用高强度特制焊接实现轻量化.doc

用高强度特制焊接实现轻量化1 前言近年来从地球环境保护的的角度出发，为了减少CO2排放量的各种法规在不断地强化，在提高燃烧效率的同时，通过车辆的轻量化来实现减少油耗和排放，这已经成为了各个汽车厂家的最优先课题。另外，为了提供能够符合用户安全意识高涨要求的产品，就必须更进一步地提高冲撞的安全性。同时，整体方式和箱式方式这样个性的造型设计以及舒适性也是提高商品竞争力中所必不可少的因素。为了实现这一目的，如果只是采用原来的那些技术的话，那就不可避免地会大幅度地增加车辆的重量，那么也就会随着重量的增加而造成行驶性能和燃油经济性的下降，对用户来说，这不仅仅只是带来了经济上的损失，而且，还会失去行驶转弯停止这些作为车辆的基本魅力。为了高档次地提高轻量化、冲撞安全性、商品造型设计、舒适性的综合平衡，对车辆轻量化技术的开发要求也就变得更高了。作为其回应之一的就是根据ULSAB-AVC（Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept）（1）-（3）所代表的特制焊接（Tailor Welded Blanks，以下称之为TWB）以及高强度钢板应用范围扩大的合理化设计。在铃木公司是以轻量化、冲撞安全性、合理化设计来降低成本作为目的，来推进TWB的运用，在本文中，就以高强度与TWB的组合来实现轻量化的事例进行介绍。2 特制焊接材料的采用图1表示的是在铃木公司TWB的采用情况。从2001年上市的爱力欧（车名音译）就开始在前、后门内板运用了软钢板-软钢板TWB。在此之后，MR客货两用车上，除了在车门内板采用了软钢板-软钢板TWB之外，在侧门框内面也采用了高强度-软钢板的TWB，拉潘（车名音译）的前柱加强上采用了高强度-高强度TWB，推进了运用与高强度组合的WTB部件的扩大使用。并且，在使用了新开发平台的客货两用车R以及阿鲁特（车名音译）上，以中柱加强的超高强度-高强度TWB为代表，运用到了7个部件上。并且进一步扩大使用到了西福特、爱斯库特、爱普里（车名音译）客货两用车上，运用了TWB的部件，总共达到了10个部件。图1 铃木采用TWB的状况有关TWB在公司内的制造，增加了3kW的YAG激光设备，为了随着TWB部件的使用增加来提高生产性，再进一步地引进了4.5kW的YAG激光设备，实现了焊接速度的高速化和降低了不良发生率的目的。3 特制焊接材料特性TWB由于是将板厚、材质不同的钢板焊接之后的材料，冲压成形，来作为汽车车身部件来使用的，因此，焊接部分的质量就是十分重要的。特别是在以轻量化为目的的情况下，由于高强度TWB的情况很多，因此，对以下项目进行了基础材料特性的调查，对TWB的焊接质量和适用范围进行了明确地规定。 板的组合：板厚、母材强度、有无镀层 焊接方法：激光（YAG、CO2），等离子 焊接质量：焊接瞄准位置、间隔余量、焊接部位板厚减少率 强度：静态抗拉强度、疲劳强度、断面硬度分布 冲压成形性：附着力试验（圆头突出）4 成形模拟的灵活运用在TWB的冲压当中，由于在一张材料中由于强度差和板厚差所造成的材料强度的各向异性和焊缝的存在，它将会成为材料流入量的差，形成对焊缝附近应力集中等原因，使得冲压成形性降低。因此，运用成形模拟，对以下的项目进行事先的研究是十分重要的。焊缝附近的破裂、褶皱焊缝的移动回弹解析在事先都要对这些情况进行研究，来决定TWB的钢板组合和分割、焊接位置，采取对产品形状的反馈、形状冻结的对策，以此来缩短开发周期。5 运用特制焊接来实现轻量化在新型阿鲁特（车名音译）上，轻量冲击吸收车身TECT得到了进化，以高层次地提高轻量化和安全性的平衡为目的，积极地、灵活地运用高强度+TWB。图2上表示的是在新型阿鲁特（车名音译）上采用TWB的部位，中间柱加强上为980MPa材料、前柱加强、侧门框内板上为590MPa材料、主底板为440MPa材料、车门内板为270MPa材料等，在7个部件上采用了TWB。图2 新型阿鲁特的TWB的应用5.1 在主底板上的应用在主底板上，如图3所示，在中央通道部分为440MPa材料（t1.2）、左右为270MPa材料（t0.7）的TWB。通过在通道部分采用440MPa材料（t1.2）的高强度，与原来构造相比，废除了3个辅助加强部件，实现了14%的轻量化。在主底板TWB量产之际所发生的问题点列举在图4中。由于在中间通道上采用了厚高强度，产生了以下的问题。(1)由于回弹造成的尺寸精度不良(2)焊缝附近薄板一侧出现褶皱(3)在冲压时，在焊缝部位出现断裂关于尺寸精度不良的问题，根据模拟结果来看，预测为是由于回弹，通道部位的纵壁张开而造成的。因此，通过在模具的纵壁上，预计出来回弹部分的量，加入1mm，就可以提高尺寸精度。图3 主底板TWB图4 主底板问题点关于褶皱的原因，如图5模拟结果所示的那样，那是因为，通道端面形状变化较大的部位，材料流入平衡失控而产生的材料剩余，因此采用了增加去褶皱缝的对策。在焊缝部位发生断裂的原因是因为由于坯料尺寸的误差所造成的因冲压时的压褶皱所产生的张力平衡不良，对焊缝施加了剪切力所造成的。根据坯料尺寸，调整了模具。图5 主底板成形解析另外，针对TWB焊接不良所产生的断裂问题，重新修正了TWB焊缝自动检查装置合格与否的判定标准和引进冲压后的板材断裂检查设备。5.2 在中心柱加强上的应用图6表示的是超高强度TWB的应用事例，它是在客货两用车R上中间柱加强的构造。它是将从原来440MPa材料在中间部分重合的构造，根据TWB，使超高强度980MPa材料（t1.4）和440MPa材料（t1.4）整体化了的构造，此时的轻量化效果为12%。图6中间柱加强TWB在对中间柱加强运用超高强度之际，存在以下课题。由于TWB焊缝附近HAZ软化而造成机械特性的降低。在各个部件厂家，由于TWB焊接方法的不同，如YAG激光、CO2激光、等离子等焊接方法的不同，对冲压成形性所带来的影响。针对这些课题，用440-980、590-980的组合，进行了根据YAG激光以及等离子TWB试验样件的抗拉强度、疲劳强度试验。图7表示的是静态的抗拉强度试验结果。无论是任何的组合，断裂都不是在HAZ部分，而是在低强度一方的母材上，在抗拉强度上没有发生差异。图7 超高强度TWB静态抗拉试验图8表示的是脉动抗拉强度试验结果。激光焊接和等离子焊接的疲劳强度相同，即使使用到车身部件中，也是具有充分耐久性。根据以上情况，经过确认即使是等离子焊接，对由于HAZ软化造成的机械特性的影响也是很小的。关于冲压成形性，根据用YAG激光以及等离子TWB样件的附着力试验进行了评价。图9表示的是590-980的组合试验结果。附着值与激光焊接相比，等离子焊接降低了约10%，但是，无论是任何焊接方法，断裂都是发生在590MPa母材一方，没有从980MPa一方发生断裂的情况。因此，在超高强度当中，如果是到980-590组合为止的话，可以确认为因为焊接方法的不同而对冲压成形的影响是很小的。根据进行了以上的事前确认，明确了超高强度TWB的应用范围，实际证明了在中间柱加强上运用超高强度TWB是没有问题的。图8 超高强度TWB疲劳试验图9 激光以及等离子TWB的附着试验在中间柱加强量产当中，将TWB焊接线设定在弯曲成形成为主体的位置，以此，将由于焊接所造成的影响控制在最小限度，来实现超高强度TWB的应用。5.3 在前柱内板的应用焊接长度超过1m那样的部件，焊接速度为510m/min的高速激光焊接，生产性很高。但是，焊接长度为150mm左右的较短部件，即使是焊接速度为0.61m/min的速度较慢的等离子焊接在成本上具有充分的优势。在新型的爱普利车，在根据高强度TWB的基础材料特性调查结果的基础上，在前柱内板上运用了用等离子焊接TWB。如图10所示那样，由原来的2个部件，改变为以由削减部件个数和高强度化来进一步地提高安全性为目标，采用了590MPa材料的t1.6和t1.0的组合