真空熱壓一體式激光拼焊門環輕量化設計

文/陳漢杰，朱正龍·蘇州普熱斯勒先進成型技術有限公司

熱沖壓門環是指將A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁設計成一個封閉的整體式零件，進而進行熱沖壓成形。從2009年起，主要受全球排放法規的影響，熱沖壓鋼激光拼焊板在現代汽車上的使用開始迅速增長。2013年，首個完全由熱沖壓鋼制成的一體式熱沖壓門環使用部分消融技術制成。

輕量化門環的設計與材料機械性能、材料厚度、涂層性質、材料落料利用率、成形方式相關。目前生產的熱沖壓激光拼焊板中，約99%使用鋁硅涂層的鋼。使用部分消融技術對鋁硅涂層板進行激光拼焊，但如果在激光拼焊前沒有去除涂層，涂層中含有的鋁會削弱焊縫，導致零件失效。

而如果采用無涂層鋼板制造熱沖壓激光拼焊件，雖無激光拼焊開裂風險，但由于在一般的氣氛加熱爐內存在大量氧氣，使得無涂層鋼板在加熱過程中容易產生氧化皮，需要進行拋丸，但拋丸易變形，且耐腐蝕性差。本文以真空熱沖壓技術與激光落料、激光拼焊技術相結合，對一體式門環的輕量化設計開拓思路，對熱沖壓零件的開發具有指導和借鑒意義。

工藝優化對比

以傳統設計的A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁點焊接門環方案與激光拼焊的無涂層板的方案進行對比分析。

⑴原方案：4個零件是單獨成形，后續通過點焊裝配；優化方案：采用激光拼焊整體成形。

⑵料厚保持原設計數據。

⑶原方案每個零件的匹配搭接處取消，改成激光拼焊縫(圖1)，詳細參數見表1。

圖1 門環優化方案數模

表1 門環優化方案信息

從上述表格數據分析可得，門環優化后減重17.853kg-15.141kg＝2.712kg，減重率約≈17%。

材料利用率對比

目前大部分通用落料線為壓力機與模具落料，壓力機與模具落料是利用壓力機和沖切模具進行金屬板料的落料，壓力機一次開合即完成一次料片的落料。其工作效率較高，但沖切時，為保持沖切順利，每個成品料片間必須有8～10mm的縫隙，并且在更換新產品時，需要重新設計和制造新的模具。因此這種工作方式，其材料利用率偏低，柔性較差，對新產品的響應速度較慢，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切割平臺上的板材進行切割加工，從而完成料片的落料。激光切割時，每個成品料片間只需有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，在更換新產品時，只需要重新編寫切割程序即可。因此這種工作方式，其材料利用率高，柔性好，對新產品的響應速度也快，其材料利用率如圖3所示，材料利用率對比詳見表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比

圖3 激光落料材料利用率

現場效果驗證

采用激光切割的落料方式，分別對厚度為1.4mm和1.6mm的22MnB5裸鋼板進行落料，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。依次序對A柱板料、門檻板料、B柱板料和H柱板料進行激光拼焊，得到門環坯料，如圖4所示。

將門環坯料放入930℃的真空爐內，對真空爐進行抽真空，爐內真空度在1～100Pa之間。將門環進行加熱，加熱時間為300s。將奧氏體化后的門環坯料放入模具中進行熱沖壓，其中轉移時間為10s，沖壓壓力為750t，保壓時間12s，門環熱沖壓件成形，如圖5所示。

圖4 激光拼焊門環坯料

圖5 真空加熱一體式激光拼焊門環

另外為增加無涂層門環的耐腐蝕性能，可對真空加熱后的門環進行電鍍鋅處理，電鍍鋅門環如圖6所示。

圖6 真空加熱一體式激光拼焊電鍍鋅門環

對真空加熱的門環以及氣氛爐加熱的門環用金相法進行氧化皮厚度測試，普通爐如不通入氮氣進行氣氛保護，氧化皮厚度一般在10μm以上，而通入氮

圖7 氣氛爐加熱門環氧化皮厚度

圖8 真空加熱一體式激光拼焊門環氧化皮厚度

氣進行氣氛保護，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)。

結束語

結合真空加熱爐技術與激光拼焊門環技術，采用無涂層板制備一體式門環，減重17%左右，且發現通過真空加熱爐制備的熱沖壓門環，其氧化皮厚度小于2μm，小于普通氣氛保護爐產生的氧化皮厚度。另外由于激光拼焊處無涂層，可以避免焊接開裂的風險，無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。