2019年拼焊板沖壓成型

1、拼焊板沖壓成型摘要：傳統(tǒng)工藝中汽車(chē)車(chē)身零件有兩種成形方法： 分離成形和整體成形。 分離成形方法是將大 型零件分成小型單個(gè)件分別成形， 然后焊接成部件， 其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)各部位的要求選擇不 同材質(zhì)、不同厚度的材料；缺點(diǎn)是需要更多的工裝模具和設(shè)備的投入， 制造成本較高， 同時(shí) 焊接總成的配合精度和整車(chē)質(zhì)量也有所下降。整體成形法是用整體板料直接成形大型零件。 主要的優(yōu)點(diǎn)是工裝模具和設(shè)備的投入大大減少，制造成本相對(duì)較低，產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高； 缺點(diǎn)是必須對(duì)零件所有部位采用相同材質(zhì)和相同厚度的材料， 難以很好的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的需 要。 本文介紹了激光拼焊板沖壓技術(shù)的發(fā)展歷史，以及該技術(shù)的特點(diǎn)應(yīng)用，最后介紹了

2、目 前國(guó)內(nèi)外激光拼焊板沖壓技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。關(guān)鍵詞： 拼焊板、沖壓、成型一、拼焊板沖壓的發(fā)展歷史拼焊板是 20 世紀(jì) 60 年代日本本田汽車(chē)公司利用邊角料做車(chē)身內(nèi)測(cè)版而采用的一項(xiàng)技 術(shù)。 20 世紀(jì) 70 年代中期，美國(guó)福特公司采用激光焊接技術(shù)進(jìn)行車(chē)身鋼板的拼焊，但是未 商業(yè)化。 20 世紀(jì) 80 年代初，歐洲沃爾沃、奔馳、大眾等汽車(chē)廠(chǎng)首批使用激光焊接拼焊板 制作卡車(chē)的前板、底板、加強(qiáng)柱等。奧迪是較早在汽車(chē)中應(yīng)用拼焊板技術(shù)的公司之一。 奧迪公司需要為他的一輛新型轎車(chē)制 造一種沖壓件， 而那時(shí)板材供應(yīng)商不能提供足夠大的板材， 故只能通過(guò)激光焊接將兩塊板料 焊接在一起然后再去沖壓成型。 當(dāng)時(shí)的板料供

3、應(yīng)商開(kāi)始認(rèn)識(shí)到這種先進(jìn)制造技術(shù)具有很大的 發(fā)展前景，于是開(kāi)始為其他的汽車(chē)公司提供專(zhuān)用的拼焊板。20 世紀(jì) 80 年代中期，隨著人們對(duì)環(huán)保、節(jié)省能源、提高駕駛速度和安全性能的要求以及千瓦級(jí)連續(xù)二氧化碳激光器的發(fā)現(xiàn)， 為汽車(chē)拼焊板開(kāi)辟了廣闊的天地。 德國(guó)鋼鐵公司成為了歐洲較早大規(guī)模采用激光生產(chǎn)拼焊板 的鋼鐵公司。 該公司設(shè)計(jì)和建造的第一代拼焊板激光焊接生產(chǎn)線(xiàn)是光束移動(dòng)、工件固定系統(tǒng)，并于 20 世紀(jì) 80 年代末開(kāi)發(fā)了工件移動(dòng)、光束不動(dòng)的第二代拼焊板激光系統(tǒng)。20世紀(jì) 90年代，美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)和國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)組織了一項(xiàng)由全球18 個(gè)國(guó)家鋼鐵廠(chǎng)參與的超輕鋼新材料和設(shè)計(jì)制造技術(shù)等， 激光拼焊板則是其中的一

4、項(xiàng)主要課題， 由保時(shí)捷工程 公司負(fù)責(zé)車(chē)型設(shè)計(jì)生產(chǎn)第一輛樣車(chē)，在該樣車(chē)上共采用了 16 拼焊板沖壓件，與原來(lái)車(chē)身相 比，車(chē)身零件數(shù)量約減少了 25% 。目前，由拼焊板生產(chǎn)的汽車(chē)零件已被成功用于車(chē)身骨架件、外覆蓋件、內(nèi)覆蓋件。主 要有位于車(chē)門(mén)兩側(cè)的立柱，車(chē)門(mén)內(nèi)板、縱梁、底板、輪罩、內(nèi)后擋板、橫梁緩沖器等。如圖所示:前地板二、拼焊板沖壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)采用拼焊板的優(yōu)勢(shì)在于可將厚板或高強(qiáng)度板用于關(guān)鍵部位，以提高整塊板的局部強(qiáng)度。拼焊板的使用也可以使汽車(chē)結(jié)構(gòu)在不降低強(qiáng)度的情況下，減輕車(chē)身重量，降低材料損耗。因此，拼焊板應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)可以：3.1減少車(chē)身零件的數(shù)量由于拼焊板可以一次成型，減少大量沖壓加工的設(shè)備

5、和工序，縮減了模具的安裝過(guò)程，簡(jiǎn)化車(chē)身制造過(guò)程。3.2節(jié)省材料在材料方面，可以節(jié)省板材的使用大約25% 40%，并可以利用廢料，提高板材的使用率。3.3縮短設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)周期滿(mǎn)足汽車(chē)各部分對(duì)材質(zhì)、厚度以及性能的需求，將不同性能、涂層和厚度的版聊啊拼焊 在一起，提高車(chē)身設(shè)計(jì)的靈活性，縮短了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期。3.4為生產(chǎn)寬體車(chē)提供可能由于受軋機(jī)的限制不可能生產(chǎn)太寬的鋼板，而汽車(chē)隊(duì)寬板的要求日趨緊迫， 采用拼焊板，不失為一種有效而經(jīng)濟(jì)的工藝方法。3.5根據(jù)車(chē)身不同部位強(qiáng)度的要求，合理使用一些輕質(zhì)復(fù)合材料，而不需要焊接加強(qiáng)筋，從而減輕車(chē)身的重量，例如采用拼焊板后，車(chē)身的側(cè)板重量減輕了10%，而車(chē)身的耐撞性能

6、和剛性沒(méi)有降低。3.6提高車(chē)輛結(jié)構(gòu)的整體性能和安全性能，提高整體剛性，簡(jiǎn)化車(chē)輛的整體結(jié)構(gòu)，提高零部件的裝配精度。3.7車(chē)身采用拼焊板，在撞機(jī)的過(guò)程中可以吸收更多的能量，從而增強(qiáng)耐撞性能。三、激光拼焊板沖壓的概念激光拼焊板技術(shù)是基于成熟的激光焊接技術(shù)發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，是通過(guò)高能量的激光將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板再?zèng)_壓生產(chǎn)，以滿(mǎn)足零部件不同部位對(duì)材料不同性能的要求。拼焊板工藝的出現(xiàn)解決了由傳統(tǒng)單一厚度材料所不能滿(mǎn)足的超寬板及零件不同部位具有不同工藝性能要求的工藝問(wèn)題。圖1為分別成形、整體成形和激光拼焊成形生產(chǎn)轎車(chē)側(cè)圍外板的示意圖。分鹿誡形方法整體成形方法落料

7、tTIn 1'沖壓應(yīng)用激克拼iv板整休沖用成形圖i轎車(chē)側(cè)圍外板成形方法比較四、激光拼焊板的優(yōu)勢(shì)采用激光拼焊板有著巨大的優(yōu)勢(shì)，可以給汽車(chē)制造業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益， 主要體現(xiàn)在： 使整車(chē)零件數(shù)量大大減少，簡(jiǎn)化了點(diǎn)焊工藝，提高了車(chē)身尺寸精度減少了質(zhì)量問(wèn)題， 材料厚 度的可變性保證了對(duì)重要位置的強(qiáng)化等方面。圖2所示為東風(fēng)中型車(chē)駕駛室整體頂蓋采用激光拼焊板成功進(jìn)行生產(chǎn)的實(shí)例，圖示為東風(fēng)重型車(chē)分離成形后焊接的頂蓋總成示意圖。拼焊整體沖壓比分件沖壓取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益：模具投資由原先的490萬(wàn)元減少到360萬(wàn)元；減少了設(shè)備占用面積和操作人員數(shù)量；零件重量由于搭接面的減少而降低了0.55kg ，材料利

8、用率達(dá)到了相對(duì)最高的 76.8%，材料消耗減少了 5.33kg/輛。圖2中型車(chē)一排半駕駛室整體頂蓋圖3重型車(chē)標(biāo)車(chē)前后頂總成五、激光拼焊板的性能簡(jiǎn)介由于與傳統(tǒng)工藝方法相比， 激光拼焊技術(shù)具有顯著地優(yōu)勢(shì)， 汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)對(duì)激光拼焊板在 沖壓過(guò)程中所表現(xiàn)的性能便更加關(guān)注。對(duì)激光拼焊板性能的研究目前在全球已經(jīng)成為熱點(diǎn)。激光拼焊板與母材相比， 呈現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)。 研究表明激光對(duì)焊接縫比母材具有更高的強(qiáng)度和硬度值。這是由于在小的焊接熔池中激光焊縫得到了快速冷卻。在大多數(shù)的激光焊接接頭中，熱影響區(qū)組織室友細(xì)晶，等軸晶組成。對(duì)于評(píng)價(jià)焊縫的防腐蝕性能， 在循環(huán)潮濕和鹽霧環(huán)境中進(jìn)行了加速腐蝕試驗(yàn)， 結(jié)果清楚的表

9、明，激光焊接由于其他形式的焊接，金屬起到恰到保護(hù)的作用。只要受影響的區(qū)域不超過(guò)2mm ，就不會(huì)觀(guān)察到所謂的紅色銹蝕，這一點(diǎn)在電阻焊中是不具有的。六、激光拼焊板的沖壓成形工藝性拼焊板使用的技術(shù)問(wèn)題， 最主要的是由焊縫區(qū)組織變化所造成的成形性能下降和焊縫移 動(dòng)等因素引起的工裝制造難題。6.1 拼焊板的沖壓成形性能對(duì)拼焊板成形性能的研究表明：（1 ）激光焊接后的焊接接頭部位強(qiáng)度比母材部分有一定程度的提高，厚度比率的變化對(duì)強(qiáng) 度的影響沒(méi)有材料等級(jí)比率變化影響大， 不同等級(jí)材料的焊接接頭強(qiáng)度主要取決于低強(qiáng)度等 級(jí)的材料。（2 ）焊接接頭部位成形性能比母材有一定程度的降低，隨拼焊厚度差異和強(qiáng)度差異的增加，

10、成形性能降低。（3 ）對(duì)于不等厚拼焊板，拉伸方向與焊縫方向相同時(shí)，拼焊板塑性變形能力明顯降低，薄 側(cè)比例越小則降低越多。（4 ）拼焊板的拉伸破壞方式一般有兩種：一是當(dāng)焊縫與拉伸方向一致時(shí)，由于焊縫的塑性 比母材低， 焊縫部位往往被拉斷； 二是當(dāng)焊縫與拉伸方向垂直時(shí)， 薄側(cè)母材容易產(chǎn)生過(guò)量減 薄而拉裂。此外， 拼焊板在實(shí)際使用中不僅要關(guān)注其成形性能， 還要考慮到其不同的料厚差異對(duì)后 續(xù)工序的影響， 如料厚差異較大或者性能差異較大的焊縫線(xiàn)應(yīng)避免穿過(guò)小孔沖壓位置 （易導(dǎo) 致小孔折彎或斷裂）等。6.2 拼焊板的焊縫移動(dòng)及其工藝對(duì)策焊縫移動(dòng)是拼焊板區(qū)別于普通整板生產(chǎn)的根本因素，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝分析是否

11、成功的根本。根據(jù)拉延工藝?yán)碚摵拖嚓P(guān)的實(shí)驗(yàn)論證可以得出以下結(jié)論：焊縫移動(dòng)方向和移動(dòng)距離主要取決于焊縫兩側(cè)材料強(qiáng)度比、焊縫位置以及拉伸壓邊力分布等。由于焊縫移動(dòng)量只能減小而不能消除，這就需要在焊縫處不等厚模面?zhèn)纫欢ǚ秶鷥?nèi)設(shè)定料厚空開(kāi)面。空開(kāi)面向料薄一側(cè)空開(kāi)， 壓料面區(qū)域空開(kāi)相應(yīng)較大， 凹模凸模對(duì)應(yīng)處相應(yīng)較小。采用夾緊裝置可以明顯改善焊縫移動(dòng)程度，使得焊縫移動(dòng)量減少 72.6%84.9%。實(shí)際的車(chē)身覆蓋件設(shè)計(jì)中，也可以在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可能的情況下，在靠近焊縫處設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，通過(guò)模具結(jié)構(gòu)先成形焊縫部位從而控制焊縫的移動(dòng)。除采取必要的工藝措施控制和減少焊縫移動(dòng)之外，還應(yīng)該在焊縫移動(dòng)區(qū)對(duì)模具結(jié)構(gòu)采用合

12、金鑲塊等措施控制型面的磨損和拉毛。6.3 焊縫移動(dòng)的CAE分析隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠應(yīng)用CAE手段對(duì)拼焊板的焊縫移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分析，這為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了合理的依據(jù)，也為制造工藝的合理化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖4為中型車(chē)側(cè)圍內(nèi)板拼焊生產(chǎn)的 CAE分析結(jié)果，它清晰的反映了各部位的焊縫移動(dòng)量及整 體拉延狀況等。圖4拼焊板整體沖壓 CAE分析結(jié)果中型車(chē)側(cè)圍內(nèi)板拼焊位置的確定及其對(duì)成本的影響圖5為中型卡車(chē)駕駛室側(cè)圍示意圖，分別由料厚0.75mm 的側(cè)圍角板和料厚1.6mm 的側(cè)圍內(nèi)板組成，分界線(xiàn)為圖示的彎延曲線(xiàn)。最初工藝為兩個(gè)零件分別成形再焊接成整體。按該方案相應(yīng)的沖壓排樣及材料利用效果如圖

13、6所示?？梢钥闯鲈摲桨傅娜秉c(diǎn)是材料利用 率極低，分別為36.2% 和43.9%，同時(shí)零件生產(chǎn)工藝性也較差?？紤]到兩件的裝配關(guān)系， 初步判斷如采用拼焊方式生產(chǎn)將有效改善產(chǎn)品工藝性和降低成本。圖5中型卡車(chē)駕駛室側(cè)圍氏U eOOnmX i l&Sm:L 14k«)3鼻J-SiOrun - 1310DUD13. 7細(xì))HHJ 119%圖6分件生產(chǎn)排樣及材料利用效果6.3.1焊縫位置的選擇激光拼焊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖能否通過(guò)工藝得到最好的實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就在于拼焊焊縫的位置選擇是否成功。焊縫位置的設(shè)定不僅要考慮產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的需要，還要從沖壓工藝性的要求、成本的要求等方面綜合考慮，三者有機(jī)

14、結(jié)合才會(huì)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和整車(chē)質(zhì)量。依據(jù)拉延理論和拼焊成形技術(shù)的研究成果等要求，可以得到以下選擇焊縫位置的基本原則：1 焊縫的選擇首先要滿(mǎn)足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的要求。2. 焊縫為直線(xiàn)，且最好保證在完成工藝排樣后為方形板料拼焊。R區(qū)域。3. 焊縫應(yīng)避免穿越產(chǎn)生拉延效果很大的區(qū)域，特別要防止焊縫平行穿越成形4. 由于不同料厚的沖裁間隙差異，要盡可能避免焊縫穿越小孔沖裁位置。以圖5所示的側(cè)圍為例，產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為彎曲的折線(xiàn)。以該曲線(xiàn)為焊縫是拼焊技術(shù)目前所不能滿(mǎn)足的，同時(shí)該曲線(xiàn)在圖示A/B部位會(huì)由于拉延時(shí)焊縫的移動(dòng)造成小孔處可能出現(xiàn)0.75mm、1.6mm兩種料厚，這容易導(dǎo)致小孔沖頭的彎曲或折斷，因而

15、需要重新選擇焊縫位置。按照焊縫設(shè)定原則（1）和（2）的要求首選的焊縫位置如圖 5紅粗線(xiàn)所示。該焊縫的 主要缺點(diǎn)在于拉延時(shí)焊縫向厚料移動(dòng)仍會(huì)使A孔出現(xiàn)不同料厚，同時(shí)由于 A處凸包起伏形狀較大，可能出現(xiàn)拉延開(kāi)裂。結(jié)合圖5中A、C兩孔的位置關(guān)系將拼焊線(xiàn)調(diào)整至圖7 所示位置，基本滿(mǎn)足了相關(guān)各項(xiàng)要求。圖7基本滿(mǎn)足相關(guān)要求的焊縫位置632成本因素對(duì)焊縫位置的影響圖8所示為東風(fēng)某車(chē)型側(cè)圍，初步設(shè)計(jì)階段的拼焊線(xiàn)如紅線(xiàn)所示。針對(duì)該方案的CAE分析結(jié)果為焊縫沿線(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂（圖9 ）。其主要原因在于圖示 A處靠近R角，變形劇烈。圖8某車(chē)型側(cè)圍及其拼焊線(xiàn)圖9初定焊縫位置 CAE結(jié)果考慮該件的造型特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足工藝性的焊

16、縫線(xiàn)如圖8藍(lán)線(xiàn)所示，CAE效果良好。對(duì)比圖8的兩條焊縫線(xiàn)可以看出，完全滿(mǎn)足工藝性的方案1.6mm 厚料區(qū)明顯加大，因而零件重量加大、材料消耗也明顯增加，所以該方案也不是最佳的結(jié)果。能否類(lèi)比圖7的方式按圖10設(shè)定拼焊線(xiàn)呢？若按照該方案實(shí)施，將最大限度符合產(chǎn)品要求并大大減少厚料區(qū)域，從而降低產(chǎn)品成本。工藝分析圖10方案最大的風(fēng)險(xiǎn)是臺(tái)階和斜面區(qū)域可能出現(xiàn)焊縫區(qū)開(kāi)裂（CAE分析也印證了這一結(jié)果），需要對(duì)該區(qū)做相應(yīng)設(shè)計(jì)更改。產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)依據(jù)分析對(duì)相應(yīng)區(qū)域做了斜面 變緩和過(guò)渡處理，圖11所示為經(jīng)過(guò)產(chǎn)品優(yōu)化后滿(mǎn)足產(chǎn)品、工藝、成本諸因素的CAE分析 結(jié)果。割南曲扳料J類(lèi)氓址定的）c町仙初j圖10類(lèi)比設(shè)定的拼焊

17、線(xiàn)圖11優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)后滿(mǎn)足工藝及成本的CAE結(jié)果七、國(guó)內(nèi)激光拼焊板的生產(chǎn)狀況上個(gè)世紀(jì)末在國(guó)內(nèi)，激光技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用取得了進(jìn)展，也有不少成功的經(jīng)驗(yàn)，但是徐挺多研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。1966年以前，國(guó)內(nèi)激光焊接拼焊板的實(shí)驗(yàn)室研究和產(chǎn)業(yè)化研究與應(yīng)用都處于空白狀態(tài)。我國(guó)對(duì)激光拼焊板生產(chǎn)的研究和應(yīng)用，以寶鋼對(duì)此反應(yīng)最積極。寶鋼從很早 就開(kāi)始對(duì)激光拼焊技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究。1999年寶鋼技術(shù)中心引進(jìn)激光拼焊試驗(yàn) 裝置，對(duì)激光拼焊技術(shù)進(jìn)行研究，已完成多家汽車(chē)廠(chǎng)部分零件的工藝研究，且進(jìn)行了實(shí)沖試驗(yàn)，達(dá)到實(shí)際車(chē)身零件對(duì)激光拼焊板的要求，由于對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家而言，激光拼焊板有很多優(yōu)勢(shì)，目前許多新的車(chē)型結(jié)構(gòu)件上都使用激光拼焊板，對(duì)激光拼焊板的要求正迅速增加。寶山鋼鐵公司與阿賽 洛公司聯(lián)合投資成立了合資公司（上海寶鋼阿賽洛激光拼焊板有限公司） 專(zhuān)門(mén)大 規(guī)模生產(chǎn)激光拼焊板。該合資公司引進(jìn)了先進(jìn)的激光拼焊板生產(chǎn)線(xiàn)， 專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激 光拼焊板以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠(chǎng)對(duì)激光拼焊板的需求。 在不久的將來(lái)，中國(guó)汽車(chē)工業(yè) 對(duì)于激光拼焊板的需求必將逐漸取代從國(guó)外進(jìn)口而由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠(chǎng)來(lái)滿(mǎn)足激