超高強(qiáng)度鋼板激光拼焊熱成形零件關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

文/沈海平·東風(fēng)商用車有限公司

目前在熱成形領(lǐng)域中，大多數(shù)成形工藝均為單板成形，為了達(dá)到提高零件局部強(qiáng)度的目的，通常采用先將兩個(gè)或多個(gè)零件分別單獨(dú)成形，之后再通過(guò)固點(diǎn)焊接將其固定貼合在一起。但是，零件成形后再焊接，由于鍍層等表面雜質(zhì)的影響，容易出現(xiàn)虛焊，焊接強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)等質(zhì)量問(wèn)題。另外，多個(gè)零件單獨(dú)成形后再焊接，相當(dāng)于需要多道工序去完成一個(gè)成品零件，所需時(shí)間較長(zhǎng)、工序繁瑣、工裝投入數(shù)量多、成本更高。

為了達(dá)到輕量化和更加適配側(cè)碰的需求，保證在做到輕量化的同時(shí)也能做到車身安全性的提高，可以采用激光拼焊技術(shù)，將不同料厚不同材質(zhì)的鋁硅鍍層材料拼焊起來(lái)，拼焊材料經(jīng)過(guò)加熱爐加熱，熱成形模具沖壓，保壓淬火后，得到我們需要的不同強(qiáng)度的熱成形零件。

該零件可使需要高強(qiáng)度部位屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能顯著提高,達(dá)到可以承受更大的撞擊力的效果,同時(shí)也可使需要低強(qiáng)度部位擁有較低屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，在碰撞時(shí)達(dá)到吸能和潰縮的作用，兩者方式的結(jié)合能夠有效地提高汽車的碰撞安全性能，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。

拼焊板零件原材料介紹

熱成形拼焊板零件由于需要在同一零件上實(shí)現(xiàn)其一部分區(qū)域強(qiáng)度高達(dá)1500MPa，起到加強(qiáng)作用，另一部分強(qiáng)度只需達(dá)到600MPa，起到吸能和潰縮作用。故原材料由22MnB5和6Mn6兩種不同材料拼焊而成，其中22MnB5材料的金相組織由鐵素體+珠光體經(jīng)加熱轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體最終經(jīng)快速冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，具有1500MPa級(jí)超高強(qiáng)度的特性，金相組織如圖1所示。

圖1 22MnB5材質(zhì)材料的金相組織

6Mn6材料經(jīng)加熱、快速冷卻后，金相組織不會(huì)由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，故其機(jī)械性能不會(huì)發(fā)生較大變化，最終形成具有600MPa強(qiáng)度的特性。

熱沖壓激光拼焊原理及工藝

熱成形零件定制化生產(chǎn)，激光拼焊工藝可以將22MnB5和6Mn6兩種不同材質(zhì)的熱成形板料通過(guò)激光拼焊在一起，整體一起加熱成形，最終得到不同區(qū)域、不同強(qiáng)度的功能。圖2為汽車中支柱加強(qiáng)板零件，圖示標(biāo)注22MnB5及6Mn6區(qū)域均通過(guò)對(duì)模具該位置的鑲塊進(jìn)行水道加工，連接水冷系統(tǒng)，22MnB5區(qū)域由于材料經(jīng)過(guò)快速冷卻后使原材料由加熱轉(zhuǎn)變的奧氏體均轉(zhuǎn)化為馬氏體，形成高強(qiáng)區(qū)，機(jī)械性能要求為抗拉強(qiáng)度1300～1650MPa，屈服強(qiáng)度1000～1400MPa，延伸率A50≥6%，硬度410～520HV。

圖2 汽車中支柱加強(qiáng)板零件

6Mn6區(qū)域由于材料特性，在冷卻過(guò)程中不產(chǎn)生馬氏體從而形成低強(qiáng)度區(qū)域，機(jī)械性能要求為抗拉強(qiáng)度520～700MPa，屈服強(qiáng)度340～470MPa，延伸率A50≥17%，硬度162～215HV。

熱成形拼焊板實(shí)物工藝實(shí)施

CAE分析

⑴CAE模擬參數(shù)設(shè)置：加熱料片摩擦系數(shù)、鑲塊表面溫度、料片加熱溫度、加熱時(shí)長(zhǎng)、冷卻速率、保壓時(shí)間、壓機(jī)運(yùn)行速度、壓力大小等，這些參數(shù)需和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合，才能確保模擬的準(zhǔn)確性。

⑵工具體設(shè)置：主要涉及工藝過(guò)程中上模、下模、壓料芯、壓料塊的分布，如圖3所示。

圖3 汽車中支柱加強(qiáng)板零件CAE模擬分布圖

⑶模擬結(jié)果分析，根據(jù)CAE模擬結(jié)果可有效分析零件成形過(guò)程中皺紋及減薄情況的分布如圖4所示。

圖4 零件成形過(guò)程中皺紋及減薄情況

減薄判定標(biāo)準(zhǔn)：減薄率-15%以上屬于高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，需提前修改產(chǎn)品或工藝。

起皺評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：料厚增厚5%以上屬于高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，需提前修改產(chǎn)品或工藝，同時(shí)需動(dòng)態(tài)成形過(guò)程中料片狀態(tài)。

⑷料厚分布介紹，熱成形拼焊板零件拼焊方式及拼焊線位置，如圖5所示。

圖5 熱成形拼焊板零件拼焊方式及拼焊線位置

實(shí)物拼焊過(guò)程介紹

為了更好理解工藝過(guò)程，簡(jiǎn)要說(shuō)明熱沖壓模具結(jié)構(gòu)的具體工作過(guò)程和原理，熱成形模具激光拼焊板沖壓過(guò)程中，首先上模壓料芯5壓住整個(gè)板料（區(qū)域1、2和3），如圖6所示。之后，上模鑲塊4、6下壓板料與下模壓料芯8、9接觸，上模鑲塊4、6與下模壓料芯8、9一起下壓板料，完成成形過(guò)程，如圖7所示。

實(shí)施效果驗(yàn)證

該成形工藝可以實(shí)現(xiàn)零件不同區(qū)域機(jī)械性能不同的要求，降低工裝制造成本，成為超高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。機(jī)械性能檢測(cè)點(diǎn)如圖8所示，機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表1，硬度檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

圖6 激光拼焊板熱成形零件示意圖

圖7 熱沖壓模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 零件機(jī)械性能檢測(cè)示意圖

表1 機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果（硬度取樣在機(jī)械性能取樣旁取小方塊）

結(jié)束語(yǔ)

熱成形激光拼焊零件成形技術(shù)的研發(fā)成功，不僅完善了東風(fēng)商用車的熱成形生產(chǎn)工藝，同時(shí)也填補(bǔ)了東風(fēng)公司在熱成形激光拼焊工藝及生產(chǎn)線上的空白，更是打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，不僅從設(shè)備、工裝上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，大大降低了生產(chǎn)成本的投入，同時(shí)也最大化縮短了開(kāi)發(fā)周期，該項(xiàng)目新增投資一條熱成形生產(chǎn)線，年產(chǎn)量共380萬(wàn)件，產(chǎn)值3億元，利稅5000萬(wàn)元。通過(guò)熱成形研發(fā)，有效的帶動(dòng)并實(shí)現(xiàn)模具、夾具、檢具、端拾器相關(guān)工裝的國(guó)產(chǎn)化。通過(guò)熱成形技術(shù)的工業(yè)化運(yùn)用，能有效地促進(jìn)國(guó)內(nèi)熱成形相關(guān)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)熱成形鋼材行業(yè)也能實(shí)現(xiàn)有效地拉動(dòng)。