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激光拼焊板的应用技术难点及模具开发

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发布时间：

2021-04-16

汽车车身零件有两种成形方法：分离成形和整体成形。

分离成形方法是利用不同的压机分别成形单个零件，然后将各个零件焊接起来组成目标部件。这种方法虽然提高了材料选择的灵活性，但同时也增加了冲压和加工成本、装配成本以及形状配合问题，并且由于点焊时材料的重叠增加了车身的重量。

整体成形方法则是在一台压机上将一块整体板同时成形几个零件。从车身结构设计的观点来看，每个车身零件具有不同的厚度和抗腐蚀性能要求，如果是单一板成形，必须对所有零部件的材料采用相同的等级、镀层类型和材料厚度，导致对某些零件的选材裕度过大，从而增加了车身的重量，提高了成本，并且还会增大成形难度。

为了降低车身重量、提高车身的装配精度、增加车身的刚度、降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目同时将其整体化是非常必要的。因而，一种同时克服传统分离成形方法和整体成形方法的缺点的生产形式——拼焊板冲压成形发展起来了。

激光拼焊板技术的优势

利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势，根据国外学者的研究，其优点多达37条。ULSAB（Ultra-Light Steel Auto Body）项目于1998年生产出样车，在这一超轻型车上运用的拼焊板零部件数量达到16件，约占车身重量的45%，由于通过采用拼焊板技术，使车身零件数量约减少25%，抗扭刚度提高了65%，振动特性改善35%，并且增强了弯曲刚度。

激光拼焊板的优点主要体现在以下几方面：

a. 零件数量的减少，以及随之而来的生产设备和制造工艺简化，大大提高了生产效率，降低整车制造及装配成本。

b. 由于产品的不同零件在成形前即通过激光连续焊接工艺焊接在一起，因而提高了产品的精度，大大降低了零部件的制造及装配公差。

c. 通过部件的优化减轻了重量，从而降低油耗，处于环保时代，这一点非常重要。d. 由于不再需要加强板，也没有搭接接缝，大大提高了装配件的抗腐蚀性能；通过消除搭接提高部件的耐腐蚀能力，大大减少了密封措施的使用。

e. 通过对材料厚度以及质量的严格筛选，在材料强度和抗冲击性方面给零部件带来本质的飞跃，同时优化了结构，在撞击过程中，可以控制更多的能量得到吸收，从而改良车身部件的抗击冲撞能力，提高车身的被动安全性。

f. 材料厚度的可变性以及其可靠的质量，保证了在对某些重要位置的强化改进可以顺利进行；实现对材料性能的最充分的利用，达到最合理的材料性能组合；对产品的设计者而言增加了产品设计的灵活性。

g. 通过在结构件的特定部位有选择性的使用高强、厚材料从而使材料的利用率大大提高。通过在落料工序中采用排料技术，将各种各样的钢板得到合理组合从而大大降低材料工程废料率。

h. 通过使用激光拼焊技术，由于将材料的强度、厚度得到合理组合，使结构的刚度得到大大改善，优化整车的振动特性，这将带来汽车振动和噪声的降低，提高整车的舒适性。

i. 为生产宽体车提供可能。由于受钢厂轧机宽度的限制，钢厂提供的板宽是有一定限度的，而随着汽车工业的发展，汽车对宽板的需求却日趋紧迫，采用激光拼焊不失为一种有效而经济的工艺方法。

激光拼焊板技术的应用

激光拼焊板技术是先将不同或相同厚度、强度、材质的冷轧钢板，切成合适的尺寸和形状，然后激光焊接成一个理想的整体，即激光拼焊板。激光焊接具有效率高、能量传递方便、焊后接头变性、变形少、表面光洁等显著优点，可大量应用于汽车零部件中（如图1所示）。

图1 激光拼焊板在汽车上的应用

01 激光拼焊汽车门内板

传统的门内板设计，需要在其前部安装车门铰链的地方，另外设计一块加强板，以保下有足够的强度支撑车门总成。加强板经过落料、冲压、分总成焊接，再与门内板装配成一体。

而新设计的激光拼焊门内板则是在结构分析的基础上，将板厚或强度不同的钢板直接焊接在一起，利用零件各部位的不同材料特性，使零件的强度、质量与单一板相比，达到最优化。

这样的设计方案在安装车门铰链子地方直接采用厚度大、强度高的板材，省去传统的加强工艺，从而减少了生产步骤，简化了生产流程，也提高了侧面抗冲击性能，刚性增强约40%，使得汽车行驶的内部噪音能进一步降低。

由于零件整体冲压，优化了边脚落料，材料利用率也有明显提高，综合效益非常可观。如图2所示，传统工艺下的废料是0.886 kg，而采用激光拼焊板的废料是0.138 kg；如果每个件减少0.726 kg，则整车可减少1.45 kg。

至于加强部分传统上是2+0.8 mm，采用激光拼焊板就可以用1.8+0.8 mm来代替，就可以达到同样的强度效果，每个件可减少2.15 kg，则整车可减少4.3 kg。由此可以看出，激光拼焊板即减轻了重量又降低了生产成本。

02 激光拼焊汽车立柱

为了保证功能的需要，立柱必须有一定的刚性和缓冲性能，在侧向冲击时保证人身安全。如果采用传统的冲压成形方法就需要另外设计加强筋，而采用拼焊技术，可先将两块不同厚度的钢板拼焊成一块整板，然后冲压成型，如图3（a）所示；这样可以达到提高侧面碰撞性能、取消加强筋减轻车重、装配公差改善、生产工艺简化、降低成本的目的。

在激光拼焊工程中，可以调整焊缝的位置来满足成型需要，强度和硬度可以抵抗侧向的冲撞，更好地控制弯曲，通过减少中间环节可以节省14%的材料。

03 激光拼焊汽车前纵梁

为了保证功能的需要，前纵梁必须有一定的刚性和吸收能量的作用，并且需要一定的强度，保证在迎面冲击时薄钢板先吸收一定的能量，并且可以缓冲一下，厚的钢板可以抵抗剩余力量的冲击，不变形或少量变形而保证人身安全。

图2 激光拼焊板在汽车门内板的应用示意图

图3 激光拼焊板在汽车立柱（a）、前纵梁（b）、车轮罩（c）、地板（d）上的应用

采用传统的冲压成形方法就需要另外设计加强板，而采用拼焊技术，可先将三块不同厚度的钢板拼焊成一块整板，然后冲压成型，如图3（b）所示；这样可以达到提高接头处的防震性能、减少独立组件、减轻车重、生产工艺简化、降低成本的目的。

04 激光拼焊汽车车轮罩

如图3（c）所示，拼焊板在轮罩上的应用因为内置吸震结构同样使得重量和部件数目减少，消除点焊搭接、点焊材料和点焊工艺带来实实在在的成本降低；同时取消了密封材料，节省了人力。

05 激光拼焊汽车地板

如图3（d）所示，为提高碰撞性能和组件的稳定性，激光拼焊板技术在汽车地板上也开始应用，同时还可以达到取消搭接接头、取消密封材料、减轻车重、更有利于回收的目的。此外，激光拼焊板已广泛应用在汽车车身的行李箱加强板、行李箱内板、减震器支座、保险杠、车顶、车架、仪表台横梁等。

激光拼焊板技术的技术应用难点

拼焊板也给冲压成形工艺带来了一些难度。板厚不同或材质不同引起坯料发生不均匀变形，如焊缝发生不均匀移动或扭曲，起皱条件改变，材料弯曲不均匀，零件减薄趋势增加，焊缝处成形极限降低，冲头磨损，压边圈需要改型，压边力需要控制等等。板材的面积增大，所需的模具表面积也会成倍增加，模具的设计制造及对设备的要求也相应提高。只有解决了这些问题才有可能广泛推广拼焊板的应用。

01 冲压工艺的设计

由于激光拼焊板是由不同或相同厚度、强度、材质的钢板拼焊而成的毛坯件，所以在冲压工艺上要考虑其材质、强度、厚度的不同而进行改进。尤其是在焊缝附近，由于激光焊缝部位的硬化，其强度得到提高，给冲压过程也带来了一定的挑战。

由于激光拼焊板大多数是用深冲钢和双相钢拼焊而成的，其中的高强钢板在冲压成形中一样会发生常规的弯曲回弹和扭曲变形问题，这同样也是冲压工艺控制的难点。

已有研究表明固定压边间隙方式较恒定压边力作用方式有利于板料的冲压成形、减小焊缝的移动和改善模具的受力；固定压边间隙法是拼焊板冲压成形中一种有效的压边方法。激光拼焊板在冲压过程中，起皱一般容易发生在薄侧材料。

对激光拼焊板的拉伸试验［7］表明薄侧变形量大，减薄严重，容易导致破裂；压边力过小时薄板侧起皱，压边力过大时薄侧破裂；工件底部焊缝向厚侧母材有较小移动，侧壁及法兰处焊缝向薄侧母材有较大移动，而且越靠近边缘移动越大。

可采取优化的冲压工艺，如不同的优化冲压方向和工艺补充等等来改善薄侧材料最大增厚率、板料最大拉应力、危险点的应变等等。

只有遵循冲压变形的基本规律，才能正确设计毛坯及半成品的形状与尺寸及模具结构参数，提高冲压工艺流程的合理性；制定合理的冲压工艺流程可以充分发挥材料的变形能力，提高成形极限。

02 模具的开发

激光拼焊板在冲压过程中焊缝的流动和材料的流动是容易发生的，这就需要在模具设计时考虑焊缝可能的流动现象，从而使其设计结构合理。

焊缝的移动、薄侧起皱和过量减薄可以通过修改工装模具进行控制，例如采用台阶式模具、采用分瓣式压边圈、采用多缸进行局部压边和拉延筋法都可以达到一定效果。