文／王力，郜連勇，邰偉彬，任志國，王鑫，陳雪元·中國第一汽車集團有限公司

本文主要介紹了某車型左／右前縱梁零件產(chǎn)品特性，闡述了生產(chǎn)過程中遇到的翻邊開裂問題，并結(jié)合實際的解決措施總結(jié)出一套高效解決高強度不等厚激光拼焊類前縱梁生產(chǎn)穩(wěn)定性控制方法。

激光拼焊板是指把不同厚度、材料性能或表面涂層的板材，用激光焊接的方法拼焊在一起，重新組成一種新型復(fù)合板材，可以同時滿足零件不同部位對于板料不同的性能要求。由于激光拼焊板具有焊接速度快、焊縫較窄、基體金屬的影響范圍較小、重量更輕、生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點，在汽車車身開發(fā)制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，激光拼焊技術(shù)也因此得到了越來越多的重視。

產(chǎn)品特性及生產(chǎn)穩(wěn)定性問題

產(chǎn)品特性

某車型左／右前縱梁零件形狀如圖1 所示，零件板材尺寸(圖2)大小為1795mm×330mm，重量為1.877kg，由兩塊1.6mm 厚的熱鍍純鋅板(強度為590MPa)與一塊1.4mm 的熱鍍純鋅板(強度為440MPa)通過激光拼焊形成。

圖1 某車型左/右前縱梁零件

圖2 零件板材尺寸示意圖

產(chǎn)品工藝

該產(chǎn)品工藝流程(圖3)為：⑴開卷落料；⑵激光拼焊；⑶拉延；⑷修邊、沖孔；⑸修邊、沖孔、翻邊、整形；⑹修邊、沖孔、整形、側(cè)翻邊、分離。

圖3 產(chǎn)品沖壓工藝流程

生產(chǎn)開裂問題

該零件生產(chǎn)過程中存在翻邊開裂問題，位置如圖4 所示，量產(chǎn)三年的平均廢品率為2.4%，遠高于行業(yè)控制標準的0.3%，嚴重影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性，造成大量的生產(chǎn)資源浪費。

圖4 翻邊開裂現(xiàn)象

該零件在模具生產(chǎn)準備期間也發(fā)生過此類問題，量產(chǎn)前判定是修邊斷面質(zhì)量差，存在撕裂、毛刺等問題引起局部應(yīng)力集中從而導(dǎo)致翻邊開裂，通過研配、修邊、鑲塊、刃口垂直度、間隙提升斷面質(zhì)量的方式確實解決了制件開裂問題。

但在后續(xù)的批量生產(chǎn)中，模具穩(wěn)定性特別差。首先，隨著修邊鑲塊刃口磨損、崩刃等缺陷引起的反復(fù)維修，導(dǎo)致斷面質(zhì)量出現(xiàn)偏差，造成廢品率遠高于技術(shù)要求；其次，開裂區(qū)域成形性接近材料極限值，對材料敏感性高，產(chǎn)生開裂現(xiàn)象不穩(wěn)定，往往一個批次板料生產(chǎn)無問題，另一個批次生產(chǎn)則100%開裂。為了保證生產(chǎn)需要，多次維修修邊鑲塊，甚至采用打磨工序件的方式維持正常生產(chǎn)，造成生產(chǎn)效率極低，模具維護成本高，廢品率高。

開裂原因分析

該零件開裂位置翻邊工序?qū)儆谏倭戏?，當減薄超過一定程度就會造成翻邊開裂。同時高強板少料翻邊受材料擴孔率影響，極易開裂。

如圖5 所示，在前期工藝分析時，該產(chǎn)品出現(xiàn)問題處的減薄率為16%，屬于安全范圍之內(nèi)，但未考慮擴孔率影響。在調(diào)試過程中，切邊斷面質(zhì)量差，存在毛刺、撕裂等缺陷，而這些缺陷在翻邊過程中是變形應(yīng)力集中點，結(jié)合擴孔率影響，翻邊時易在這些缺陷部位產(chǎn)生開裂。

圖5 產(chǎn)品、工藝分析以及調(diào)試過程中存在的斷面缺陷

技術(shù)修改路線及其原理

拉延工藝造型優(yōu)化及翻邊高度降低

原理分析：拉延工序的工藝型面偏低，導(dǎo)致在翻邊工序的邊緣變形程度過大，如圖6 所示，當變形程度超過材料變形極限時，就會導(dǎo)致制件翻邊開裂。

圖6 拉延型面低，翻邊變形程度大

可以考慮在拉延工序整改，通過抬高拉延工序型面高度，相應(yīng)減少翻邊工序的變形程度，從而可以減少翻邊開裂的風(fēng)險，如圖7 所示。

圖7 拉延型面抬高，減小翻邊變形程度

試驗方案：通過抬高拉延型面，目的是降低翻邊高度，減少區(qū)域減薄率，解決開裂問題。

整改過程：修改拉延造型，拉延造型接近于產(chǎn)品數(shù)型，拉延型面上抬高度為3mm，如圖8 所示。

圖8 修改拉延型面

修改修邊線：翻邊薄弱區(qū)域光順修邊線，產(chǎn)品邊界按上公差控制(修改1.2mm)，目的是減少修邊不光順帶來的應(yīng)力集中，如圖9 所示。

圖9 修改修邊線

試驗結(jié)果：修改拉延型面后，理論分析減薄率減少2%，實際的減薄率未發(fā)生明顯變化，翻邊開裂導(dǎo)致的廢品率并未明顯降低；本方案實施后對降低廢品率沒有效果，但也沒有變壞。

板料尺寸減小，降低拉延工藝局部減薄率

原理分析：降低拉延工序的減薄率，從而提高翻邊工序的安全裕度，也可以降低開裂風(fēng)險；從拉延工序件的邊界分析，整體的廢料寬度尺寸較大，從修邊線的位置來看，可以通過減小板料寬度方向尺寸，從而減小拉延過程中的材料減薄。

通常拉延工序走料的理想狀態(tài)是收料線恰好在拉延筋外側(cè)，在最小的板料尺寸條件下確保拉延的穩(wěn)定性。如圖10 所示，實際的拉延序收料線都在拉延筋外側(cè)20mm 左右，板料尺寸存在調(diào)整空間。

圖10 修改前拉延工序件

基于這種現(xiàn)狀，考慮修改落料模實現(xiàn)板料寬度方向縮小尺寸，減小拉延件減薄率，從而增加翻邊變形的安全裕度，減小翻邊開裂風(fēng)險。

試驗方案：修改開卷落料模具，使中間的板料590YD ＋Z-60/60 的尺寸由329mm 減小至304mm，減小量為25mm，減小走料阻力，從而減小拉延減薄率。

整改過程：中間部位的生產(chǎn)方式是開卷落料，如圖11 所示，減少板料寬度尺寸，對落料模具的切邊鑲塊進行局部修改。

圖11 修改開卷落料模具鑲塊

寬度方向尺寸縮減25mm 后，拉延工序件如圖12 所示。

圖12 修改板料尺寸后的拉延工序件

試驗結(jié)果：

⑴從現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果看，前后兩側(cè)板料收料線都在拉延筋外側(cè)邊緣，零件表面和尺寸沒有惡化。

⑵該方案實施后，翻邊位置開裂的情況有一定比例減少，但是并未徹底消除。

⑶板料寬度方向尺寸總計減小了25mm，降低了該零件生產(chǎn)消耗定額0.448kg/車，降低了材料成本2.937 元/車。

板料性能改善

原理分析：增加材料本身的變形極限，從改善板料性能為著手點，提高安全裕度，解決翻邊開裂問題。

對于本案例來說，零件材質(zhì)為590YD+Z-60/60，是雙相高強鋼，這種材料剪切邊緣成形性能較差，而邊緣翻邊開裂問題的直接表征參數(shù)是材料的擴孔率。本案例的擴孔率提升原理是增加材料合金成分中Si(硅)元素含量，從板料性能上則表現(xiàn)在延伸率的增加和n 值(塑性硬化指數(shù))的提高。

表1 是鞍鋼為量產(chǎn)料提升擴孔率所作的試驗料和現(xiàn)生產(chǎn)材料的對比，從中可以明顯看出，試驗料中的n 值和延伸率較現(xiàn)有量產(chǎn)料有明顯提高，而化學(xué)成分中的Si 元素含量也明顯增加。

表1 590YD+Z-60/60 材料的力學(xué)性能測定

從微觀結(jié)構(gòu)看，Si 元素含量增加促進了相變組織轉(zhuǎn)變過程中鐵素體的比例增加及晶粒細化，從而顯著提升鋼板的塑性和成形性能；同時，由于Si 元素是主要的基體強化元素，通過固溶強化提高鐵素體基體強度，縮小了鐵素體與馬氏體之間的強度差，宏觀表現(xiàn)為材料變形時雙相之間的應(yīng)力集中變小，利于微裂紋擴展，延緩邊緣開裂出現(xiàn)的時間。

試驗方案：聯(lián)合鋼廠開發(fā)應(yīng)用同牌號的高擴孔率材料，提升材料成形變形極限，從而提高安全裕度。

整改過程：現(xiàn)生產(chǎn)板料的擴孔率測定計算值為25%；高擴孔率材料的擴孔率測定計算值達到56%。

試驗結(jié)果：

⑴高擴孔率材料拼焊性能合格，沖壓生產(chǎn)穩(wěn)定，焊裝全破壞試驗合格，沖壓單件全尺寸合格率為97%，與現(xiàn)生產(chǎn)一致；

⑵高擴孔率材料沖壓生產(chǎn)過程穩(wěn)定，生產(chǎn)切換后廢品率為0.1%，有效地解決了現(xiàn)生產(chǎn)中廢品率高的問題。

修邊刃口材質(zhì)優(yōu)化及表面處理

原理分析：實際生產(chǎn)中切邊斷面存在毛刺、撕料等質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致生產(chǎn)中翻邊開裂，此時通常伴隨修邊刃口崩刃等缺陷，維修措施是對刃口進行堆焊，以及打磨后研配間隙。通常刃口的堆焊不能超過三次，超過就需要重新制作。為了提高鑲塊使用壽命，減少刃口崩刃、磨損導(dǎo)致的生產(chǎn)廢品，本文考慮采用基體韌性更好的模具鋼制作修邊鑲塊，并對刃口進行鍍層處理以提高刃口硬度和耐磨性。

試驗方案：嘗試通過采用改良系合金鋼作為刃口鑲塊的材質(zhì)，減少刃口崩刃缺陷的頻次，并通過鍍層處理提高刃口硬度和耐磨性，減少刃口磨損，從而減少修邊斷面質(zhì)量缺陷的頻次，提高鑲塊使用壽命。

整改過程：刃口鍍層處理工藝開發(fā)已經(jīng)有相當高的成熟度，對于厚板、鋁板及沖頭刀具等刃口的鍍層處理工藝應(yīng)用越來越多。本文針對高硬度的合金鋼鑲塊選擇先做表面滲氮，后進行表面PVD 鍍層工藝。在韌性較好的基體表面做滲氮處理，目的是在基體與鍍層之間增加一個硬度的過渡區(qū)，減少“薄冰效應(yīng)”，防止表面鍍層與基體硬度差過大而產(chǎn)生鍍層塌陷損壞的問題。

將修邊鑲塊材質(zhì)更換為韌性更好的DC53 材質(zhì)，復(fù)制兩套鑲塊，其中一套進行正常的熱處理，滿足硬度要求的不做鍍層直接使用；另一套進行高淬高回的熱處理工藝，得到較好的基體韌性，再發(fā)運到鍍層廠家進行先滲氮再PVD 的鍍層處理，得到較高的表面耐磨性和硬度。處理后的修邊鑲塊見圖13。

圖13 處理后的修邊鑲塊

試驗結(jié)果：

⑴不鍍層處理的鑲塊正常使用，累計生產(chǎn)4.5 萬輛份。因為熱處理采用低溫回火工藝獲得刃口高硬度，其表面脆性仍未能得到明顯改善，生產(chǎn)中已出現(xiàn)局部刃口崩刃現(xiàn)象，與現(xiàn)生產(chǎn)使用鑲塊狀態(tài)基本一致。

⑵鍍層處理鑲塊正常使用，累計生產(chǎn)約10 萬輛份，鑲塊刃口狀態(tài)良好，未出現(xiàn)崩刃、拉毛等缺陷；因為鑲塊基體采用高溫回火的熱處理工藝，基體硬度稍低，韌性較好，有助于延緩刃口脆性導(dǎo)致的崩刃現(xiàn)象，同時PVD 鍍層處理提高了表面硬度和耐磨性，預(yù)計可大幅提高鑲塊使用壽命。

⑶復(fù)制新鑲塊能在初始使用時很好地解決切邊斷面質(zhì)量差的問題，但刃口鍍層處理后鑲塊使用壽命需進一步驗證。

實施效果及創(chuàng)新點

為高強度激光拼焊板前縱梁材料選擇提供了依據(jù)

雙相高強鋼剪切邊緣成形性能較差，針對性的開發(fā)應(yīng)用同材料牌號的高擴孔率板料，可以通過增加板料拉深變形的均勻性和板料成形安全裕度，進而解決縱梁生產(chǎn)開裂的問題，為今后這一類零件材料的選擇提供依據(jù)。

修邊鑲塊處理工藝

對合金鋼修邊鑲塊刃口采用DC53 材質(zhì)模具鋼代替SKD11 進行復(fù)制，研配后進行刃口表面滲氮＋PVD鍍層處理工藝，改善其整體脆性的同時提升表面耐磨性，為高強度板零件復(fù)雜修邊鑲塊表面處理提供標準依據(jù)。

減少生產(chǎn)廢品、降低生產(chǎn)成本

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)修邊廢料尺寸過大，在不影響成形的前提下，通過減小板料寬度方向尺寸25mm，降低拉延局部減薄率，同時降低了材料消耗定額0.448kg/輛份，在減少生產(chǎn)廢品的前提下實現(xiàn)了降低原材料成本。

結(jié)束語

本文從板料尺寸優(yōu)化改善關(guān)鍵區(qū)域減薄率，優(yōu)化材料性能提升擴孔率兩個方面作出改進，成功地解決了某車型左／右前縱梁生產(chǎn)廢品率高(2.4%)的問題。同時，通過修邊鑲塊改造及鍍層處理，有效地解決刃口磨損而崩刃頻繁、壽命短的問題，目前鍍層的鑲塊正在使用過程中，已連續(xù)沖程10 萬次，未發(fā)現(xiàn)崩刃、拉毛等缺陷。