O形件高強(qiáng)鋼拼焊板焊縫沖壓開裂問題的研究

文/楊大宇，倪剛，孫小會(huì)，曲科宇·一汽轎車股份有限公司

O形件高強(qiáng)鋼拼焊板焊縫沖壓開裂問題的研究

文/楊大宇，倪剛，孫小會(huì)，曲科宇·一汽轎車股份有限公司

本文利用CAE模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試相結(jié)合，分析O形件高強(qiáng)鋼拼焊板焊縫開裂的原因，針對(duì)不同原因給出相應(yīng)的解決方案。通過驗(yàn)證，找到O形件高強(qiáng)鋼拼焊板焊縫開裂的主要原因，并給出有效的解決措施，同時(shí)也為類似零件設(shè)計(jì)或類似問題的解決給出解決方法或參考建議。

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，在整車上突出安全性和輕量化設(shè)計(jì)。采用不等厚高強(qiáng)板激光拼焊板和全封閉結(jié)構(gòu)，能有效的提高整車側(cè)碰撞能力及輕量化效果，并優(yōu)化零部件匹配狀態(tài)。在此背景下，全封閉高強(qiáng)板激光拼焊的整體側(cè)圍加強(qiáng)板設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，但在沖壓生產(chǎn)過程中，零件的開裂始終是困擾制件合格率的難題，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，本文通過分析整體側(cè)圍加強(qiáng)板零件焊縫開裂產(chǎn)生的原因、解決措施，積累了高強(qiáng)板不等厚激光拼焊板、全封閉結(jié)構(gòu)沖壓件在生產(chǎn)過程中焊縫開裂問題的解決思路。

產(chǎn)品信息

側(cè)圍加強(qiáng)板零件的形狀比較復(fù)雜，是四周全封閉的O形高強(qiáng)鋼拼焊板零件。傳統(tǒng)車型A、B柱深度小于70mm，本文所研究的對(duì)象A柱深度78mm、B柱深度73mm。毛坯板料采用全封閉不等厚高強(qiáng)度板激光拼焊，拼焊后通過沖壓成形，拼焊板最高強(qiáng)度為TR380/590，制件尺寸為1453×1245(mm×mm)，重量為12.6kg。整體側(cè)圍激光拼焊加強(qiáng)板零件信息圖如圖1所示。

圖1 整體側(cè)圍加強(qiáng)板零件信息圖

工藝分析

制坯過程包括開卷落料、激光拼焊，成形過程包括拉延成形、斜楔修邊沖孔、整形修邊沖孔和修邊沖孔共四序，整個(gè)工藝過程如圖2所示，本文重點(diǎn)對(duì)拉延工序進(jìn)行分析。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段即對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行沖壓工藝同步分析，最初產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，焊縫分割靠近產(chǎn)品拐角處圓弧的位置，通過CAE分析，由于此零件需要控制回彈及零件成形的穩(wěn)定性，造成邊界調(diào)整的空間比較小，在零件下部凹圓角焊縫位置產(chǎn)生開裂，產(chǎn)品CAE分析圖如圖3所示。通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料流動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)，零件的深度(H)、拐角處圓角(R)的大小及焊縫距拐角圓弧的距離(L)三個(gè)因素對(duì)焊縫開裂產(chǎn)生影響。通過不同設(shè)計(jì)條件下的CAE分析，得出三者對(duì)焊縫開裂的影響規(guī)律。針對(duì)TR380/590級(jí)別的高強(qiáng)鋼，當(dāng)L＞75R/H時(shí)，成形過程中可以避免焊縫開裂，其中L為拼焊縫距拐角圓弧的距離，R為拐角圓弧的大小，H為拐角處產(chǎn)品的高度，如圖4所示。

圖2 工藝過程圖

圖3 CAE分析圖

圖4 L、H、R位置示意圖

R角的大小及H的高度對(duì)車身結(jié)構(gòu)功能有影響，L的距離對(duì)車身強(qiáng)度有影響，產(chǎn)品依據(jù)工藝的反饋對(duì)加強(qiáng)板的角部結(jié)構(gòu)及焊縫的分割進(jìn)行優(yōu)化。在保證L＞75R/H的前提下，側(cè)圍加強(qiáng)板深度增加10mm左右，角部R約95mm，從圖5的CAE分析結(jié)果可以看出，垂直焊縫切向應(yīng)變值最大分別為①0.295、②0.163、③0.236。從圖6的FLD圖中可以看到，應(yīng)變最大的點(diǎn)都在安全區(qū)間內(nèi)。

圖5 CAE分析應(yīng)變圖

圖6 FLD圖

調(diào)試生產(chǎn)驗(yàn)證

在模具廠家調(diào)試階段，嚴(yán)格按照CAE分析時(shí)材料的流動(dòng)狀態(tài)控制材料流動(dòng)，實(shí)際的材料流動(dòng)量與CAE分析基本一致，調(diào)試后拼焊縫未產(chǎn)生開裂。側(cè)圍加強(qiáng)板模具在返廠后進(jìn)行批量驗(yàn)證時(shí)，凹圓角附近焊縫多處出現(xiàn)開裂問題，現(xiàn)場(chǎng)零件缺陷圖如圖7所示。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模具廠家調(diào)試用板料是通過方料拼焊后激光切割出來的，相鄰兩塊鋼板拼焊位置過渡平整，沒有內(nèi)凹缺陷產(chǎn)生；而模具返廠后用板料是由5塊板料經(jīng)過排樣沖裁后再拼焊在一起的，相鄰兩塊鋼板激光拼焊處存在5mm填充不飽滿區(qū)域及段差（圖8），這樣就使得拉延成形過程中，焊縫位置存在應(yīng)力集中，產(chǎn)生開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)零件缺陷圖

圖8 模具返廠后板料焊縫狀態(tài)

通過對(duì)與現(xiàn)場(chǎng)板料狀態(tài)相似的焊縫端部板料邊界（圖9）進(jìn)行CAE模擬分析，分析結(jié)果如圖10所示，在凹圓角附近焊縫發(fā)生開裂，與實(shí)際批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的開裂位置一致。同時(shí)經(jīng)過與鋼廠確認(rèn)，此區(qū)域發(fā)生的開裂是激光拼焊工藝產(chǎn)生的固有缺陷無法消除，符合歐洲激光拼焊標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 模擬焊縫端部板料邊界放大圖

圖10 CAE分析結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)激光拼焊板料進(jìn)行人工打磨焊縫位置，將焊縫端頭5mm處不飽滿區(qū)域打磨掉，同時(shí)將打磨處板料線圓滑過渡。通過生產(chǎn)驗(yàn)證，開裂問題消除。但由于打磨對(duì)環(huán)境造成污染，打磨下來的屑料污染設(shè)備，成形過程會(huì)加速模具TD層的磨損，且人工打磨焊縫端頭存在打磨狀態(tài)不一致等問題，需要制定行之有效的解決方案。最后通過增加一套焊縫端頭沖裁落料模具，將焊縫端頭5mm處不飽滿區(qū)域沖裁掉。經(jīng)過大批量驗(yàn)證，徹底解決焊縫端頭開裂問題，如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)零件圖片

結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，成功解決O形件高強(qiáng)鋼拼焊板焊縫開裂問題。同時(shí)給出了拼焊縫沖壓開裂問題的分析及解決方法，以及為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試或生產(chǎn)的類似問題給出解決思路。

⑴針對(duì)O形零件TR380/590級(jí)別的高強(qiáng)鋼拼焊板，零件成形時(shí)角部垂直于焊縫的切向應(yīng)變值較大，需要拼焊板斷面有足夠的抗切向應(yīng)力能力，以免造成邊界撕裂。高強(qiáng)鋼的擴(kuò)孔率偏低，在拐角位置成形沒有問題的情況下，要保證L＞75R/H關(guān)系，可以避免焊縫開裂。

⑵在激光拼焊位置存在5mm焊接不飽滿區(qū)和段差，導(dǎo)致O形件在圓弧處焊縫開裂敏感性增加，焊接不飽滿區(qū)是目前激光焊接工藝固有的缺陷，無法消除，因此，在O形件高強(qiáng)鋼拼焊板零件設(shè)計(jì)時(shí)，焊縫位置靠近圓角區(qū)無法避免，工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮增加焊后沖裁工序，將5mm不飽滿焊縫區(qū)沖掉，從而解決激光拼焊縫開裂問題。

楊大宇，工程師，技術(shù)部沖壓技術(shù)科側(cè)圍組組長(zhǎng)，主要從事汽車大型覆蓋件沖壓模具的設(shè)計(jì)開發(fā)及生產(chǎn)準(zhǔn)備工作。