一體式熱成型激光拼焊門環(huán)在汽車上的應(yīng)用

董昊 程建勇 李林梅 周坤 趙健

摘? 要：運(yùn)用新的工藝技術(shù)是輕量化的重要手段之一。本文簡(jiǎn)述了一體式熱成型激光拼焊門環(huán)在某車型上的成形工藝和具體應(yīng)用，并校核了門環(huán)的強(qiáng)度。門環(huán)成形運(yùn)用了熱成型激光拼焊技術(shù)，在生產(chǎn)上節(jié)約了模具設(shè)計(jì)及制造成本，而且實(shí)現(xiàn)了輕量化，門環(huán)減重超過10%。

關(guān)鍵詞：輕量化;熱成型;激光拼焊;門環(huán)

中圖分類號(hào)：U463.82+1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）01-0067-04

Abstract： The application of new technology is one of the important means of lightweight. In this paper， the forming technology and application of integrated thermoforming laser welding door ring in a certain model are briefly described， and the strength of the door ring is checked. The hot forming laser welding technology is used in the forming of door ring， which saves the cost of design and die reduces the energy consumption of production， and realizes lightweight， and the weight loss of door ring is over 10%.

Key Words： Lightweight; Hot Forming; Laser Welding; Door Ring

1? ? 引言

目前汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，消費(fèi)者對(duì)于汽車的要求也越來越高，尤其在燃油經(jīng)濟(jì)性及整車性能方面，因此，汽車車身設(shè)計(jì)顯得尤為重要，既要保證足夠的剛強(qiáng)度和安全性能，又不能使車身質(zhì)量較重[1，2]。研究表明：汽車的燃油消耗與汽車的自身重量成正比，汽車質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗就降低0.6%-1.0%，所以體現(xiàn)汽車輕量化在節(jié)能減排方面的重要性。

汽車輕量化方法包含結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化、工藝輕量化;本文介紹工藝輕量化中的激光拼焊和熱成型，通過材料及料厚的優(yōu)化，激光拼焊門環(huán)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)整車輕量化的同時(shí)具有最佳的碰撞性能及材料的利用率[3]。

2? ? 門環(huán)設(shè)計(jì)與分析

從環(huán)狀結(jié)構(gòu)對(duì)車身性能影響的程度，可以將車身分為四類共計(jì)16個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)：耐久環(huán)、剛度環(huán)、吸能環(huán)、安全環(huán)，如圖1和圖2所示：

按照“木桶理論”，提高非薄弱處的剛度不會(huì)有效增加整體剛度或者說適當(dāng)減少非薄弱處的剛度不會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)整體剛度，一體式熱成型激光拼焊門環(huán)由不同厚度、不同材料、不同鍍層的板料通過激光拼焊的工藝組合而成，并一次沖壓熱成型，使得材料與環(huán)狀結(jié)構(gòu)的匹配發(fā)揮出最佳的性能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了合適的材料使用在合適的地方，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

3? ? 材料選擇與不等厚設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)門環(huán)的輕量化設(shè)計(jì)，增加其實(shí)用性，本文提到的一體式熱成型激光拼焊門環(huán)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)方案相比需滿足下列3點(diǎn)要求：1、車身碰撞性能不降低或有所提升;2、門環(huán)重量至少降低5%;3、成本降低或不增加。

由于坯料需要良好的熱成型性能，所以需采用熱成型鋼，而且，坯料用于成形門環(huán)，需要較高的強(qiáng)度，因此在材料的選擇上，采用BR1500HS 熱成型鋼板。BR1500HS既可以提高防撞安全性，又可以實(shí)現(xiàn)白車身輕量化，能夠同時(shí)解決安全性能和輕量化的問題。BR1500HS在淬火前的屈服強(qiáng)度約為300MPa，抗拉強(qiáng)度約為600MPa;經(jīng)熱成型淬火后，BR1500HS的屈服強(qiáng)度約為1200 MPa，抗拉強(qiáng)度約為1500 MPa。通過多次優(yōu)化驗(yàn)算，最終一體式熱成型激光拼焊門環(huán)設(shè)計(jì)如圖3所示，共5個(gè)零件，從1至5分別為：1.側(cè)圍上梁加強(qiáng)板，厚度為1.8 mm;2.B柱加強(qiáng)板，厚度為1.8 mm;3. 門檻梁加強(qiáng)件，厚度為1.6 mm;4. A柱下加強(qiáng)板，厚度為1.7 mm;5. A柱上加強(qiáng)板，厚度為1.6 mm。

4? ? 性能分析

對(duì)采用傳統(tǒng)沖壓焊接工藝的門環(huán)和采用熱成型激光拼焊的門環(huán)分別進(jìn)行25%偏置碰撞分析驗(yàn)證，結(jié)果如圖4和圖5所示，從圖中可以看到，兩種門環(huán)在碰撞時(shí)，采用激光拼焊的車身駕駛艙的侵入量相對(duì)較小。

對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，采用熱成型激光拼焊工藝的門環(huán)在25%偏置碰撞中變形更小，表現(xiàn)出了更優(yōu)的安全性能。對(duì)比兩種工藝的門環(huán)，不同位置的侵入量如表1所示。

從表中可以看出一體式門環(huán)在A柱下鉸鏈、擱腳區(qū)、左側(cè)足板、轉(zhuǎn)向管柱、A柱上鉸鏈、上儀表板、左側(cè)儀表板位置的侵入量均有所減小，只有制動(dòng)踏板與門檻處的侵入量增大。

從上述結(jié)果可以看出，在上述碰撞分析中，采用激光拼焊方式連接的門環(huán)大部分位置的侵入量都要小于傳統(tǒng)工藝的門環(huán)，安全性能略優(yōu)于傳統(tǒng)門環(huán)。

采用傳統(tǒng)焊接方式連接的門環(huán)重量為15.77 kg，而使用激光拼焊方式連接的門環(huán)重量為13.96 kg，重量上降低了11.48%，超出了方案預(yù)定的目標(biāo)。激光拼焊方式連接的門環(huán)輕量化效果更好。

5? ? 工藝與成本

由于門環(huán)的不同位置對(duì)剛度和強(qiáng)度的要求不同，激光拼焊的坯料可以選擇不同厚度，不同材料和不同表面處理的鈑金進(jìn)行激光拼焊[4]。激光拼焊的工藝流程較為簡(jiǎn)單，主要流程包括：卷料開平激光切割激光焊接沖窩堆垛[5]。在激光拼焊的過程中，通過一定激光功率和焊接速度的激光將兩塊鋼板焊接成形。

熱成型工藝需要將激光拼焊后的坯料輸送到高溫爐中進(jìn)行加熱，坯料經(jīng)加熱后沖壓成形。另外，零件在高溫成形后迅速淬火冷卻，零件的成形回彈量極小，極大程度上提高了零件的精度，為成形零件后的后續(xù)焊接機(jī)裝配工藝打下了良好的基礎(chǔ)。

采用一體式熱成型激光拼焊工藝，激光拼焊是在沖壓前將厚度不同的板料拼焊在一起，省去了材料在零件搭接邊處的浪費(fèi)，節(jié)約了材料，降低了材料成本。具體成本如表2所示，熱成型鋼的費(fèi)用在7000元/噸左右，坯料重量約為20kg，單件費(fèi)用約120元;普通鋼板的價(jià)格在6000元/噸左右，坯料重量約為24kg，單件費(fèi)用約為131元。熱成型模具、夾具及檢具的費(fèi)用共計(jì)約550萬元，按照10萬件均攤單件零件價(jià)格為75元;傳統(tǒng)工藝模具、夾具及檢具的費(fèi)用共計(jì)約500萬元，按照10萬件均攤單件零件價(jià)格為50元。人工成本均為20元/人/小時(shí)，熱成型工藝需8個(gè)工人，每小時(shí)約80件，傳統(tǒng)工藝需36人，每小時(shí)約120件。

6? ? 總結(jié)

綜合考慮到工藝、成本和性能，一體式門環(huán)在各方面均體現(xiàn)出了自己的優(yōu)勢(shì)與競(jìng)爭(zhēng)力。一體式熱成型門環(huán)在性能方面保證了車身的強(qiáng)度與剛度，滿足了碰撞的要求。在工藝方面，門環(huán)采用熱成型和激光拼焊技術(shù)，兩種技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用提高了門環(huán)的成形質(zhì)量和成形率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了車身輕量化。在成本方面，新技術(shù)降低了設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛戩.熱成型技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車工藝與材料，2018（11）：25-31.

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[3]李紀(jì)雄.基于熱成型高強(qiáng)鋼板的車身結(jié)構(gòu)輕量化分析與優(yōu)化[D].廣州：華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2013.

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[5]黃維，王志娟，魯后國，張羽.激光拼焊板在車身輕量化中的應(yīng)用[J].汽車工藝師，2018（7）：12-15.