激光拼焊板類門內(nèi)板沖壓開裂淺析

■ 馬列，裴旭

1. 激光拼焊板類門內(nèi)板沖壓開裂成因分析

（1）激光拼焊板介紹 激光拼焊板技術(shù)是利用激光能源將不同材質(zhì)、板厚、鍍層的板材拼合并焊接而形成一塊整體板材的技術(shù)。拼焊板技術(shù)的出現(xiàn)解決了超寬板及不同部位不同工藝性能要求的問題，對減輕車身重量、降低整車成本、節(jié)能環(huán)保等都有著重要的作用。目前主要應(yīng)用在側(cè)圍、門、縱梁、底板等車身部品上。國內(nèi)主機廠內(nèi)做的激光拼焊件基本都由板材廠家提供板材，激光拼焊廠進行拼焊后送到主機廠進行沖壓加工取得。日系整車企業(yè)的門內(nèi)板90%以上使用的是激光拼焊板。

（2）使用激光拼焊的門內(nèi)板開裂情況 在使用激光拼焊板制作門內(nèi)板時，經(jīng)常在調(diào)試階段零件無開裂情況，但在量產(chǎn)一段時間后頻繁出現(xiàn)拼焊部位開裂的情況。此開裂（見圖1）一般出現(xiàn)在拼焊線靠近薄板側(cè)2～3mm的區(qū)域，對材料及拼焊加工過程進行調(diào)查都沒有發(fā)現(xiàn)問題。但實際加工時開裂現(xiàn)象時有發(fā)生，對比開裂材和良材的性能數(shù)據(jù)（見表1）也沒有存在差異較大的地方。

（3）開裂情況分析 零件在沖壓加工過程中出現(xiàn)了缺陷，一般查找方向為模具、材料（板材及拼焊）、自動化、設(shè)備等四個方面。

通過列舉已知的現(xiàn)象進行分析：①此開裂情況在很多車型中都有發(fā)生，且在開裂前都經(jīng)過了一段穩(wěn)定的量產(chǎn)加工，所以判定和模具無關(guān)聯(lián)。②此開裂發(fā)生后，材料進行過短期切換其他廠家加工，沒有大的變化，所以和材料廠家的個別加工方式無關(guān)聯(lián)。③此開裂發(fā)生后，拼焊也進行過短期切換其他廠家加工，沒有大的變化，所以和拼焊廠家的個別加工方式無關(guān)聯(lián)。④此開裂發(fā)生后，手工搬件也出現(xiàn)開裂，所以和自動化無關(guān)聯(lián)。⑤此開裂發(fā)生期間，其余部品加工正常，所以和加工設(shè)備無關(guān)聯(lián)。⑥此開裂都發(fā)生在拉深工序，整形工序沒有類似情況發(fā)生。⑦后工序拼焊線開裂位置在拼焊線上，拉深工序的開裂在熱影響區(qū)以外。

圖 1

通過以上情況分析，和加工相關(guān)的模具、材料、拼焊、自動化、設(shè)備都被排除了。那么到底是什么原因造成了拼焊板的開裂呢？

請大家注意條件⑥和⑦，為什么同樣的拼焊線存在這兩點差異，在車型前期的調(diào)試中，影響口的拼焊線翻邊開裂也基本是每個車型都會發(fā)生的問題，但此問題在前期調(diào)整好后，后期一般都不會再發(fā)。也就是說我們有理由懷疑拼焊板的開裂和拉深成形的工藝有關(guān)系，是拼焊板進行拉深成形的工藝性問題。

2. 理論分析與解決方案

（1）成形理論分析 模具的穩(wěn)定性是非常高的，拉深模具在調(diào)整好穩(wěn)定生產(chǎn)一段時間后，零件出現(xiàn)批量性異常的情況比較少。但拼焊板因為特殊的物理性質(zhì)導致了拉深加工的不穩(wěn)定。

大家都知道拉延模區(qū)別于成形模的主要特點是成形時有壓料，首先壓邊圈和凹模壓緊材料后，凸凹模進行材料成形。普通材料在成形過程隨著閉合高度的降低，拉深力逐漸增大，材料內(nèi)部應(yīng)力σ也隨之變大，應(yīng)變ε會由彈性變形進入屈服塑性變形至均勻塑性變形個別甚至會出現(xiàn)頸縮（暗裂）及開裂。（如圖2及圖4所示）。

下面我們詳細看下拼焊板拼焊線附近的應(yīng)力應(yīng)變情況。如圖3所示，質(zhì)點A、B、C均遵循單拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，但因為具有不同的楊氏模量，薄板區(qū)厚板區(qū)拼焊區(qū)進入各應(yīng)變階段的是不同的，薄板區(qū)的楊氏模量最小，所以薄板區(qū)會最先產(chǎn)生開裂。

（2）材質(zhì)理論分析 造成開裂的主要原因是拼焊線部位的材質(zhì)及工藝情況。我們知道材料分為脆性材料和塑性材料。脆性材料為斷裂時伸長率較小的材料，如建筑材料中磚瓦、玻璃、金屬材料中鑄鐵等，拼焊板焊縫屬于脆性材料。塑性材料為斷裂時伸長率及斷面收縮率均較大的材料，一般低碳鋼屬于塑性材料，車身冷沖壓零件的材料都是塑性材料。

在拉深成形過程中塑性材料產(chǎn)生塑性變形有一定延展伸長，脆性材料則基本無延展伸長。焊縫附近材料的物理特性為脆性材料和塑性材料相接，因拼焊線部材料為脆性材料基本無伸長，且其存在一定程度上阻斷了厚板材料的延展。使得拉深成形過程中焊縫外側(cè)薄板區(qū)域的材料受到應(yīng)力伸長時，在焊縫側(cè)會產(chǎn)生明顯的延展阻斷，無法獲得原本應(yīng)該來自焊縫側(cè)材質(zhì)的延展補充，從而造成了開裂發(fā)生，這是在車型調(diào)試階段拼焊線部容易產(chǎn)生開裂的原因。

表 1

圖 2

當車型進入量產(chǎn)階段后，以新車型調(diào)試階段的板件為基準進行比較。假想量產(chǎn)材料厚板的E值增加，薄板的E值減小的情況，因受力不變，應(yīng)變ε在厚板側(cè)減小，在薄板側(cè)增加，即成形過程中厚板側(cè)材料延展量減小，薄板側(cè)延展量增加，這會使薄板側(cè)材料伸長量大幅增加，而單板材的材料伸長是整體板材均勻變化的，這就造成了拼焊線部薄板側(cè)的材料容易產(chǎn)生開裂。

（3）拼焊線開裂解決 鑒于此開裂問題為激光拼焊板材的工藝方式造成，加工部門通過常用的驗證方法來解決此問題很困難，因為在解析的過程中無法找到不良的方面，模具、材料、設(shè)備、自動化都符合各自的合格標準，但偏偏產(chǎn)生了不良品。

從材料角度可以通過控制薄板側(cè)材料的材料性能來減少開裂的發(fā)生。材料的YP值（屈服強度）及EL值（伸長率）盡量選高值，這樣材料不容易出現(xiàn)開暗裂，如表2所示。但因廠家生產(chǎn)此鋼板的基板性能的不變，只能通過鍍鋅的過程進行1%～2%的調(diào)整。如果要求廠家材料伸長率和屈服強度一定要達到某數(shù)值以上，會很大降低廠家材料的成品率，即廠家會有很多生產(chǎn)出來的鋼板因性能不達標被轉(zhuǎn)用，造成成本上升和材料浪費。

圖 3

圖4 單拉伸應(yīng)力應(yīng)變

圖5 拼焊部平面

圖6 拼焊部斷面

圖7 測量部位

我們先分析下基本公式ε（應(yīng)變）=F（應(yīng)力）/E（楊氏模量），E值為材料固有屬性，F(xiàn)值主要和產(chǎn)品及模具有關(guān)。要盡量減小ε值，在E值不變的情況下，需盡量減小F值，F(xiàn)值的減小在模具調(diào)試階段有很多辦法，如減小氣墊壓力、增大拉深筋圓角、提高模具表面粗糙度、增大材料流入的R角等辦法。但為了避免零件臺階面的起皺及側(cè)壁的回彈，需要較大F值，這就和拼焊線的開裂問題產(chǎn)生了矛盾。所以一般門內(nèi)板的氣墊壓力都較高，整體F值較大。通常容易產(chǎn)生拼焊線開裂的部位是影響孔附近的平面部位（見圖5）。我們希望在不變更氣墊壓力及整體F值的情況下，減小危險區(qū)的局部F值。通常采用的方法是將影響局部材料流動的R角進行拋光處理，盡量減小此處的摩擦力，使危險區(qū)域周邊的材料能夠盡快補充進去，減小拼焊線附近薄板材料受到的F值。

（4）拼焊線開裂問題的早期預(yù)防及量產(chǎn)對應(yīng) 那么如何判定拼焊線附近是否存在開裂風險呢？一種方法是進行板料網(wǎng)格試驗（見圖7、圖8及表3），東風本田內(nèi)部正常是進行10%加壓測試，普通部位為減薄率不大于25%即通過，拼焊線部位需達到減薄率小于15%才可以；另一種方法為極限加壓測試，測試拼焊線部出現(xiàn)暗裂的極限加壓值，在加壓15%沒有暗裂即通過（普通部位為10%）。由此兩種方式可知，拼焊線部開暗裂標準要大于普通部位，這是由拼焊線部特殊的工藝決定的。如果在量產(chǎn)中出現(xiàn)了批量拼焊線開裂的問題，從模具角度可以輕微打磨圖6所示R角。但鑒于R角會有裝配要求，所以R角放大時一定要注意不能和配合飾板產(chǎn)生干涉，其次R角為產(chǎn)品特性，放大時要謹慎。

3. 激光拼焊板開裂疑難現(xiàn)象解析

關(guān)于激光拼焊板拼焊線開裂問題，加工現(xiàn)場人員提出了很多疑難的現(xiàn)象。

圖8 FLD曲線

表 2

表 3

（1）在激光焊接時，母材因受熱的原因在焊縫附近會產(chǎn)生熱影響區(qū)。焊縫組織形態(tài)為針狀及板條狀的馬氏體，熱影響區(qū)為等軸晶從焊縫向母材過渡，靠近焊縫晶粒較大，靠近母材晶粒較小，這構(gòu)成了熱影響區(qū)的主要微觀結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)上的變化，使得在力學性能上熱影響區(qū)從焊縫到熱影響區(qū)再到母材兩側(cè)，硬度逐漸降低，在距焊縫2mm左右的區(qū)域降到和母材硬度近似。距焊縫的距離越遠硬度越低、延展率越高、斷面收縮率越大，即材質(zhì)的塑性逐漸增加。基于這種力學性能上的差異，使得在材質(zhì)塑性最高的臨界點極易產(chǎn)生開裂。

（2）在生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，有部分開裂的拼焊板在放置較長一段時間（幾個月）后，再次進行加工時，開裂現(xiàn)象消失，加工正常，這種現(xiàn)象會偶然發(fā)生。

拼焊板的板材一般以冷軋板為母板，冷軋板雖然號稱無時效，但在生產(chǎn)實踐中，如果長期放置時還是會有時效性的影響。鋼材中的碳原子在晶格會逐步擴散，這稱作鋼板的固溶強化，鋼板的硬度會略有提升，塑性會略有下降，這部分性能的變化對拼焊板的開裂防止是有利的。當拼焊板的開裂狀態(tài)處在臨界狀態(tài)，板件長期存放帶來性能上的輕微改變，造成了開裂現(xiàn)象的消失。

4. 結(jié)語

隨著這些年國內(nèi)汽車保有量的迅猛增長，國家關(guān)于汽車環(huán)保的強制標準越來越嚴格，汽車的環(huán)保性要求隨之逐步提高。激光拼焊板、鋁合金材料的應(yīng)用、樹脂外觀件等一批汽車輕量化技術(shù)必將獲得更廣泛應(yīng)用，但這些新技術(shù)的應(yīng)用也給量產(chǎn)穩(wěn)定性帶來了極大挑戰(zhàn)，需要在生產(chǎn)中進行調(diào)查、解析、試驗、測試等相關(guān)工作，逐步摸索出對應(yīng)的設(shè)備條件、調(diào)試方法、作業(yè)手法等內(nèi)容。只有不斷提升量產(chǎn)加工的穩(wěn)定性才能帶來高品質(zhì)水平的汽車產(chǎn)品，保證中國汽車行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。