前縱梁激光拼焊板焊縫端部成形后開裂問題的解決

文/喬紅軍，魏龍·東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司

前縱梁激光拼焊板焊縫端部成形后開裂問題的解決

文/喬紅軍，魏龍·東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司

本文以轎車零件前縱梁為例，闡述了激光拼焊板焊縫端部在零件成形后產(chǎn)生開裂的原因，提出了相應(yīng)解決方案，并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

前縱梁是轎車車身結(jié)構(gòu)件中使用激光拼焊板的主要零件之一，通常有至少2種不同強度及料厚的鋼板經(jīng)激光拼焊組成。由于是通過焊縫連接，焊縫區(qū)域?qū)τ诹慵_壓成形過程中材料的流動會產(chǎn)生一定的影響，即便是在拼焊焊縫各項指標(biāo)檢驗均合格的情況下，在沖壓成形過程中，焊縫拼接結(jié)合處端頭也極易產(chǎn)生開裂。

工藝簡介

圖1所示零件是一款轎車前縱梁，該零件屬于轎車車身結(jié)構(gòu)件中重要的承載部件，零件板材是兩種高強度鋼板經(jīng)激光拼焊連接而成，材料牌號分別為DP780（料厚2.0mm）和DP600（料厚1.8mm）。毛坯材料是兩種牌號材料分別按工藝設(shè)計形狀進(jìn)行落料加工，再進(jìn)行激光拼焊而成，沖壓工藝為：OP10成形→OP20整形→OP30修邊沖孔→OP40斜楔修邊沖孔+翻邊，共4道工序組成，選用工藝設(shè)備為31000kN多工位壓力機。

該零件屬安全法規(guī)件，尺寸精度、質(zhì)量、功能要求都非常高，尤其是開裂問題，會對車身強度造成很大影響，直接影響到整車車體碰撞性能。

缺陷描述及產(chǎn)生原因分析

調(diào)試生產(chǎn)過程中，該零件的尺寸及穩(wěn)定性均可以滿足技術(shù)要求，但其拼焊焊縫接頭處，卻存在開裂情況，且發(fā)生比例較高。開裂具體部位如圖2圓圈區(qū)域所示。

圖1 前縱梁示意圖

圖2 開裂具體部位圖

經(jīng)過對原材料、生產(chǎn)設(shè)備工裝、制造工藝等方面進(jìn)行調(diào)研分析，基本明確造成拼焊縫處成形開裂的原因有以下幾種。

拼焊縫處毛坯料形狀設(shè)計存在應(yīng)力集中區(qū)域

兩種板材在焊縫拼接接口處的形狀設(shè)計，為近似于“直角”臺階形狀（圖3圓圈部位所示），此處2.0mm料厚材料在成形后，沿直角接口處邊線沒有修邊工藝內(nèi)容。直角臺階狀接口兩側(cè)料厚區(qū)域，在沖壓成形過程中，由于兩側(cè)材料流動所受摩擦力不均勻，導(dǎo)致拼焊焊縫兩側(cè)不同料厚的板料綜合受力不均勻，拼焊焊縫處產(chǎn)生拉應(yīng)力，在焊縫接頭處易形成應(yīng)力集中區(qū)，加之此處是該毛坯材料的應(yīng)力薄弱點，因此在成形后，焊縫接口處容易產(chǎn)生撕裂。

圖3 拼接接口布置圖

拼焊縫兩側(cè)受力不均

模具設(shè)計過程中，由于拼焊板兩種板材存在料厚差，通常需要在焊縫處不等厚模面一定范圍內(nèi)設(shè)定料厚空開面，空開面向料薄的一側(cè)設(shè)計，壓料面空開相應(yīng)較大，凸凹模工作區(qū)域?qū)?yīng)處相應(yīng)較小，一般10mm左右。如圖4所示。

圖4 拼接板凹凸模布置圖

該零件沖壓首序為成形工藝，沒有設(shè)計沿周壓料面，加之零件毛坯為非對稱形狀，且模具初定位為沿周的若干個外形定位擋塊，故在材料塑性變形過程中，焊縫的位置沒有相對嚴(yán)格的約束，往往在塑性變形一開始，拼焊縫就已產(chǎn)生偏移，并且當(dāng)拼焊縫發(fā)生偏移后，作用在板料上的壓力就會產(chǎn)生變化，同時導(dǎo)致這兩種不同料厚的板料變形時產(chǎn)生不同的摩擦力。在兩側(cè)不對稱的摩擦力作用下，焊縫內(nèi)部產(chǎn)生不對等的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過失穩(wěn)極限時，導(dǎo)致最易開裂的焊縫端部開裂。

拼焊縫端部焊縫不飽滿

兩種不同料厚的板材拼焊時，起焊和收尾時，如果工藝處理不當(dāng)，則形成的焊縫相對就不飽滿（圖5），甚至屬于沒有完全完成焊接，導(dǎo)致拼焊縫端部的焊接強度不足，此時，經(jīng)沖壓塑性變形的板材，在端部易產(chǎn)生開裂。

圖5 不飽滿焊縫示意圖

解決措施

優(yōu)化拼焊縫處毛坯料形狀設(shè)計

對拼焊板焊縫處毛坯的輪廓外形進(jìn)行優(yōu)化，將焊縫結(jié)合處“直角”臺階形狀優(yōu)化為圓弧過渡（圖6），使得此區(qū)域在沖壓成形過程中更加有利于不同料厚兩側(cè)受力的平衡，降低開裂的風(fēng)險。同時，優(yōu)化沖壓工藝內(nèi)容，在后序修邊工序的模具上將修邊刃口加長，將經(jīng)過圓弧處理的區(qū)域做精修處理，滿足最終產(chǎn)品特性要求。

圖6 圓弧過渡示意圖

優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，增加精準(zhǔn)定位

對毛坯定位進(jìn)行優(yōu)化，在毛坯料片上增加2個半圓形缺口，模具相應(yīng)位置增加2處定位擋銷（圖7）。這樣一來，在新增的2處缺口定位以及原有的外形定位共同作用下，毛坯片料可以進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保證了拼焊焊縫在塑性變形初期的位置不發(fā)生偏移，同時，也有效地控制了沖壓成形后拼焊焊縫的偏移量。

優(yōu)化拼焊工藝，保證焊縫端部飽滿

優(yōu)化激光拼焊工藝參數(shù)，調(diào)整拼焊始末時激光焊接的速度、角度，同時增加原有焊縫的實際焊接長度，保證焊縫首、尾端部飽滿，保證焊縫首尾的強度，避免在沖壓成形的過程中在此薄弱區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，超極限而產(chǎn)生開裂。優(yōu)化后的拼焊焊縫端部如圖8圓圈位置所示。

通過以上三項具體措施的實施，并通過實際驗證，成功解決了前縱梁激光拼焊板焊縫端部在成形后開裂的問題。

圖7 毛坯定位圖

圖8 優(yōu)化后的拼接焊縫端部

結(jié)束語

本文以采用成形工藝的前縱梁為例，對拼焊板焊縫在成形過程中開裂的原因進(jìn)行了分析，并提出了切實可行的解決措施。同時通過實踐，成功地解決了實際問題，為今后類似零件、類似問題的解決起到了指導(dǎo)作用。