激光拼焊板在車身輕量化中的應(yīng)用

郁光朋

摘 要：目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對汽車的需求會越來越強(qiáng)烈，但考慮到環(huán)境環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，汽車空氣污染不容忽視。激光焊接技術(shù)已經(jīng)伴隨汽車行業(yè)走過近40個年頭，而且汽車輕量化設(shè)計水平在進(jìn)一步提升，相應(yīng)的對其連接技術(shù)也帶來了更大的挑戰(zhàn)和更高的要求。本文基于激光拼接板技術(shù)，將分析其在車身輕量化中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：激光焊接 拼焊板 輕量化 應(yīng)用

1汽車車身輕量化設(shè)計及評定

汽車質(zhì)量每減輕10%，燃油經(jīng)濟(jì)性可改善6%-8%，而污染物排放將減少5%-6%。因此伴隨著全球能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的主題，汽車輕量化成為必然的發(fā)展趨勢。對于汽車構(gòu)造，車身是主要的結(jié)構(gòu)部件，主要用來支撐汽車動力裝置和各種輔助部件。通過車身輕量化技術(shù)，可實現(xiàn)更高的單位能源利用效能，大幅降低能耗與廢氣排放，故此汽車車身輕量化成為當(dāng)今汽車行業(yè)研究的熱門課題。

2激光焊接技術(shù)

傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)，通常對車身質(zhì)量影響不大。但CO2保護(hù)焊的使用，則對車身質(zhì)量影響較大。因此要求其本體前后兩段料厚不一致。如采用激光拼焊技術(shù)，將前縱梁內(nèi)板前段與后段焊接成一體，進(jìn)行沖壓，制成一個零件，從而減少焊接搭邊及工裝器具，能夠達(dá)到有效降低成本，減輕零件質(zhì)量的目地。

激光焊接是目前在汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的一種新技術(shù)，正在越來越多的被使用。相對于傳統(tǒng)的電子束焊接，激光焊接擁有很大的技術(shù)和成本優(yōu)勢，其代替電子束焊接的趨勢正在得到整個行業(yè)的認(rèn)可。從應(yīng)用來看，激光焊接的優(yōu)勢十分明顯，主要表現(xiàn)在三個方面：

（1）減輕車身質(zhì)量。在汽車結(jié)構(gòu)件上采用激光拼焊板，使不同材料和厚度組合，可以簡化車身結(jié)構(gòu)，減少加強(qiáng)件，在保證相同強(qiáng)度的情況下，降低整備質(zhì)量，從而減少汽車油耗。

（2）原材料利用率提高。通過在車身特定部位使用高強(qiáng)度厚板材，并通過落料排料技術(shù)，將不同材料合理組合，使材料使用率大大提高，減少廢料，達(dá)到環(huán)保目的。

（3）減少汽車零部件數(shù)量。提高轎車車體結(jié)構(gòu)精度，可以縮減許多沖壓設(shè)備和加工工序。通過使用激光拼焊技術(shù)，將材料的強(qiáng)度、厚度進(jìn)行合理組合，可大大改善結(jié)構(gòu)剛度。

3激光拼焊板工藝在車身定量化中的應(yīng)用

激光焊接過程中，光束焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)是最關(guān)鍵的控制工藝參數(shù)之一，在一定激光功率和焊接速度下，通過專門的夾緊裝置固定板料的位置，通過調(diào)整使激光焦點(diǎn)處于最佳位置范圍，從而獲得最大熔深和最佳焊縫形狀。

依據(jù)車身部分的設(shè)計要求和實際性能需要，對車身部位及拼接板進(jìn)行規(guī)劃，在保證車身重要截面部位的強(qiáng)度達(dá)到均衡的基礎(chǔ)上，科學(xué)運(yùn)用薄板材料的物化能力，促進(jìn)焊縫更加具有適宜性，同時當(dāng)沖壓過程中遭受較小的拉應(yīng)力，最大化利用材料，從而提升整體材料的應(yīng)用效率，避免材料過多消耗。而且，在搭接過程中需要重視拼板連接的精度，并防止焊縫處于沖壓過程中拉應(yīng)力最強(qiáng)值的位置。

首先，把金屬板材或者金屬帶材裁剪成預(yù)定尺寸及形狀的板件。這項工作主要是在沖壓機(jī)上或沖剪機(jī)上完成的（也有采用激光、液壓砂輪切的），從而保證了必要的裁剪精度及良好的切邊質(zhì)量，而這些對下一步激光拼焊尤為童要（實現(xiàn)無縫隙對接）。

其次，激光拼焊。在激光拼焊時，既要保證良好的經(jīng)濟(jì)性，還要保證整個焊縫均衡，并具有較好塑性，即沖壓形變能力，焊縫輕度不低于被焊接材料中較軟材料的強(qiáng)度。

再次，檢驗拼焊板。該步驟利用了材料厚度較小的特點(diǎn)，并且深刻影響了后續(xù)深拉工序。對激光拼焊板（0.8～1.5mm厚）焊縫缺陷，可以用電磁聲學(xué)法檢測出來（使用橫向偏振平面波），當(dāng)然也可以用微焦點(diǎn)X光透視等傳統(tǒng)方法來檢測。對拼焊板的檢驗還包括對焊縫、焊區(qū)物理-力學(xué)性能的實驗研究。

4激光拼焊板在天窗加強(qiáng)框上的應(yīng)用案例分析

4.1案例概況

傳統(tǒng)全景天窗加強(qiáng)框零件由4個零件焊接而成，見圖1，其中兩個為對稱件（圖1b），材料均為寶鋼B340LA，料厚為1.5mm，焊接后總質(zhì)量約為10.05kg，焊接后整體尺寸為1715mm×1076mm×20mm。

4.2激光拼焊板方案設(shè)計

基于成本及工藝最優(yōu)化的原則，將4個零件進(jìn)行兩兩組合成形，一出二形式。兩塊坯料的尺寸分別為：1690mm×1260mm，1220mm×700mm，坯料總質(zhì)量約22.5kg，材料利用率為10.04kg/22.5kg=44.6%。

根據(jù)工藝設(shè)計經(jīng)驗，考慮零件品質(zhì)及模具成本，兩套組合件工藝規(guī)劃均可設(shè)計為OP10：拉延；OP20：修邊、沖孔；OP30：修邊、沖孔；OP40：翻邊、整形、分切；需8副模具，模具總質(zhì)量約50t左右。

4.3應(yīng)用效果分析

（1） 激光擠焊板全景天窗加強(qiáng)框降低了模具成本及零件生產(chǎn)成本。模具工序數(shù)由8副減少為4副，質(zhì)量減少8t左右，由此減少了一次性模具工裝成本。同時，非拼焊天窗加強(qiáng)框每臺車坯料成本約162.2元，激光拼焊整體式天窗加強(qiáng)框每臺車坯料成本約為153.4元，每臺車節(jié)約了8.8元成本。另外，省去了焊接產(chǎn)生的費(fèi)用。因此，激光拼焊的整體式天窗加強(qiáng)框在成本上比傳統(tǒng)單件焊接有優(yōu)勢。

（2） 整體式全景天窗加強(qiáng)框去除了零件搭接部分，總質(zhì)量減少了1.17kg，有效地減輕車身自重，達(dá)到輕量化的目的。

（3） 整體式天窗加強(qiáng)框無需焊接，減少了由于零件搭接累積公差可能引起的碰撞異響或車身縫隙，進(jìn)一步提高了整車的精致工藝。為后續(xù)汽車結(jié)構(gòu)及制造工藝設(shè)計提供了一種參考方案，可以延伸到其他車身模塊的設(shè)計。

結(jié)語：

綜上所述，激光焊接是利用高能量密度激光束作為熱源來實現(xiàn)同種以及異種材料間冶金結(jié)合的一種高效、優(yōu)質(zhì)連接工藝。汽車車身的輕量化發(fā)展仍在不斷深入，激光拼接板的應(yīng)用也應(yīng)順勢而為，開發(fā)出適應(yīng)新時代需求的工藝技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張林陽，張敏，高建昊，劉春柏，宋慶軍，范艷軍.激光焊接技術(shù)在乘用車制造中的應(yīng)用及發(fā)展動態(tài)[J].汽車工藝與材料，2016（08）：6-11.