真空熱壓一體式激光拼焊門環(huán)輕量化設(shè)計(jì)

文/陳漢杰，朱正龍·蘇州普熱斯勒先進(jìn)成型技術(shù)有限公司

熱沖壓門環(huán)是指將A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁設(shè)計(jì)成一個(gè)封閉的整體式零件，進(jìn)而進(jìn)行熱沖壓成形。從2009年起，主要受全球排放法規(guī)的影響，熱沖壓鋼激光拼焊板在現(xiàn)代汽車上的使用開(kāi)始迅速增長(zhǎng)。2013年，首個(gè)完全由熱沖壓鋼制成的一體式熱沖壓門環(huán)使用部分消融技術(shù)制成。

輕量化門環(huán)的設(shè)計(jì)與材料機(jī)械性能、材料厚度、涂層性質(zhì)、材料落料利用率、成形方式相關(guān)。目前生產(chǎn)的熱沖壓激光拼焊板中，約99%使用鋁硅涂層的鋼。使用部分消融技術(shù)對(duì)鋁硅涂層板進(jìn)行激光拼焊，但如果在激光拼焊前沒(méi)有去除涂層，涂層中含有的鋁會(huì)削弱焊縫，導(dǎo)致零件失效。

而如果采用無(wú)涂層鋼板制造熱沖壓激光拼焊件，雖無(wú)激光拼焊開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但由于在一般的氣氛加熱爐內(nèi)存在大量氧氣，使得無(wú)涂層鋼板在加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生氧化皮，需要進(jìn)行拋丸，但拋丸易變形，且耐腐蝕性差。本文以真空熱沖壓技術(shù)與激光落料、激光拼焊技術(shù)相結(jié)合，對(duì)一體式門環(huán)的輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)拓思路，對(duì)熱沖壓零件的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)和借鑒意義。

工藝優(yōu)化對(duì)比

以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁點(diǎn)焊接門環(huán)方案與激光拼焊的無(wú)涂層板的方案進(jìn)行對(duì)比分析。

⑴原方案：4個(gè)零件是單獨(dú)成形，后續(xù)通過(guò)點(diǎn)焊裝配；優(yōu)化方案：采用激光拼焊整體成形。

⑵料厚保持原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

⑶原方案每個(gè)零件的匹配搭接處取消，改成激光拼焊縫(圖1)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 門環(huán)優(yōu)化方案數(shù)模

表1 門環(huán)優(yōu)化方案信息

從上述表格數(shù)據(jù)分析可得，門環(huán)優(yōu)化后減重17.853kg-15.141kg＝2.712kg，減重率約≈17%。

材料利用率對(duì)比

目前大部分通用落料線為壓力機(jī)與模具落料，壓力機(jī)與模具落料是利用壓力機(jī)和沖切模具進(jìn)行金屬板料的落料，壓力機(jī)一次開(kāi)合即完成一次料片的落料。其工作效率較高，但沖切時(shí)，為保持沖切順利，每個(gè)成品料片間必須有8～10mm的縫隙，并且在更換新產(chǎn)品時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)和制造新的模具。因此這種工作方式，其材料利用率偏低，柔性較差，對(duì)新產(chǎn)品的響應(yīng)速度較慢，其材料利用率如圖2所示。

而激光落料是利用激光切割裝置對(duì)切割平臺(tái)上的板材進(jìn)行切割加工，從而完成料片的落料。激光切割時(shí)，每個(gè)成品料片間只需有3mm左右的縫隙，有些特殊的料片甚至可以做到零間隙排布，即共邊切割，同時(shí)，在更換新產(chǎn)品時(shí)，只需要重新編寫(xiě)切割程序即可。因此這種工作方式，其材料利用率高，柔性好，對(duì)新產(chǎn)品的響應(yīng)速度也快，其材料利用率如圖3所示，材料利用率對(duì)比詳見(jiàn)表2。

圖2 模具落料材料利用率

表2 模具落料與激光落料材料利用率對(duì)比

圖3 激光落料材料利用率

現(xiàn)場(chǎng)效果驗(yàn)證

采用激光切割的落料方式，分別對(duì)厚度為1.4mm和1.6mm的22MnB5裸鋼板進(jìn)行落料，得到厚度為1.4mm的A柱板料和門檻板料，厚度為1.6mm的B柱板料和H柱板料。依次序?qū)柱板料、門檻板料、B柱板料和H柱板料進(jìn)行激光拼焊，得到門環(huán)坯料，如圖4所示。

將門環(huán)坯料放入930℃的真空爐內(nèi)，對(duì)真空爐進(jìn)行抽真空，爐內(nèi)真空度在1～100Pa之間。將門環(huán)進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為300s。將奧氏體化后的門環(huán)坯料放入模具中進(jìn)行熱沖壓，其中轉(zhuǎn)移時(shí)間為10s，沖壓壓力為750t，保壓時(shí)間12s，門環(huán)熱沖壓件成形，如圖5所示。

圖4 激光拼焊門環(huán)坯料

圖5 真空加熱一體式激光拼焊門環(huán)

另外為增加無(wú)涂層門環(huán)的耐腐蝕性能，可對(duì)真空加熱后的門環(huán)進(jìn)行電鍍鋅處理，電鍍鋅門環(huán)如圖6所示。

圖6 真空加熱一體式激光拼焊電鍍鋅門環(huán)

對(duì)真空加熱的門環(huán)以及氣氛爐加熱的門環(huán)用金相法進(jìn)行氧化皮厚度測(cè)試，普通爐如不通入氮?dú)膺M(jìn)行氣氛保護(hù)，氧化皮厚度一般在10μm以上，而通入氮

圖7 氣氛爐加熱門環(huán)氧化皮厚度

圖8 真空加熱一體式激光拼焊門環(huán)氧化皮厚度

氣進(jìn)行氣氛保護(hù)，氧化皮厚度一般在5μm左右(圖7)。而用真空爐制備的零件，其氧化皮厚度一般小于2μm(圖8)。

結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合真空加熱爐技術(shù)與激光拼焊門環(huán)技術(shù)，采用無(wú)涂層板制備一體式門環(huán)，減重17%左右，且發(fā)現(xiàn)通過(guò)真空加熱爐制備的熱沖壓門環(huán)，其氧化皮厚度小于2μm，小于普通氣氛保護(hù)爐產(chǎn)生的氧化皮厚度。另外由于激光拼焊處無(wú)涂層，可以避免焊接開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)涂層激光拼焊需要增加耐腐蝕性能，可在熱成形之后加一道電鍍鋅工序即可。