激光拼焊板類門內板沖壓開裂淺析

■ 馬列，裴旭

1. 激光拼焊板類門內板沖壓開裂成因分析

（1）激光拼焊板介紹 激光拼焊板技術是利用激光能源將不同材質、板厚、鍍層的板材拼合并焊接而形成一塊整體板材的技術。拼焊板技術的出現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、節能環保等都有著重要的作用。目前主要應用在側圍、門、縱梁、底板等車身部品上。國內主機廠內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。日系整車企業的門內板90%以上使用的是激光拼焊板。

（2）使用激光拼焊的門內板開裂情況 在使用激光拼焊板制作門內板時，經常在調試階段零件無開裂情況，但在量產一段時間后頻繁出現拼焊部位開裂的情況。此開裂（見圖1）一般出現在拼焊線靠近薄板側2～3mm的區域，對材料及拼焊加工過程進行調查都沒有發現問題。但實際加工時開裂現象時有發生，對比開裂材和良材的性能數據（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了缺陷，一般查找方向為模具、材料（板材及拼焊）、自動化、設備等四個方面。

通過列舉已知的現象進行分析：①此開裂情況在很多車型中都有發生，且在開裂前都經過了一段穩定的量產加工，所以判定和模具無關聯。②此開裂發生后，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聯。③此開裂發生后，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聯。④此開裂發生后，手工搬件也出現開裂，所以和自動化無關聯。⑤此開裂發生期間，其余部品加工正常，所以和加工設備無關聯。⑥此開裂都發生在拉深工序，整形工序沒有類似情況發生。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以外。

圖 1

通過以上情況分析，和加工相關的模具、材料、拼焊、自動化、設備都被排除了。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，在車型前期的調試中，影響口的拼焊線翻邊開裂也基本是每個車型都會發生的問題，但此問題在前期調整好后，后期一般都不會再發。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 模具的穩定性是非常高的，拉深模具在調整好穩定生產一段時間后，零件出現批量性異常的情況比較少。但拼焊板因為特殊的物理性質導致了拉深加工的不穩定。

大家都知道拉延模區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，材料內部應力σ也隨之變大，應變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力應變情況。如圖3所示，質點A、B、C均遵循單拉伸應力應變曲線，但因為具有不同的楊氏模量，薄板區厚板區拼焊區進入各應變階段的是不同的，薄板區的楊氏模量最小，所以薄板區會最先產生開裂。

（2）材質理論分析 造成開裂的主要原因是拼焊線部位的材質及工藝情況。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薄板區域的材料受到應力伸長時，在焊縫側會產生明顯的延展阻斷，無法獲得原本應該來自焊縫側材質的延展補充，從而造成了開裂發生，這是在車型調試階段拼焊線部容易產生開裂的原因。

表 1

圖 2

當車型進入量產階段后，以新車型調試階段的板件為基準進行比較。假想量產材料厚板的E值增加，薄板的E值減小的情況，因受力不變，應變ε在厚板側減小，在薄板側增加，即成形過程中厚板側材料延展量減小，薄板側延展量增加，這會使薄板側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的材料容易產生開裂。

（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、設備、自動化都符合各自的合格標準，但偏偏產生了不良品。

從材料角度可以通過控制薄板側材料的材料性能來減少開裂的發生。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開暗裂，如表2所示。但因廠家生產此鋼板的基板性能的不變，只能通過鍍鋅的過程進行1%～2%的調整。如果要求廠家材料伸長率和屈服強度一定要達到某數值以上，會很大降低廠家材料的成品率，即廠家會有很多生產出來的鋼板因性能不達標被轉用，造成成本上升和材料浪費。

圖 3

圖4 單拉伸應力應變

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（應變）=F（應力）/E（楊氏模量），E值為材料固有屬性，F值主要和產品及模具有關。要盡量減小ε值，在E值不變的情況下，需盡量減小F值，F值的減小在模具調試階段有很多辦法，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壁的回彈，需要較大F值，這就和拼焊線的開裂問題產生了矛盾。所以一般門內板的氣墊壓力都較高，整體F值較大。通常容易產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防及量產對應 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格試驗（見圖7、圖8及表3），東風本田內部正常是進行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。如果在量產中出現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生干涉，其次R角為產品特性，放大時要謹慎。

3. 激光拼焊板開裂疑難現象解析

關于激光拼焊板拼焊線開裂問題，加工現場人員提出了很多疑難的現象。

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生熱影響區。焊縫組織形態為針狀及板條狀的馬氏體，熱影響區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，這構成了熱影響區的主要微觀結構。微觀結構上的變化，使得在力學性能上熱影響區從焊縫到熱影響區再到母材兩側，硬度逐漸降低，在距焊縫2mm左右的區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，即材質的塑性逐漸增加?；谶@種力學性能上的差異，使得在材質塑性最高的臨界點極易產生開裂。

（2）在生產過程中我們發現，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，開裂現象消失，加工正常，這種現象會偶然發生。

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處在臨界狀態，板件長期存放帶來性能上的輕微改變，造成了開裂現象的消失。

4. 結語

隨著這些年國內汽車保有量的迅猛增長，國家關于汽車環保的強制標準越來越嚴格，汽車的環保性要求隨之逐步提高。激光拼焊板、鋁合金材料的應用、樹脂外觀件等一批汽車輕量化技術必將獲得更廣泛應用，但這些新技術的應用也給量產穩定性帶來了極大挑戰，需要在生產中進行調查、解析、試驗、測試等相關工作，逐步摸索出對應的設備條件、調試方法、作業手法等內容。只有不斷提升量產加工的穩定性才能帶來高品質水平的汽車產品，保證中國汽車行業的穩步發展。