激光拼焊板類門內(nèi)板沖壓開裂淺析

東風(fēng)本田汽車有限公司 馬 列 裴 旭

一、激光拼焊開裂情況及分析

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)、不同板厚、不同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(jī)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(jìn)行拼焊后送到主機(jī)廠進(jìn)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)常會發(fā)生在調(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(jìn)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)（見圖2）也沒有存在差異較大的地方。

圖1

表1 開裂材和良材的性能數(shù)據(jù)

3 .開裂情況分析

零件在沖壓加工過程中出現(xiàn)了缺陷一般的查找方向為模具、材料（板材及拼焊）、自動化、設(shè)備四個方面。那么拼焊板開裂的現(xiàn)象是和這四個方面中的哪個方面相關(guān)呢？

下面我們通過列舉已知的現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)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(jìn)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)。

（3）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)。

（4）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)。

（5）此開裂都發(fā)生在拉延工序，整形工序沒有類似情況發(fā)生。

（6）后工序拼焊線開裂位置在拼焊線上，拉延序的開裂在熱影響區(qū)以外。

通過以上的情況分析，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（5）和（6），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，音響口的拼焊線翻邊開裂也是基本每個車型都會發(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)生。也就是說我們有理由懷疑拼焊板的開裂和拉延成型的工藝有關(guān)系，是拼焊板進(jìn)行拉延成型的工藝性問題。

二、解決方法及預(yù)防措施

1 .成型理論分析

模具的穩(wěn)定性是非常高的，拉延模具在調(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(dǎo)致了拉延加工的不穩(wěn)定。

大家都知道拉延模區(qū)別于成形模的主要特點是成型時有壓料，首先壓邊圈和凹模壓緊材料后，凸模和凹模進(jìn)行材料成型。普通材料在成型過程隨著閉合高度的降低，拉伸力逐漸增大，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(jìn)入屈服塑性變形至均勻塑性變形，個別甚至?xí)霈F(xiàn)頸縮（暗裂）及開裂（如圖2及圖4所示）。

下面我們詳細(xì)的看下拼焊板拼焊線附近的應(yīng)力應(yīng)變情況。如圖四所示，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(jìn)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。

圖2

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，如建筑材料中的磚瓦、玻璃、金屬材料中的鑄鐵等，拼焊板的焊縫屬于脆性材料。塑形材料為斷裂時伸長率及斷面收縮率均較大的材料，一般的低碳鋼屬于塑形材料，車身冷沖壓零件的材料都是塑形材料。

圖4 單拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

在拉延成型過程中塑形材料產(chǎn)生塑形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形材料相接，因拼焊線部材料為脆性材料基本無伸長，且它的存在一定程度上阻斷了厚板材料的延展。使得拉延成型過程中焊縫外側(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(bǔ)充，從而造成了開裂的發(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。

當(dāng)車型進(jìn)入量產(chǎn)階段后，以新車型調(diào)試階段的板件為基準(zhǔn)進(jìn)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，即成型過程中厚板側(cè)材料延展量減小，薄板側(cè)延展量增加，這會使薄板側(cè)材料伸長量大大增加，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. 拼焊線開裂問題的解決

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檢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(biāo)準(zhǔn)，但偏偏產(chǎn)生了不良品。

那么如何在生產(chǎn)中解決此問題呢？還是要從生產(chǎn)要素中的材料及模具方面想辦法。

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（屈服點）及EL值（延伸率）盡量選高值，這樣材料不容易出現(xiàn)開暗裂，如圖6所示。但因廠家生產(chǎn)此鋼板的基板性能的不變的，只能通過鍍鋅的過程進(jìn)行1%～2%的調(diào)整。如果要求廠家材料延伸率和屈服點一定要達(dá)到某數(shù)值以上，會很大的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(dá)標(biāo)，被轉(zhuǎn)用，造成成本的上升和材料的浪費。

表2 某開裂材和不開裂材的性能對比

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，比如：減小氣墊壓力、增大拉延筋圓角、提高模具光潔度、增大材料流入的R角等等辦法。但為了避免零件臺階面的起皺及側(cè)壁的回彈，需要較大的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，整體的F值較大。通常容易產(chǎn)生拼焊線開裂的部位是音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(jìn)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(bǔ)充進(jìn)去，減小拼焊線附近薄板材料受到的F值。

圖5 拼焊部平面圖

圖6 拼焊部斷面圖

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(fēng)險呢？一種方法是進(jìn)行板料網(wǎng)格實驗（如圖6/圖7/表3），東風(fēng)本田內(nèi)部正常是進(jìn)行10%的加壓測試，普通部位為減薄率不大于25%即通過，拼焊線部位需達(dá)到減薄率小于15%才可以。另一種方式為進(jìn)行極限加壓測試，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%）。從此兩種方式可知，拼焊線部開暗裂標(biāo)準(zhǔn)要大于普通部位，這是由拼焊線部特殊的工藝方式?jīng)Q定的。

圖7 測量部位

圖8 FLD曲線

表3 減薄率

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五所示的R角，一般效果比較明顯。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角大小為產(chǎn)品特性，放大時要謹(jǐn)慎。

三、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。

（1）為什么開裂不是發(fā)生在拼焊線上而是發(fā)生在拼焊線附近薄板側(cè)2～3mm的區(qū)域？

這是因為在激光焊接時，母材因受熱的原因在焊縫附近會產(chǎn)生熱影響區(qū)。焊縫的組織形態(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，使得在物理性能上熱影響區(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。隨距焊縫的距離越遠(yuǎn)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。基于這種物理性能上的差異，使得在材質(zhì)塑性最高的臨界點極易產(chǎn)生開裂。

（2）為什么部分拼焊板在放置一段時間后，開裂板材會轉(zhuǎn)變成不開裂板材？

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(jìn)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。

在冷沖壓日常的加工中，默認(rèn)模具/板材長期存放都不會發(fā)生變化，但拼焊板長期存放開裂情況改善的現(xiàn)象，使我們對材料長期存放的穩(wěn)定性產(chǎn)生懷疑。

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(kuò)散，這稱作鋼板的固溶強(qiáng)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(dāng)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。

四、結(jié)束語

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(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)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)必將獲得更廣泛的應(yīng)用，但這些新技術(shù)的應(yīng)用也給量產(chǎn)穩(wěn)定性帶來了極大的挑戰(zhàn)，需要在生產(chǎn)中進(jìn)行調(diào)查、解析、實驗、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。只有不斷的提升量產(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。 □