零件產品設計中的激光拼焊板板料厚度差異問題

文/秦海斌，張宇，馬延峰·恒大新能源汽車集團天津公司

激光拼焊板技術應用于汽車行業已經多年，技術也相對成熟，但在產品的設計過程中，還存在盲目應用的情況。本文通過沖壓成形模擬仿真分析，結合主機廠常用零件的實際應用情況，總結出激光拼焊板料厚度差異的建議值，為汽車產品設計提供參考。

激光拼焊板技術是基于成熟的激光焊接技術發展起來的現代加工工藝，是利用激光焊機將幾塊不同材質、不同厚度、不同表面鍍層的鋼板焊接成一塊整體板材，再進行沖壓生產，以滿足零件不同部位對材料不同使用性能的要求。拼焊板工藝的出現，解決了由傳統單一厚度平板材料所不能滿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題。

從20 世紀80 年代中期開始，激光拼焊板就已經應用在歐洲、日本和美國等國家生產的汽車車身零部件中。隨著國內汽車制造業的發展，國內市場對汽車拼焊板的需求也越來越多。在汽車車身的生產、制造和設計方面，激光拼焊板的使用，有著顯著的優勢。目前，采用激光拼焊板生產的汽車車身零部件，主要有前后車門內板、前后縱梁、側圍內板、地板、A 柱、B 柱、C 柱、D 柱、輪罩、后背門內板等，其中，前后車門內板應用拼焊板沖壓成形工藝的最多，其次是前后縱梁。

由于激光拼焊板焊縫兩側板料性能及板料厚度一般存在差異，這會導致拼焊板零件在沖壓成形的過程中發生各種問題。減少激光拼焊板零件沖壓成形過程中焊縫的偏移量，提高零件的成形性，是非常重要的課題。本文主要關注零件產品本身的設計，通過實際調研及仿真模擬分析，在板料厚度差異、零件強度需求、焊縫偏移量及成形性之間找到一種平衡，從而為激光拼焊板零件產品設計提供參考依據，提高拼焊板零件產品的設計質量，提高工藝性，少走彎路。

激光拼焊板零件在汽車行業的應用

汽車覆蓋件采用激光拼焊板，可以給汽車制造業帶來顯著的經濟效益，有利于整車零件數量減少，簡化點焊工藝，提高車身零件尺寸精度，減少質量問題的發生概率，材料厚度的可變性還可以滿足車身重要位置對強度的要求。

但是，由于拼焊板焊縫兩側材料強度及性能存在差異，會引起拼焊板在沖壓成形過程中材料流動和變形的不均勻、不協調，進而會給沖壓成形的整個過程帶來一定困難，容易導致一系列的質量缺陷。這些缺陷主要表現在由于焊縫不均勻移動或者扭曲變形，導致的起皺條件改變、零件變薄率增加、焊縫附近板料成形性能降低、板料彎曲變形不均勻等。另外，如果焊縫的偏移量過大，還會導致成形后零件的強度及沖孔不符合設計的初衷，表現在實車碰撞強度下降，沖孔所在位置的板料薄厚與實際設計零件產品不一致，影響后續安裝及密封，還可能造成沖頭折斷、漏水等問題。

本文調研的對象是國內外主流的汽車廠家，統計目前在產車型前后車門內板材質及板料厚度的應用情況，見表1。目前，國內外汽車廠家車門內板使用拼焊板的比例還是比較高的，部分不使用拼焊板的車門內板，在車門鉸鏈側增加了加強板，需要增加焊裝工位，且不利于車門總成尺寸控制。車門內板的材質主要是DC06，適合深拉延及復雜的成形，拼焊板薄厚側大都使用相同材質，薄板料最薄能達到0.65mm，厚板料最厚能達到1.53mm，各種情況都有使用。本文以下內容將從理論層面出發，展現拼焊板的不同板料厚度組合在沖壓成形過程中的表現特點。

表1 車門內板材質及料厚使用情況統計表

創建模擬仿真分析實驗模型

由于金屬板料的沖壓成形理論是相通的，本文將設計方盒形零件為實驗模型，基于汽車行業主流的仿真分析軟件AUTOFORM 來建立仿真分析數據模型，材料采用DC06，分析拼焊板不同板料厚度組合，在沖壓成形過程中的焊縫偏移及成形性等。

沖壓成形仿真分析模型如圖1 所示，具體參數如下：1.4mm、0.7mm/1.6mm，。

圖1 方盒形件沖壓成形仿真分析實驗模型

數據模擬仿真分析結果分析

在相同的分析參數設置狀態下，對四種拼焊板板料厚度組合進行仿真分析，得到仿真分析結果，拉延成形到底流入量狀態，如圖2 所示。

圖2 拉延成形到底流入量狀態

⑴盒形件深度為200mm，側壁拔模角度為7°，側壁設計兩級臺階造型，因深度較深，設計臺階造型是為了防止側壁起皺，盒形件頂面設計深度為15mm的凹形，增加零件局部剛度。

⑵周圈設置圓形拉延筋，直段位置拉延筋高度為4mm，進出R 角為3mm。

⑶壓邊力為100t，摩擦系數為0.15，薄板料尺寸為780mm×1480mm，厚板料尺寸為720mm×1480mm。

⑷分四種情況對拼焊板板料厚度組合進行仿真分析，分別為0.7mm/1.0mm、0.7mm/1.2mm、0.7mm/

從此次模擬仿真結果來看，隨著料厚差的增加，薄板側流入量逐漸增大，厚板側流入量逐漸減小，料厚差越大，薄厚板兩側的流入量差距越大，料厚差每變化0.2mm，薄板側流入量大概增加30mm，厚板側流入量大概減少30mm。但是，從(a)組合到(b)組合，薄板側的流入量只增加約13mm，從(b)組合到(c)組合，厚板側的流入量減少了約40mm，說明對于該種拼焊板材料來說，板料厚度組合0.7mm/1.2mm的板料厚度差異對流入量的影響適中，超過了這種料厚差，板料流入量容易出現激變，薄厚板兩側流入量的差異數值也成倍數的增加，加重了板料流動的不均勻性和不穩定性。

拉延成形到底時，各種板料厚度組合的焊縫偏移狀態，如圖3 所示，其中測量出了中間位置最大的焊縫偏移量。拼焊板主面位置的焊縫是向厚板側偏移，這是因為主面位置板料受拉應力的作用，薄板料的抗拉能力低于厚板料，所以會出現薄板料被拉向厚板料的情況。另外，隨著料厚差的增大，焊縫的偏移量也在逐漸增大，(a)組合到(b)組合之間焊縫的最大偏移量大了三十多毫米，而(b)組合、(c)組合及(d)組合之間焊縫的最大偏移量分別大了四十多毫米。從焊縫偏移的數值來看，0.7mm/1.2mm 的料厚差，焊縫的理論偏移量在可承受的范圍內，實際應用中可以通過工藝手段來平衡焊縫的部分偏移，但是如果理論的焊縫偏移量過大，單純依靠工藝手段是無法達到目的的，因為會增加實際的調試難度，帶來其他問題。

圖3 拉延成形到底焊縫偏移狀態

圖4 拉延成形到底焊縫附近Max Failure

拉延成形到底，焊縫附近的成形性，即Max Failure 指標，如圖4 所示?？梢钥闯?，隨著板料厚度差的增大，焊縫附近薄板側的成形性逐漸降低，開裂風險加劇。這是由于板料厚度差變大時，焊縫的偏移量過大，會造成薄板料的變形量過大，并且厚板料的變形量不足，板料成形非常的不均勻，這種情況會導致嚴重的開裂、起皺等成形問題，并且還會影響整體零件產品的強度及尺寸精度。從此次模擬仿真來看，0.7mm/1.2mm 的板料厚度差，接近沖壓成形性變差的臨界位置。

結束語

拼焊板沖壓成形過程中的流入量、焊縫偏移狀態及成形性跟板料的厚度差異息息相關，從理論層面上來講，板料厚度差異越小越有利于成形及調試，但是板料厚度差異過小，拼焊板的優勢無法突顯，也不符合應用需求。因此，在實際的零件產品設計中，根據板料的變形原理及參照國內外主機廠的做法，還是要適當控制拼焊板薄厚板的料厚差，盡量不要超過薄板料的料厚。另外，還要盡量考慮采用工藝手段來減少拼焊板板料厚度差異帶來的影響，例如調整薄厚板側的拉延筋系數來平衡流入量，調整初始板料的焊縫位置來使實際產品的焊縫更加接近理論產品的焊縫等。