汽车用薄钢板的激光拼焊

汽车用薄钢板的激光拼焊

陈广宇 张悦

鞍钢钢材加工配送（长春）有限公司天津分公司 天津市

300358

摘要：激光拼焊板是一种新型的复合材料，与传统车身制造工艺相比，激光拼焊板不仅可以减少制件数量，简化工装设备和制造工艺，有效提升生产效率及材料利用率，降低整车的制造成本和装配成本，而且提高了产品精度，大大降低了零部件的制造及装配公差。此外，激光拼焊板还可减少整车重量，进而大幅降低油耗，在实现轻量化的同时提升整车的抗腐蚀性能及抗冲撞性能。在现代车身设计、冲压成形分析、模具加工制造等领域得到了广泛的应用。基于此，本文对激光拼焊技术的应用进行了简要的探讨。

关键词：汽车；激光拼焊技术；车身制造

前言：在汽车轻量化连接技术中，焊接适应于钢、铝合金、镁合金等同种或异种材料之间的连接，尤其是激光拼焊、激光钎焊、点焊和摩擦焊等焊接技术在汽车领域的应用更广泛。

1、激光拼焊技术概述 激光拼焊技术是采用激光将相同或不同材质、板厚、强度及表面处理状态的板料拼焊成整体用于冲压成形件的加工工艺，具有减小结构自身质量、提高结构强度、减小噪声及降低生产成本等综合优势，从而能够在汽车轻量化中得到有效应用。双相钢具有高强度和良好成形性，在获得同等结构强度情况下比传统钢材更能减小车身自身质量，广泛用于车身面板和结构件制造。目前，国内外研究人员对双相钢激光拼焊的研究大多集中在DP590，DP780及DP980等双相钢的焊接性，研究了接头的宏观形貌及焊缝区和热影响区的微观组织；测试了接头显微硬度，并分析了接头软化机制；研究了接头拉伸失效机制和冲压成形失效机制；研究了激光功率、焊接速度、离焦量及保护气体等工艺参数对拼焊接头的微观组织和性能的影响，并对工艺参数进行了优化。国内外学者对同质等厚和异质等厚双相钢（强度级别在1000MPa及其以下）激光拼焊研究较多，对异质不等厚双相钢激光拼焊研究较少。

2、激光拼焊技术在汽车薄钢板中的应用 2.1蒂森克虏伯 TB（Tailoredblanks）—普通拼焊板。焊缝以线性拼焊为主，根据局部的需要充分利用材料的性能和厚度，使零部件的结构和防碰撞性能达到最佳化。这样，强化后的零部件可以明显减少零件数量和降低整备质量，用于侧板、车门、车轮拱门、侧梁、地板。TEB—蒂森工程拼焊板。焊缝主要为非线性焊缝，焊缝的形状可以自由变化，由更厚或更强材质构成的部分可以达到最佳化。这种非线性焊缝的TEB拼焊板的优点是它能在零件重量、强度、撞击性能以及材料的利用上达到最佳化。用于车门内板、冲击塔、后挡板。Hotform板用于新型的锰硼高强合金钢的热成型，具有减重和提高强度两种优势。首先将锰硼高强拼焊钢加热到880～950℃，可在其表面镀一层铝硅涂层防止起氧化皮，随后冲压成形并以超过30K/s的速度进行冷却，以获得硬质组织，强度通常超过1500MPa。该型拼焊板已用于A5双门轿跑车和新A4。用于起保护人体作用的部件，如B柱、侧梁等。 2.2安塞乐米塔尔 安赛乐米塔尔是全球惟一一家提供全系列热成形用钢产品的钢厂，汽车制造商使用热成形用钢产品，可以实现下列目标：极高强度（2000MPa抗拉强度）、激光拼焊板技术优化强度与延展性、复杂零件冲压后无回弹、优秀的抗腐蚀性。由于热成形工艺能够在相对合理的成本范围内，提升碰撞表现并降低整车质量，受到汽车行业的高度重视。全球汽车厂商已大量使用热成形工艺制造车辆结构零件，例如B柱、车顶结构、保险杠、加强件、门槛以及横梁等。新型Usibor®与Ductibor®钢种的应用。Usibor®2000能够通过激光拼焊板技术与Ductibor®1000结合制造一体成形零件。Usibor®2000是一种理想的抗侵入材料。Ductibor®1000相比Usibor®1500具备更高的延展性，因此可以应用于对延展性有更高要求的吸能零件，例如前后纵梁等。随着安赛乐米塔尔新一代热成形用钢产品的面世，汽车厂商能够获得进一步减轻车身质量的材料。同样，汽车厂商能够更方便地设计创造轻量化车型解决方案。在安赛乐米塔尔最新发布的中高级轿车与SUV车型S-inmotion®白车身轻量化解决方案中，可以在现有基础上实现高达26%的减重。 2.3 SUV全景天窗加强框 2.3.1坯料 激光拼焊板坯料利用4块(3种尺寸)钢板拼焊，尺寸分别为1260mm×180mm，400mm×1260mm和1260mm×260mm(×2)，拼焊后坯料质量约16.42kg，材料利用率为8.88kg/16.42kg=54%。2.2模拟分析考虑到激光拼焊对成形性的影响，需对激光拼焊板的成形性进行初步模拟分析，提前发现可能存在的成形风险，优化冲压工艺或零件结构，确保顺利出件。 2.3.2工艺规划 激光拼焊板整体式天窗加强框经仿真分析在成形性、减薄率、主应变以及次应变方面均满足要求。工艺设计可规划为OP10:拉延;OP20:修边、冲孔;OP30:修边、冲孔;OP40:翻边、整形。4序模具总吨位约42t。经计算分析，激光拼焊天窗加强框在车身强度、整车模态上有明显优势，同时，较传统非拼焊天窗，能够降低车身质量1.17kg，减少了整车的自重，并实现约28万元工装成本优化。使用激光拼焊板后，由原来的4个冲压件合成一个整体零件，模具工序数也由8副减少为4副，质量减少8t左右，降低了一次性投入的模具成本。同时，非拼焊天窗加强框每台车坯料成本约162.2元，激光拼焊整体式天窗加强框每台车坯料成本约为153.4元，每台车节约了8.8元成本。另外，节省了焊接的费用。整体式天窗加强框无需焊接，减少了由于零件搭接累积公差可能引起的碰撞异响或车身缝隙，进一步提高了整车的精致工艺。为后续汽车结构及制造工艺设计提供了一种参考方案，可以延伸到其他车身模块的设计。最终产品经小批量生产验证，实际产品结果与前期有限元分析的结果基本一致。实际产品与有限元分析均在废料区域拼焊缝出现较小范围的开裂，因废料区域属于后工序修切部分，不会存在于成品件，不影响产品质量与生产，可不做优化。

结语：总而言之，最新统计表明，最新型的钢制车身结构中，50%采用了拼焊板制造。激光拼焊技术在20世纪90年代末引入中国，一汽、上汽、长城、奇瑞、吉利等汽车公司在前纵梁、门内板和B柱加强板等都有应用。宝钢已有23条激光拼焊生产线，年产2200多万片板坯，占我国市场份额的70%以上，是世界第三、亚洲第一的激光拼焊板生产公司。鞍钢也在与蒂森克虏伯合作，在长春等地建立激光焊接加工生产线。因此，加强激光拼焊技术的应用极为关键。

参考文献：

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