)單一厚度平板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。

從20 世紀(jì)80 年代中期開始，激光拼焊板就已經(jīng)應(yīng)用在歐洲、日本和美國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)的汽車車身零部件中。隨著國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)汽車拼焊板的需求也越來越多。在汽車車身的生產(chǎn)、制造和設(shè)計(jì)方面，激光拼焊板的使用，有著顯著的優(yōu)勢(shì)。目前，采用激光拼焊板生產(chǎn)的汽車車身零部件，主要有前后車門內(nèi)板、前后縱梁、側(cè)圍內(nèi)板、地板、A 柱、B 柱、C 柱、D 柱、輪罩、后背門內(nèi)板等，其中，前后車門內(nèi)板應(yīng)用拼焊板沖壓成形工藝的最多，其次是前后縱梁。

由于激光拼焊板焊縫兩側(cè)板料性能及板料厚度一般存在差異，這會(huì)導(dǎo)致拼焊板零件在沖壓成形的過程中發(fā)生各種問題。減少激光拼焊板零件沖壓成形過程中焊縫的偏移量，提高零件的成形性，是非常重要的課題。本文主要關(guān)注零件產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)，通過實(shí)際調(diào)研及仿真模擬分析，在板料厚度差異、零件強(qiáng)度需求、焊縫偏移量及成形性之間找到一種平衡，從而為激光拼焊板零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，提高拼焊板零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高工藝性，少走彎路。

激光拼焊板零件在汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車覆蓋件采用激光拼焊板，可以給汽車制造業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，有利于整車零件數(shù)量減少，簡(jiǎn)化點(diǎn)焊工藝，提高車身零件尺寸精度，減少質(zhì)量問題的發(fā)生概率，材料厚度的可變性還可以滿足車身重要位置對(duì)強(qiáng)度的要求。

但是，由于拼焊板焊縫兩側(cè)材料強(qiáng)度及性能存在差異，會(huì)引起拼焊板在沖壓成形過程中材料流動(dòng)和變形的不均勻、不協(xié)調(diào)，進(jìn)而會(huì)給沖壓成形的整個(gè)過程帶來一定困難，容易導(dǎo)致一系列的質(zhì)量缺陷。這些缺陷主要表現(xiàn)在由于焊縫不均勻移動(dòng)或者扭曲變形，導(dǎo)致的起皺條件改變、零件變薄率增加、焊縫附近板料成形性能降低、板料彎曲變形不均勻等。另外，如果焊縫的偏移量過大，還會(huì)導(dǎo)致成形后零件的強(qiáng)度及沖孔不符合設(shè)計(jì)的初衷，表現(xiàn)在實(shí)車碰撞強(qiáng)度下降，沖孔所在位置的板料薄厚與實(shí)際設(shè)計(jì)零件產(chǎn)品不一致，影響后續(xù)安裝及密封，還可能造成沖頭折斷、漏水等問題。

本文調(diào)研的對(duì)象是國(guó)內(nèi)外主流的汽車廠家，統(tǒng)計(jì)目前在產(chǎn)車型前后車門內(nèi)板材質(zhì)及板料厚度的應(yīng)用情況，見表1。目前，國(guó)內(nèi)外汽車廠家車門內(nèi)板使用拼焊板的比例還是比較高的，部分不使用拼焊板的車門內(nèi)板，在車門鉸鏈側(cè)增加了加強(qiáng)板，需要增加焊裝工位，且不利于車門總成尺寸控制。車門內(nèi)板的材質(zhì)主要是DC06，適合深拉延及復(fù)雜的成形，拼焊板薄厚側(cè)大都使用相同材質(zhì)，薄板料最薄能達(dá)到0.65mm，厚板料最厚能達(dá)到1.53mm，各種情況都有使用。本文以下內(nèi)容將從理論層面出發(fā)，展現(xiàn)拼焊板的不同板料厚度組合在沖壓成形過程中的表現(xiàn)特點(diǎn)。

表1 車門內(nèi)板材質(zhì)及料厚使用情況統(tǒng)計(jì)表

創(chuàng)建模擬仿真分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

由于金屬板料的沖壓成形理論是相通的，本文將設(shè)計(jì)方盒形零件為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，基于汽車行業(yè)主流的仿真分析軟件AUTOFORM 來建立仿真分析數(shù)據(jù)模型，材料采用DC06，分析拼焊板不同板料厚度組合，在沖壓成形過程中的焊縫偏移及成形性等。

沖壓成形仿真分析模型如圖1 所示，具體參數(shù)如下：1.4mm、0.7mm/1.6mm，。

圖1 方盒形件沖壓成形仿真分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

數(shù)據(jù)模擬仿真分析結(jié)果分析

在相同的分析參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下，對(duì)四種拼焊板板料厚度組合進(jìn)行仿真分析，得到仿真分析結(jié)果，拉延成形到底流入量狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 拉延成形到底流入量狀態(tài)

⑴盒形件深度為200mm，側(cè)壁拔模角度為7°，側(cè)壁設(shè)計(jì)兩級(jí)臺(tái)階造型，因深度較深，設(shè)計(jì)臺(tái)階造型是為了防止側(cè)壁起皺，盒形件頂面設(shè)計(jì)深度為15mm的凹形，增加零件局部剛度。

⑵周圈設(shè)置圓形拉延筋，直段位置拉延筋高度為4mm，進(jìn)出R 角為3mm。

⑶壓邊力為100t，摩擦系數(shù)為0.15，薄板料尺寸為780mm×1480mm，厚板料尺寸為720mm×1480mm。

⑷分四種情況對(duì)拼焊板板料厚度組合進(jìn)行仿真分析，分別為0.7mm/1.0mm、0.7mm/1.2mm、0.7mm/

從此次模擬仿真結(jié)果來看，隨著料厚差的增加，薄板側(cè)流入量逐漸增大，厚板側(cè)流入量逐漸減小，料厚差越大，薄厚板兩側(cè)的流入量差距越大，料厚差每變化0.2mm，薄板側(cè)流入量大概增加30mm，厚板側(cè)流入量大概減少30mm。但是，從(a)組合到(b)組合，薄板側(cè)的流入量只增加約13mm，從(b)組合到(c)組合，厚板側(cè)的流入量減少了約40mm，說明對(duì)于該種拼焊板材料來說，板料厚度組合0.7mm/1.2mm的板料厚度差異對(duì)流入量的影響適中，超過了這種料厚差，板料流入量容易出現(xiàn)激變，薄厚板兩側(cè)流入量的差異數(shù)值也成倍數(shù)的增加，加重了板料流動(dòng)的不均勻性和不穩(wěn)定性。

拉延成形到底時(shí)，各種板料厚度組合的焊縫偏移狀態(tài)，如圖3 所示，其中測(cè)量出了中間位置最大的焊縫偏移量。拼焊板主面位置的焊縫是向厚板側(cè)偏移，這是因?yàn)橹髅嫖恢冒辶鲜芾瓚?yīng)力的作用，薄板料的抗拉能力低于厚板料，所以會(huì)出現(xiàn)薄板料被拉向厚板料的情況。另外，隨著料厚差的增大，焊縫的偏移量也在逐漸增大，(a)組合到(b)組合之間焊縫的最大偏移量大了三十多毫米，而(b)組合、(c)組合及(d)組合之間焊縫的最大偏移量分別大了四十多毫米。從焊縫偏移的數(shù)值來看，0.7mm/1.2mm 的料厚差，焊縫的理論偏移量在可承受的范圍內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用中可以通過工藝手段來平衡焊縫的部分偏移，但是如果理論的焊縫偏移量過大，單純依靠工藝手段是無(wú)法達(dá)到目的的，因?yàn)闀?huì)增加實(shí)際的調(diào)試難度，帶來其他問題。

圖3 拉延成形到底焊縫偏移狀態(tài)

圖4 拉延成形到底焊縫附近Max Failure

拉延成形到底，焊縫附近的成形性，即Max Failure 指標(biāo)，如圖4 所示?？梢钥闯?，隨著板料厚度差的增大，焊縫附近薄板側(cè)的成形性逐漸降低，開裂風(fēng)險(xiǎn)加劇。這是由于板料厚度差變大時(shí)，焊縫的偏移量過大，會(huì)造成薄板料的變形量過大，并且厚板料的變形量不足，板料成形非常的不均勻，這種情況會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的開裂、起皺等成形問題，并且還會(huì)影響整體零件產(chǎn)品的強(qiáng)度及尺寸精度。從此次模擬仿真來看，0.7mm/1.2mm 的板料厚度差，接近沖壓成形性變差的臨界位置。

結(jié)束語(yǔ)

拼焊板沖壓成形過程中的流入量、焊縫偏移狀態(tài)及成形性跟板料的厚度差異息息相關(guān)，從理論層面上來講，板料厚度差異越小越有利于成形及調(diào)試，但是板料厚度差異過小，拼焊板的優(yōu)勢(shì)無(wú)法突顯，也不符合應(yīng)用需求。因此，在實(shí)際的零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，根據(jù)板料的變形原理及參照國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠的做法，還是要適當(dāng)控制拼焊板薄厚板的料厚差，盡量不要超過薄板料的料厚。另外，還要盡量考慮采用工藝手段來減少拼焊板板料厚度差異帶來的影響，例如調(diào)整薄厚板側(cè)的拉延筋系數(shù)來平衡流入量，調(diào)整初始板料的焊縫位置來使實(shí)際產(chǎn)品的焊縫更加接近理論產(chǎn)品的焊縫等。