拼焊板冲压成型

1、拼焊板冲压成型摘要：传统工艺中汽车车身零件有两种成形方法：分离成形和整体成形。分离成形方法是将大型零件分成小型单个件分别成形，然后焊接成部件，其优点是可以根据各部位的要求选择不同材质、不同厚度的材料；缺点是需要更多的工装模具和设备的投入，制造成本较高，同时焊接总成的配合精度和整车质量也有所下降。整体成形法是用整体板料直接成形大型零件。主要的优点是工装模具和设备的投入大大减少，制造成本相对较低，产品质量得到了提高；缺点是必须对零件所有部位采用相同材质和相同厚度的材料，难以很好的实现结构优化的需要。 本文介绍了激光拼焊板冲压技术的发展历史，以及该技术的特点应用，最后介绍了目前国内外激光拼焊板冲压技

2、术的发展状况。关键词：拼焊板、冲压、成型一、 拼焊板冲压的发展历史拼焊板是20世纪60年代日本本田汽车公司利用边角料做车身内测版而采用的一项技术。20世纪70年代中期，美国福特公司采用激光焊接技术进行车身钢板的拼焊，但是未商业化。20世纪80年代初，欧洲沃尔沃、奔驰、大众等汽车厂首批使用激光焊接拼焊板制作卡车的前板、底板、加强柱等。奥迪是较早在汽车中应用拼焊板技术的公司之一。奥迪公司需要为他的一辆新型轿车制造一种冲压件，而那时板材供应商不能提供足够大的板材，故只能通过激光焊接将两块板料焊接在一起然后再去冲压成型。当时的板料供应商开始认识到这种先进制造技术具有很大的发展前景，于是开始为其他的汽车

3、公司提供专用的拼焊板。20世纪80年代中期，随着人们对环保、节省能源、提高驾驶速度和安全性能的要求以及千瓦级连续二氧化碳激光器的发现，为汽车拼焊板开辟了广阔的天地。德国钢铁公司成为了欧洲较早大规模采用激光生产拼焊板的钢铁公司。该公司设计和建造的第一代拼焊板激光焊接生产线是光束移动、工件固定系统，并于20世纪80年代末开发了工件移动、光束不动的第二代拼焊板激光系统。20世纪90年代，美国钢铁协会和国际钢铁协会组织了一项由全球18个国家钢铁厂参与的超轻钢新材料和设计制造技术等，激光拼焊板则是其中的一项主要课题，由保时捷工程公司负责车型设计生产第一辆样车，在该样车上共采用了16拼焊板冲压件，与原来车

4、身相比，车身零件数量约减少了25%。目前，由拼焊板生产的汽车零件已被成功用于车身骨架件、外覆盖件、内覆盖件。主要有位于车门两侧的立柱，车门内板、纵梁、底板、轮罩、内后挡板、横梁缓冲器等。如图所示：二、 拼焊板冲压技术的优点采用拼焊板的优势在于可将厚板或高强度板用于关键部位，以提高整块板的局部强度。拼焊板的使用也可以使汽车结构在不降低强度的情况下，减轻车身重量，降低材料损耗。因此，拼焊板应用于汽车制造业可以：3.1减少车身零件的数量由于拼焊板可以一次成型，减少大量冲压加工的设备和工序，缩减了模具的安装过程，简化车身制造过程。3.2节省材料在材料方面，可以节省板材的使用大约25%40%，并可以利用

5、废料，提高板材的使用率。3.3缩短设计与开发周期满足汽车各部分对材质、厚度以及性能的需求，将不同性能、涂层和厚度的版聊啊拼焊在一起，提高车身设计的灵活性，缩短了设计和开发周期。3.4为生产宽体车提供可能由于受轧机的限制不可能生产太宽的钢板，而汽车队宽板的要求日趋紧迫，采用拼焊板，不失为一种有效而经济的工艺方法。3.5根据车身不同部位强度的要求，合理使用一些轻质复合材料，而不需要焊接加强筋，从而减轻车身的重量，例如采用拼焊板后，车身的侧板重量减轻了10%，而车身的耐撞性能和刚性没有降低。3.6提高车辆结构的整体性能和安全性能，提高整体刚性，简化车辆的整体结构，提高零部件的装配精度。3.7车身采用

6、拼焊板，在撞机的过程中可以吸收更多的能量，从而增强耐撞性能。三、 激光拼焊板冲压的概念激光拼焊板技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术，是通过高能量的激光将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板再冲压生产，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。拼焊板工艺的出现解决了由传统单一厚度材料所不能满足的超宽板及零件不同部位具有不同工艺性能要求的工艺问题。图1为分别成形、整体成形和激光拼焊成形生产轿车侧围外板的示意图。 图1 轿车侧围外板成形方法比较四、 激光拼焊板的优势 采用激光拼焊板有着巨大的优势，可以给汽车制造业带来显著的经济效益，主要体现在：使整车零件数量大大

7、减少，简化了点焊工艺，提高了车身尺寸精度减少了质量问题，材料厚度的可变性保证了对重要位置的强化等方面。 图2所示为东风中型车驾驶室整体顶盖采用激光拼焊板成功进行生产的实例，图3所示为东风重型车分离成形后焊接的顶盖总成示意图。拼焊整体冲压比分件冲压取得了明显的经济效益：模具投资由原先的490万元减少到360万元；减少了设备占用面积和操作人员数量；零件重量由于搭接面的减少而降低了0.55kg，材料利用率达到了相对最高的76.8%，材料消耗减少了5.33kg/辆。 图2 中型车一排半驾驶室整体顶盖图3 重型车标车前后顶总成五、 激光拼焊板的性能简介由于与传统工艺方法相比，激光拼焊技术具有显著地优势，

8、汽车生产厂对激光拼焊板在冲压过程中所表现的性能便更加关注。对激光拼焊板性能的研究目前在全球已经成为热点。激光拼焊板与母材相比，呈现出不同的性能特点。研究表明激光对焊接缝比母材具有更高的强度和硬度值。这是由于在小的焊接熔池中激光焊缝得到了快速冷却。在大多数的激光焊接接头中，热影响区组织室友细晶，等轴晶组成。对于评价焊缝的防腐蚀性能，在循环潮湿和盐雾环境中进行了加速腐蚀试验，结果清楚的表明，激光焊接由于其他形式的焊接，金属起到恰到保护的作用。只要受影响的区域不超过2mm，就不会观察到所谓的红色锈蚀，这一点在电阻焊中是不具有的。六、 激光拼焊板的冲压成形工艺性 拼焊板使用的技术问题，最主要的是由焊缝

9、区组织变化所造成的成形性能下降和焊缝移动等因素引起的工装制造难题。 6.1拼焊板的冲压成形性能 对拼焊板成形性能的研究表明： （1）激光焊接后的焊接接头部位强度比母材部分有一定程度的提高，厚度比率的变化对强度的影响没有材料等级比率变化影响大，不同等级材料的焊接接头强度主要取决于低强度等级的材料。 （2）焊接接头部位成形性能比母材有一定程度的降低，随拼焊厚度差异和强度差异的增加，成形性能降低。 （3）对于不等厚拼焊板，拉伸方向与焊缝方向相同时，拼焊板塑性变形能力明显降低，薄侧比例越小则降低越多。 （4）拼焊板的拉伸破坏方式一般有两种：一是当焊缝与拉伸方向一致时，由于焊缝的塑性比母材低，焊缝部位往

10、往被拉断；二是当焊缝与拉伸方向垂直时，薄侧母材容易产生过量减薄而拉裂。 此外，拼焊板在实际使用中不仅要关注其成形性能，还要考虑到其不同的料厚差异对后续工序的影响，如料厚差异较大或者性能差异较大的焊缝线应避免穿过小孔冲压位置（易导致小孔折弯或断裂）等。 6.2拼焊板的焊缝移动及其工艺对策 焊缝移动是拼焊板区别于普通整板生产的根本因素，也是产品设计及工艺分析是否成功的根本。根据拉延工艺理论和相关的实验论证可以得出以下结论：焊缝移动方向和移动距离主要取决于焊缝两侧材料强度比、焊缝位置以及拉伸压边力分布等。由于焊缝移动量只能减小而不能消除，这就需要在焊缝处不等厚模面侧一定范围内设定料厚空开面。空开面向

11、料薄一侧空开，压料面区域空开相应较大，凹模凸模对应处相应较小。 采用夹紧装置可以明显改善焊缝移动程度，使得焊缝移动量减少72.6%84.9%。实际的车身覆盖件设计中，也可以在产品结构可能的情况下，在靠近焊缝处设计合理的加强筋等结构，通过模具结构先成形焊缝部位从而控制焊缝的移动。 除采取必要的工艺措施控制和减少焊缝移动之外，还应该在焊缝移动区对模具结构采用合金镶块等措施控制型面的磨损和拉毛。 6.3焊缝移动的CAE分析 随着计算机技术的发展，已经能够应用CAE手段对拼焊板的焊缝移动规律进行更为准确的分析，这为产品设计提供了合理的依据，也为制造工艺的合理化打下了坚实的基础。图4为中型车侧围内板拼焊

12、生产的CAE分析结果，它清晰的反映了各部位的焊缝移动量及整体拉延状况等。 图4 拼焊板整体冲压CAE分析结果中型车侧围内板拼焊位置的确定及其对成本的影响 。图5为中型卡车驾驶室侧围示意图，分别由料厚0.75mm的侧围角板和料厚1.6mm的侧围内板组成，分界线为图示的弯延曲线。最初工艺为两个零件分别成形再焊接成整体。按该方案相应的冲压排样及材料利用效果如图6所示。可以看出该方案的缺点是材料利用率极低，分别为36.2%和43.9%，同时零件生产工艺性也较差。考虑到两件的装配关系，初步判断如采用拼焊方式生产将有效改善产品工艺性和降低成本。 图5 中型卡车驾驶室侧围图6 分件生产排样及材料利用效果6.

13、3.1焊缝位置的选择 激光拼焊产品的设计意图能否通过工艺得到最好的实现，其关键的环节就在于拼焊焊缝的位置选择是否成功。焊缝位置的设定不仅要考虑产品功能和结构的需要，还要从冲压工艺性的要求、成本的要求等方面综合考虑，三者有机结合才会得到最优的设计结构和整车质量。依据拉延理论和拼焊成形技术的研究成果等要求，可以得到以下选择焊缝位置的基本原则：1焊缝的选择首先要满足产品结构和功能的要求。 2. 焊缝为直线，且最好保证在完成工艺排样后为方形板料拼焊。 3. 焊缝应避免穿越产生拉延效果很大的区域，特别要防止焊缝平行穿越成形R区域。 4. 由于不同料厚的冲裁间隙差异，要尽可能避免焊缝穿越小孔冲裁位置。 以

14、图5所示的侧围为例，产品最初设计结构为弯曲的折线。以该曲线为焊缝是拼焊技术目前所不能满足的，同时该曲线在图示A/B部位会由于拉延时焊缝的移动造成小孔处可能出现0.75mm、1.6mm两种料厚，这容易导致小孔冲头的弯曲或折断，因而需要重新选择焊缝位置。 按照焊缝设定原则（1）和（2）的要求首选的焊缝位置如图5红粗线所示。该焊缝的主要缺点在于拉延时焊缝向厚料移动仍会使A孔出现不同料厚，同时由于A处凸包起伏形状较大，可能出现拉延开裂。结合图5中A、C两孔的位置关系将拼焊线调整至图7所示位置，基本满足了相关各项要求。 图7 基本满足相关要求的焊缝位置6.3.2成本因素对焊缝位置的影响 图8所示为东风某

15、车型侧围，初步设计阶段的拼焊线如红线所示。针对该方案的CAE分析结果为焊缝沿线严重开裂（图9）。其主要原因在于图示A处靠近R角，变形剧烈。 图8 某车型侧围及其拼焊线图9 初定焊缝位置CAE结果考虑该件的造型特点，完全满足工艺性的焊缝线如图8蓝线所示，CAE效果良好。对比图8的两条焊缝线可以看出，完全满足工艺性的方案1.6mm厚料区明显加大，因而零件重量加大、材料消耗也明显增加，所以该方案也不是最佳的结果。 能否类比图7的方式按图10设定拼焊线呢？若按照该方案实施，将最大限度符合产品要求并大大减少厚料区域，从而降低产品成本。 工艺分析图10方案最大的风险是台阶和斜面区域可能出现焊缝区开裂（CA

16、E分析也印证了这一结果），需要对该区做相应设计更改。产品设计部门依据分析对相应区域做了斜面变缓和过渡处理，图11所示为经过产品优化后满足产品、工艺、成本诸因素的CAE分析结果。 图10 类比设定的拼焊线图11 优化产品设计后满足工艺及成本的CAE结果七、 国内激光拼焊板的生产状况上个世纪末在国内，激光技术在汽车工业中的应用取得了进展，也有不少成功的经验，但是徐挺多研究还处于实验室阶段。1966年以前，国内激光焊接拼焊板的实验室研究和产业化研究与应用都处于空白状态。我国对激光拼焊板生产的研究和应用，以宝钢对此反应最积极。宝钢从很早就开始对激光拼焊技术进行跟踪研究。1999年宝钢技术中心引进激光拼焊试验装置，对激光拼焊技术进行研究，已完成多家汽车厂部分零件的工艺研究，且进行了实冲试验，达到实际车身零件对激光拼焊板的要求，由于对汽车生产厂家而言，激光拼焊板有很多优势，目前许多新的车型结构件上都使用激光拼焊板，对激光拼焊板的要求正迅速增加。宝山钢铁公司与阿赛洛公司联合投资成立了合资公司（上海宝钢阿赛洛激光拼焊板有限公司）专门大规模生产激光拼焊板。该合资公司引进了先进的激光拼焊板生产线，专业生产激光拼焊板以满足国内汽车厂对激光拼焊板的需求。在不久的将来，中国汽车工业对于激光拼焊板的需求必将逐渐取代从国外进口而由国内生产厂来满足激光拼