汽車覆蓋件激光拼焊技術(shù)的制造與成本控制

蔣麗瓊，甘偉，吳剛，梁偉（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

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汽車覆蓋件激光拼焊技術(shù)的制造與成本控制

蔣麗瓊，甘偉，吳剛，梁偉
（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

摘要：拼焊板成形汽車覆蓋件具有安全、節(jié)能、減重等優(yōu)點。文章對拼焊板的焊接方法、材料應(yīng)用、沖壓成形以及拼焊板成形方案等方式進行了綜述；重點對激光拼焊技術(shù)對汽車覆蓋件成本控制進行了系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：激光拼焊；成本控制；沖壓成形；汽車覆蓋件

CLC NO.: U466Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-177-04

前言

處于對環(huán)保、能源和安全問題的考慮，汽車減重是國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)。針對美國提出的新一代轎車概念，工業(yè)發(fā)達(dá)國家正在研制每百公里油耗3L的轎車，日本也制定了到2025年研制出每百公里耗油2L的轎車的計劃[1]。要減輕車重除了結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，新型超輕材料和成形新工藝的應(yīng)用是最主要的減重方法。因此，汽車覆蓋件的激光拼焊技術(shù)的應(yīng)用，成為此領(lǐng)域的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。

拼焊板(TWB)技術(shù)是在傳統(tǒng)的整體成形和分離成形技術(shù)上進行了發(fā)展與改進。它是先將兩塊或兩塊以上的板料焊在一起，然后再進行沖壓成形，其板料可以是具有不同的厚度、強度或涂層的材料，每塊板料都對應(yīng)于所要求的位置，因此拼焊板成形兼有分離成形和整體成形的優(yōu)點。基于此，近20年來國內(nèi)外對拼焊板成形技術(shù)的研究已成為新的熱點。

本文對拼焊板的焊接方法、拼焊板材料、沖壓成形性能等問題進行了綜述，重點對汽車覆蓋件激光拼焊技術(shù)制造與成本控制技術(shù)進行了論述，同時也闡述了自己的觀點。

1、拼焊板應(yīng)用范圍

拼焊板在汽車上的應(yīng)用如圖1所示。在國外，日本豐田汽車公司自1985年起開始應(yīng)用拼焊板，每年用于60個沖壓件的拼焊板的消耗量約為360萬張[3]；美國通用、福特、克萊斯勒三大汽車公司在1994-1997年間拼焊板的使用迅速增加[4]；1993年在歐洲大約有300萬張拼焊板被用于車身制造，2000年拼焊板使用量已達(dá)到5000萬張[5]。根據(jù)VIL公司的預(yù)測，目前世界范圍內(nèi)每年生產(chǎn)車輛大約5000萬～6000萬輛，若每輛車包含3～5塊拼焊板，在接下來的5～10年里每年拼焊板需求量將達(dá)到1.5億張[4]。隨著拼焊技術(shù)的日趨成熟和在汽車行業(yè)的顯著效果，其應(yīng)用前景將更加廣泛。

圖1　激光拼焊的應(yīng)用

2、拼焊板的焊接方法

拼焊板生產(chǎn)的焊接方法主要有激光焊、非真空電子束焊、氣體保護鎢極電弧焊、壓平縫焊等[4]。激光焊由于焊接過程中熱量集中，熱影響區(qū)小，焊后變形和殘余應(yīng)力小等優(yōu)點。在拼焊板中應(yīng)用最廣泛[6]，但是激光拼焊對對接材料的邊部質(zhì)量要求很高，一般要采用高精度剪切、激光切割或精沖的方法等。同時激光拼焊的工藝參數(shù)如激光模式、激光功率、焊接速度、離焦量、輔助吹氣、間隙等對激光高速拼焊的焊縫質(zhì)量影響很大，進而會影響拼焊板的沖壓成形性能。保護氣體在激光拼焊過程中也起著重要作用，因此對于不同材料、不同厚度的板料進行激光拼焊時需確定最合適的焊接參數(shù)。文獻(xiàn)[7]比較了激光焊、滾壓電阻焊和氬弧焊工藝對拼焊板塑性變形性能的影響，認(rèn)為三者均適用于拼焊板的焊接。

圖2為某整車制造企業(yè)采用激光拼焊成功進行生產(chǎn)的實例，拼焊整體沖壓比分件沖壓取得了明顯的經(jīng)濟效益。模具投資由原先的490萬元減少到360萬元；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，材料利用率達(dá)到了相對最高的76.8％，材料消耗減少了5.33kg/輛。

圖2　激光拼焊成功生產(chǎn)的實例

3、激光拼焊技術(shù)在成本控制上應(yīng)用

在汽車領(lǐng)域，以車門內(nèi)板、縱梁、底板為典型代表的許多覆蓋件都使用拼焊技術(shù)。本文以車門內(nèi)板為例，為了保證功能的需要，零件主體具有一定的柔性，而門板固定車門鉸鏈的部位因需要承受門的重量經(jīng)常轉(zhuǎn)動的緣故。對板材強度要求較高。若采用傳統(tǒng)的沖壓成形方法就需要另外設(shè)計加強板，而采用拼焊技術(shù)，可以在該部位布置厚度較大的板材，以滿足使用要求。

3.1激光拼焊對前車門成本的影響

圖3為左前門內(nèi)板示意圖，分別由料厚1.2mm和料厚0.7mm牌號為D340LA1和牌號為DC05組成，分界線為圖示的彎延曲線。最初工藝為三個零件分別成形再焊接成整體。按該方案相應(yīng)的如圖6所示。可以看出該方案的缺點是材料利用率極低，左前門鉸鏈加強板利用率為33.2％，同時零件生產(chǎn)工藝性也較差。考慮到兩件的裝配關(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3　左前門內(nèi)板示意圖

表1　車門參數(shù)一覽表

3.2前車門激光拼焊的技術(shù)方案

針對前車門采用激光拼焊進行技術(shù)方案研究，如下圖1所示。圖中為某車型的前門內(nèi)板共2個零件使用激光拼焊板，是前門內(nèi)板與前門鉸鏈激光拼焊在一起。通過CAE分析及制造過程的調(diào)試，最終確定使用的拼焊板材。

圖4　左前門內(nèi)板示意圖

上述激光拼焊所采用的工藝流程如下表2所示，具體的工序內(nèi)容如下：

● OP10：BL+BL+WELD采用激光拼焊

● OP20：DR采用拉延

● OP30：TR+PI+CPI+RST采用修邊斜楔修邊沖孔整形

● OP40：TR+PI+BUR+RST采用修邊沖孔翻孔整形

● OP50：FL+RST+PI+CPI+CBUR采用斜楔沖孔翻孔翻邊整形

3.2前車門激光拼焊方案實施

由以上前車門激光拼焊的技術(shù)方案進行實施，得出如下：

1）拉深模具的型面部位，根據(jù)不同的厚度的板材在成型過程中對模具的材料有不同的要求，選用了兩中牌號的模具材料：板材厚度為0.7的區(qū)域選用 QT600-3A作為模具材料，板材厚度為1.2的區(qū)域選用SKDII作為模具材料。

2）拉深模具采用鑲塊的方式（如圖），并根據(jù)零件的成型特點對厚度分割處的模具材料做了分析和預(yù)留。板材厚度為1.2的區(qū)域使用（SKDII）鑲塊的結(jié)構(gòu)，板材厚度為0.7的區(qū)域使用鑄造（GM246）的結(jié)構(gòu)，鑲塊與鑄造的分割區(qū)域的預(yù)留量為超過拼焊板連接處往薄板區(qū)域的超過80mm的一個范圍。通過這種方式，滿足激光拼焊板不同厚度的鋼板材料對模具本體的材料不同的需求，滿足了零件的成型需求。

3）在成型的過程當(dāng)中，板件是在上模與下模之間，首先通過壓邊圈與上模之間的作用，使材料四周壓緊的狀態(tài)下再通過凸、凹模的型面進行成型。下模主要受力的部位為壓邊圈，因此，下模只在壓邊圈上采取鑲塊的方式。（如下圖）

圖2　拉延模的下模

圖3 拉延模上模

在成型的過程當(dāng)中，板件是在上模與下模之間，首先通過壓邊圈與上模之間的作用，使材料四周壓緊的狀態(tài)下再通過凸、凹模的型面進行成型。上模的主要受力的部位為與壓邊圈匹配區(qū)域及凸圓角。因此，上模鑲塊的工作區(qū)域應(yīng)包含與壓邊圈的配合成型的區(qū)域以及成型過程上模工作的凸圓角。根據(jù)此兩點的需求，上模的分塊必須合理布置才能滿足成型的要求，因此，將上模的分塊分在如圖示位置。（如圖4）

圖4　拉延模的上模鑲塊分塊

圖5　鑲塊的分塊傾斜角度處理

鑲塊的分塊在平面上的分塊呈一傾斜的角度進行分塊（5 度~15度），如圖5所示例，目的是保證在零件的成型過程中，避免材料流過鑲塊銜接處時，由于鑲塊之間拼接的間隙而引起零件的拉傷。不同厚度的材料在一套模具上成型，由于材料流動的問題，成型后的焊接位置很難控制；同時由于材料的流動，拼焊線可能移動，對成型模具的間隙也有不同的要求。因此，在設(shè)計的時候， 拼焊線位置的拉深模具上、下模之間的間隙做預(yù)留處理，在拼焊線的位置要往材料厚的方向預(yù)留移動15mm的距離，目的是預(yù)留材料流動的距離；同時在模具加工的NC編程時，對拼焊線位置的區(qū)域做光順的處理。

3.3經(jīng)濟效益

綜合以上分析，對非激光拼焊方案及激光拼焊方案在工藝上進行對比研究，具體如下表2所示。

表2　非激光拼焊方案及激光拼焊方案對比

圖6　非激光拼焊方案板料圖

圖7　激光拼焊方案板料圖

3.3.1減少工裝的開發(fā)成本

通過對比分析與研究，計算激光拼焊方案在前車門的成本控制，具體如下表3所示：

表3　激光拼焊方案的成本控制

3.3.2提高生產(chǎn)效率，減少運行成本

使用激光拼焊板，減少了工裝的開發(fā)成本零件的數(shù)量。即車門減少了2個零件的沖壓工序和焊接工序，有效提高生產(chǎn)效率，節(jié)約運行成本；使用激光拼焊與不使用相比，板料尺寸減少，材料利用率提高。通過計算，使用激光拼焊板技術(shù)，單車可降低成本37.05*2=74.1元，按照年產(chǎn)5萬輛計算，年度降成本約370.5萬元；此車型左右前門里板是內(nèi)制件，模具開發(fā)費用、車間增值費用、管理費用、財務(wù)費用及利潤不計算在內(nèi)。

4、結(jié)論

激光拼焊板技術(shù)是基于成熟的激光拼焊技術(shù)發(fā)展起來的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，是通過高能量的激光將幾塊材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接一塊整體板在沖壓生產(chǎn)。以滿足零部件不同部位對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足的超寬度及零件不同部位具有不同的工藝性能要求的工藝問題。

1）減輕最終車身的重量。在汽車結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用中，使用激光拼焊板，消除了使用多余加強件的需要，從而使整體車身重量降低，通過在一塊鋼板中不同材料和厚度的組合，可以大大簡化整體車身的結(jié)構(gòu)。

2）減少車身零件的數(shù)量。由于拼焊可以一次成型，縮減了模具的安裝過程。簡化了車身制造過程。

3）產(chǎn)品的不同零件在成型前已通過連續(xù)焊接工藝焊接一起，因而提高產(chǎn)品的精度，大大降低了零部件的制造及裝配公差。

4）提高原材料利用率提高，減少廢料。通過在結(jié)構(gòu)件的特點部位有選擇的使用高強、厚材料、從而使材料的利用率大大提高。通過在落料工序中采用排料技術(shù)，使各種各樣的鋼板得到合理組合。從而大幅度降低材料工程廢料率。

5）結(jié)構(gòu)功能得到大大提高，使用激光拼焊技術(shù)。由于使材料的強度、厚度得到合理組合，結(jié)構(gòu)剛度得到大大改善。結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能也得到提高。使用拼焊技術(shù)更加重要作用便是通過厚度和強度的組合，使機構(gòu)件的抗碰撞性能得到很大提高。

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Study on Manufacturing and cost control of laser welding technology for Automobile panels

Jiang Liqiong, Gan Wei, Wu Gang, Liang Wei
( Dong-feng Motor Corporation R&D Centre, Hubei Wuhan 430058 )

Abstract:The forming technology of tailor welded plate has the advantages of safety, energy saving, weight loss and so on. In this paper, TWB welding methods, materials applications, stamping and forming programs TWB way were reviewed；focus on the laser welding technology of the car cover cost control were studied.

Keywords:laser welding; cost control; stamping forming; Automobile panels

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：中文圖書號：U466A

文章編號：1671-7988（2016）05-177-04

作者簡介：蔣麗瓊，就職于東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心。從事零部件成本計算與控制工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033