拼焊板沖壓成型

1、拼焊板沖壓成型摘要：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。 本文介紹了激光拼焊板沖壓技術(shù)的發(fā)展歷史，以及該技術(shù)的特點應用，最后介紹了目前國內(nèi)外激光拼焊板沖壓技

2、術(shù)的發(fā)展狀況。關(guān)鍵詞：拼焊板、沖壓、成型一、 拼焊板沖壓的發(fā)展歷史拼焊板是20世紀60年代日本本田汽車公司利用邊角料做車身內(nèi)測版而采用的一項技術(shù)。20世紀70年代中期，美國福特公司采用激光焊接技術(shù)進行車身鋼板的拼焊，但是未商業(yè)化。20世紀80年代初，歐洲沃爾沃、奔馳、大眾等汽車廠首批使用激光焊接拼焊板制作卡車的前板、底板、加強柱等。奧迪是較早在汽車中應用拼焊板技術(shù)的公司之一。奧迪公司需要為他的一輛新型轎車制造一種沖壓件，而那時板材供應商不能提供足夠大的板材，故只能通過激光焊接將兩塊板料焊接在一起然后再去沖壓成型。當時的板料供應商開始認識到這種先進制造技術(shù)具有很大的發(fā)展前景，于是開始為其他的汽車

3、公司提供專用的拼焊板。20世紀80年代中期，隨著人們對環(huán)保、節(jié)省能源、提高駕駛速度和安全性能的要求以及千瓦級連續(xù)二氧化碳激光器的發(fā)現(xiàn)，為汽車拼焊板開辟了廣闊的天地。德國鋼鐵公司成為了歐洲較早大規(guī)模采用激光生產(chǎn)拼焊板的鋼鐵公司。該公司設計和建造的第一代拼焊板激光焊接生產(chǎn)線是光束移動、工件固定系統(tǒng)，并于20世紀80年代末開發(fā)了工件移動、光束不動的第二代拼焊板激光系統(tǒng)。20世紀90年代，美國鋼鐵協(xié)會和國際鋼鐵協(xié)會組織了一項由全球18個國家鋼鐵廠參與的超輕鋼新材料和設計制造技術(shù)等，激光拼焊板則是其中的一項主要課題，由保時捷工程公司負責車型設計生產(chǎn)第一輛樣車，在該樣車上共采用了16拼焊板沖壓件，與原來車

4、身相比，車身零件數(shù)量約減少了25%。目前，由拼焊板生產(chǎn)的汽車零件已被成功用于車身骨架件、外覆蓋件、內(nèi)覆蓋件。主要有位于車門兩側(cè)的立柱，車門內(nèi)板、縱梁、底板、輪罩、內(nèi)后擋板、橫梁緩沖器等。如圖所示：二、 拼焊板沖壓技術(shù)的優(yōu)點采用拼焊板的優(yōu)勢在于可將厚板或高強度板用于關(guān)鍵部位，以提高整塊板的局部強度。拼焊板的使用也可以使汽車結(jié)構(gòu)在不降低強度的情況下，減輕車身重量，降低材料損耗。因此，拼焊板應用于汽車制造業(yè)可以：3.1減少車身零件的數(shù)量由于拼焊板可以一次成型，減少大量沖壓加工的設備和工序，縮減了模具的安裝過程，簡化車身制造過程。3.2節(jié)省材料在材料方面，可以節(jié)省板材的使用大約25%40%，并可以利用

5、廢料，提高板材的使用率。3.3縮短設計與開發(fā)周期滿足汽車各部分對材質(zhì)、厚度以及性能的需求，將不同性能、涂層和厚度的版聊啊拼焊在一起，提高車身設計的靈活性，縮短了設計和開發(fā)周期。3.4為生產(chǎn)寬體車提供可能由于受軋機的限制不可能生產(chǎn)太寬的鋼板，而汽車隊寬板的要求日趨緊迫，采用拼焊板，不失為一種有效而經(jīng)濟的工藝方法。3.5根據(jù)車身不同部位強度的要求，合理使用一些輕質(zhì)復合材料，而不需要焊接加強筋，從而減輕車身的重量，例如采用拼焊板后，車身的側(cè)板重量減輕了10%，而車身的耐撞性能和剛性沒有降低。3.6提高車輛結(jié)構(gòu)的整體性能和安全性能，提高整體剛性，簡化車輛的整體結(jié)構(gòu)，提高零部件的裝配精度。3.7車身采用

6、拼焊板，在撞機的過程中可以吸收更多的能量，從而增強耐撞性能。三、 激光拼焊板沖壓的概念激光拼焊板技術(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四、 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

7、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五、 激光拼焊板的性能簡介由于與傳統(tǒng)工藝方法相比，激光拼焊技術(shù)具有顯著地優(yōu)勢，

8、汽車生產(chǎn)廠對激光拼焊板在沖壓過程中所表現(xiàn)的性能便更加關(guān)注。對激光拼焊板性能的研究目前在全球已經(jīng)成為熱點。激光拼焊板與母材相比，呈現(xiàn)出不同的性能特點。研究表明激光對焊接縫比母材具有更高的強度和硬度值。這是由于在小的焊接熔池中激光焊縫得到了快速冷卻。在大多數(shù)的激光焊接接頭中，熱影響區(qū)組織室友細晶，等軸晶組成。對于評價焊縫的防腐蝕性能，在循環(huán)潮濕和鹽霧環(huán)境中進行了加速腐蝕試驗，結(jié)果清楚的表明，激光焊接由于其他形式的焊接，金屬起到恰到保護的作用。只要受影響的區(qū)域不超過2mm，就不會觀察到所謂的紅色銹蝕，這一點在電阻焊中是不具有的。六、 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

9、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。 6.1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

10、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。 6.2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)設定料厚空開面?？臻_面向

11、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。 6.3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。圖4為中型車側(cè)圍內(nèi)板拼焊

12、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?？梢钥闯鲈摲桨傅娜秉c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6.

13、3.1焊縫位置的選擇 激光拼焊產(chǎn)品的設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

14、圖5所示的側(cè)圍為例，產(chǎn)品最初設計結(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。 圖7 基本滿足相關(guān)要求的焊縫位置6.3.2成本因素對焊縫位置的影響 圖8所示為東風某

15、車型側(cè)圍，初步設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（CA

16、E分析也印證了這一結(jié)果），需要對該區(qū)做相應設計更改。產(chǎn)品設計部門依據(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 類比設定的拼焊線圖11 優(yōu)化產(chǎn)品設計后滿足工藝及成本的CAE結(jié)果七、 國內(nèi)激光拼焊板的生產(chǎn)狀況上個世紀末在國內(nèi)，激光技術(shù)在汽車工業(yè)中的應用取得了進展，也有不少成功的經(jīng)驗，但是徐挺多研究還處于實驗室階段。1966年以前，國內(nèi)激光焊接拼焊板的實驗室研究和產(chǎn)業(yè)化研究與應用都處于空白狀態(tài)。我國對激光拼焊板生產(chǎn)的研究和應用，以寶鋼對此反應最積極。寶鋼從很早就開始對激光拼焊技術(shù)進行跟蹤研究。1999年寶鋼技術(shù)中心引進激光拼焊試驗裝置，對激光拼焊技術(shù)進行研究，已完成多家汽車廠部分零件的工藝研究，且進行了實沖試驗，達到實際車身零件對激光拼焊板的要求，由于對汽車生產(chǎn)廠家而言，激光拼焊板有很多優(yōu)勢，目前許多新的車型結(jié)構(gòu)件上都使用激光拼焊板，對激光拼焊板的要求正迅速增加。寶山鋼鐵公司與阿賽洛公司聯(lián)合投資成立了合資公司（上海寶鋼阿賽洛激光拼焊板有限公司）專門大規(guī)模生產(chǎn)激光拼焊板。該合資公司引進了先進的激光拼焊板生產(chǎn)線，專業(yè)生產(chǎn)激光拼焊板以滿足國內(nèi)汽車廠對激光拼焊板的需求。在不久的將來，中國汽車工業(yè)對于激光拼焊板的需求必將逐漸取代從國外進口而由國內(nèi)生產(chǎn)廠來滿足激光拼