高強(qiáng)度不等厚激光拼焊類(lèi)前縱梁生產(chǎn)穩(wěn)定性控制

文／王力，郜連勇，邰偉彬，任志國(guó)，王鑫，陳雪元·中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司

本文主要介紹了某車(chē)型左／右前縱梁零件產(chǎn)品特性，闡述了生產(chǎn)過(guò)程中遇到的翻邊開(kāi)裂問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)際的解決措施總結(jié)出一套高效解決高強(qiáng)度不等厚激光拼焊類(lèi)前縱梁生產(chǎn)穩(wěn)定性控制方法。

激光拼焊板是指把不同厚度、材料性能或表面涂層的板材，用激光焊接的方法拼焊在一起，重新組成一種新型復(fù)合板材，可以同時(shí)滿足零件不同部位對(duì)于板料不同的性能要求。由于激光拼焊板具有焊接速度快、焊縫較窄、基體金屬的影響范圍較小、重量更輕、生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，激光拼焊技術(shù)也因此得到了越來(lái)越多的重視。

產(chǎn)品特性及生產(chǎn)穩(wěn)定性問(wèn)題

產(chǎn)品特性

某車(chē)型左／右前縱梁零件形狀如圖1 所示，零件板材尺寸(圖2)大小為1795mm×330mm，重量為1.877kg，由兩塊1.6mm 厚的熱鍍純鋅板(強(qiáng)度為590MPa)與一塊1.4mm 的熱鍍純鋅板(強(qiáng)度為440MPa)通過(guò)激光拼焊形成。

圖1 某車(chē)型左/右前縱梁零件

圖2 零件板材尺寸示意圖

產(chǎn)品工藝

該產(chǎn)品工藝流程(圖3)為：⑴開(kāi)卷落料；⑵激光拼焊；⑶拉延；⑷修邊、沖孔；⑸修邊、沖孔、翻邊、整形；⑹修邊、沖孔、整形、側(cè)翻邊、分離。

圖3 產(chǎn)品沖壓工藝流程

生產(chǎn)開(kāi)裂問(wèn)題

該零件生產(chǎn)過(guò)程中存在翻邊開(kāi)裂問(wèn)題，位置如圖4 所示，量產(chǎn)三年的平均廢品率為2.4%，遠(yuǎn)高于行業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的0.3%，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性，造成大量的生產(chǎn)資源浪費(fèi)。

圖4 翻邊開(kāi)裂現(xiàn)象

該零件在模具生產(chǎn)準(zhǔn)備期間也發(fā)生過(guò)此類(lèi)問(wèn)題，量產(chǎn)前判定是修邊斷面質(zhì)量差，存在撕裂、毛刺等問(wèn)題引起局部應(yīng)力集中從而導(dǎo)致翻邊開(kāi)裂，通過(guò)研配、修邊、鑲塊、刃口垂直度、間隙提升斷面質(zhì)量的方式確實(shí)解決了制件開(kāi)裂問(wèn)題。

但在后續(xù)的批量生產(chǎn)中，模具穩(wěn)定性特別差。首先，隨著修邊鑲塊刃口磨損、崩刃等缺陷引起的反復(fù)維修，導(dǎo)致斷面質(zhì)量出現(xiàn)偏差，造成廢品率遠(yuǎn)高于技術(shù)要求；其次，開(kāi)裂區(qū)域成形性接近材料極限值，對(duì)材料敏感性高，產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象不穩(wěn)定，往往一個(gè)批次板料生產(chǎn)無(wú)問(wèn)題，另一個(gè)批次生產(chǎn)則100%開(kāi)裂。為了保證生產(chǎn)需要，多次維修修邊鑲塊，甚至采用打磨工序件的方式維持正常生產(chǎn)，造成生產(chǎn)效率極低，模具維護(hù)成本高，廢品率高。

開(kāi)裂原因分析

該零件開(kāi)裂位置翻邊工序?qū)儆谏倭戏?，?dāng)減薄超過(guò)一定程度就會(huì)造成翻邊開(kāi)裂。同時(shí)高強(qiáng)板少料翻邊受材料擴(kuò)孔率影響，極易開(kāi)裂。

如圖5 所示，在前期工藝分析時(shí)，該產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題處的減薄率為16%，屬于安全范圍之內(nèi)，但未考慮擴(kuò)孔率影響。在調(diào)試過(guò)程中，切邊斷面質(zhì)量差，存在毛刺、撕裂等缺陷，而這些缺陷在翻邊過(guò)程中是變形應(yīng)力集中點(diǎn)，結(jié)合擴(kuò)孔率影響，翻邊時(shí)易在這些缺陷部位產(chǎn)生開(kāi)裂。

圖5 產(chǎn)品、工藝分析以及調(diào)試過(guò)程中存在的斷面缺陷

技術(shù)修改路線及其原理

拉延工藝造型優(yōu)化及翻邊高度降低

原理分析：拉延工序的工藝型面偏低，導(dǎo)致在翻邊工序的邊緣變形程度過(guò)大，如圖6 所示，當(dāng)變形程度超過(guò)材料變形極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致制件翻邊開(kāi)裂。

圖6 拉延型面低，翻邊變形程度大

可以考慮在拉延工序整改，通過(guò)抬高拉延工序型面高度，相應(yīng)減少翻邊工序的變形程度，從而可以減少翻邊開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，如圖7 所示。

圖7 拉延型面抬高，減小翻邊變形程度

試驗(yàn)方案：通過(guò)抬高拉延型面，目的是降低翻邊高度，減少區(qū)域減薄率，解決開(kāi)裂問(wèn)題。

整改過(guò)程：修改拉延造型，拉延造型接近于產(chǎn)品數(shù)型，拉延型面上抬高度為3mm，如圖8 所示。

圖8 修改拉延型面

修改修邊線：翻邊薄弱區(qū)域光順修邊線，產(chǎn)品邊界按上公差控制(修改1.2mm)，目的是減少修邊不光順帶來(lái)的應(yīng)力集中，如圖9 所示。

圖9 修改修邊線

試驗(yàn)結(jié)果：修改拉延型面后，理論分析減薄率減少2%，實(shí)際的減薄率未發(fā)生明顯變化，翻邊開(kāi)裂導(dǎo)致的廢品率并未明顯降低；本方案實(shí)施后對(duì)降低廢品率沒(méi)有效果，但也沒(méi)有變壞。

板料尺寸減小，降低拉延工藝局部減薄率

原理分析：降低拉延工序的減薄率，從而提高翻邊工序的安全裕度，也可以降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；從拉延工序件的邊界分析，整體的廢料寬度尺寸較大，從修邊線的位置來(lái)看，可以通過(guò)減小板料寬度方向尺寸，從而減小拉延過(guò)程中的材料減薄。

通常拉延工序走料的理想狀態(tài)是收料線恰好在拉延筋外側(cè)，在最小的板料尺寸條件下確保拉延的穩(wěn)定性。如圖10 所示，實(shí)際的拉延序收料線都在拉延筋外側(cè)20mm 左右，板料尺寸存在調(diào)整空間。

圖10 修改前拉延工序件

基于這種現(xiàn)狀，考慮修改落料模實(shí)現(xiàn)板料寬度方向縮小尺寸，減小拉延件減薄率，從而增加翻邊變形的安全裕度，減小翻邊開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)方案：修改開(kāi)卷落料模具，使中間的板料590YD ＋Z-60/60 的尺寸由329mm 減小至304mm，減小量為25mm，減小走料阻力，從而減小拉延減薄率。

整改過(guò)程：中間部位的生產(chǎn)方式是開(kāi)卷落料，如圖11 所示，減少板料寬度尺寸，對(duì)落料模具的切邊鑲塊進(jìn)行局部修改。

圖11 修改開(kāi)卷落料模具鑲塊

寬度方向尺寸縮減25mm 后，拉延工序件如圖12 所示。

圖12 修改板料尺寸后的拉延工序件

試驗(yàn)結(jié)果：

⑴從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果看，前后兩側(cè)板料收料線都在拉延筋外側(cè)邊緣，零件表面和尺寸沒(méi)有惡化。

⑵該方案實(shí)施后，翻邊位置開(kāi)裂的情況有一定比例減少，但是并未徹底消除。

⑶板料寬度方向尺寸總計(jì)減小了25mm，降低了該零件生產(chǎn)消耗定額0.448kg/車(chē)，降低了材料成本2.937 元/車(chē)。

板料性能改善

原理分析：增加材料本身的變形極限，從改善板料性能為著手點(diǎn)，提高安全裕度，解決翻邊開(kāi)裂問(wèn)題。

對(duì)于本案例來(lái)說(shuō)，零件材質(zhì)為590YD+Z-60/60，是雙相高強(qiáng)鋼，這種材料剪切邊緣成形性能較差，而邊緣翻邊開(kāi)裂問(wèn)題的直接表征參數(shù)是材料的擴(kuò)孔率。本案例的擴(kuò)孔率提升原理是增加材料合金成分中Si(硅)元素含量，從板料性能上則表現(xiàn)在延伸率的增加和n 值(塑性硬化指數(shù))的提高。

表1 是鞍鋼為量產(chǎn)料提升擴(kuò)孔率所作的試驗(yàn)料和現(xiàn)生產(chǎn)材料的對(duì)比，從中可以明顯看出，試驗(yàn)料中的n 值和延伸率較現(xiàn)有量產(chǎn)料有明顯提高，而化學(xué)成分中的Si 元素含量也明顯增加。

表1 590YD+Z-60/60 材料的力學(xué)性能測(cè)定

從微觀結(jié)構(gòu)看，Si 元素含量增加促進(jìn)了相變組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中鐵素體的比例增加及晶粒細(xì)化，從而顯著提升鋼板的塑性和成形性能；同時(shí)，由于Si 元素是主要的基體強(qiáng)化元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鐵素體基體強(qiáng)度，縮小了鐵素體與馬氏體之間的強(qiáng)度差，宏觀表現(xiàn)為材料變形時(shí)雙相之間的應(yīng)力集中變小，利于微裂紋擴(kuò)展，延緩邊緣開(kāi)裂出現(xiàn)的時(shí)間。

試驗(yàn)方案：聯(lián)合鋼廠開(kāi)發(fā)應(yīng)用同牌號(hào)的高擴(kuò)孔率材料，提升材料成形變形極限，從而提高安全裕度。

整改過(guò)程：現(xiàn)生產(chǎn)板料的擴(kuò)孔率測(cè)定計(jì)算值為25%；高擴(kuò)孔率材料的擴(kuò)孔率測(cè)定計(jì)算值達(dá)到56%。

試驗(yàn)結(jié)果：

⑴高擴(kuò)孔率材料拼焊性能合格，沖壓生產(chǎn)穩(wěn)定，焊裝全破壞試驗(yàn)合格，沖壓?jiǎn)渭叽绾细衤蕿?7%，與現(xiàn)生產(chǎn)一致；

⑵高擴(kuò)孔率材料沖壓生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定，生產(chǎn)切換后廢品率為0.1%，有效地解決了現(xiàn)生產(chǎn)中廢品率高的問(wèn)題。

修邊刃口材質(zhì)優(yōu)化及表面處理

原理分析：實(shí)際生產(chǎn)中切邊斷面存在毛刺、撕料等質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致生產(chǎn)中翻邊開(kāi)裂，此時(shí)通常伴隨修邊刃口崩刃等缺陷，維修措施是對(duì)刃口進(jìn)行堆焊，以及打磨后研配間隙。通常刃口的堆焊不能超過(guò)三次，超過(guò)就需要重新制作。為了提高鑲塊使用壽命，減少刃口崩刃、磨損導(dǎo)致的生產(chǎn)廢品，本文考慮采用基體韌性更好的模具鋼制作修邊鑲塊，并對(duì)刃口進(jìn)行鍍層處理以提高刃口硬度和耐磨性。

試驗(yàn)方案：嘗試通過(guò)采用改良系合金鋼作為刃口鑲塊的材質(zhì)，減少刃口崩刃缺陷的頻次，并通過(guò)鍍層處理提高刃口硬度和耐磨性，減少刃口磨損，從而減少修邊斷面質(zhì)量缺陷的頻次，提高鑲塊使用壽命。

整改過(guò)程：刃口鍍層處理工藝開(kāi)發(fā)已經(jīng)有相當(dāng)高的成熟度，對(duì)于厚板、鋁板及沖頭刀具等刃口的鍍層處理工藝應(yīng)用越來(lái)越多。本文針對(duì)高硬度的合金鋼鑲塊選擇先做表面滲氮，后進(jìn)行表面PVD 鍍層工藝。在韌性較好的基體表面做滲氮處理，目的是在基體與鍍層之間增加一個(gè)硬度的過(guò)渡區(qū)，減少“薄冰效應(yīng)”，防止表面鍍層與基體硬度差過(guò)大而產(chǎn)生鍍層塌陷損壞的問(wèn)題。

將修邊鑲塊材質(zhì)更換為韌性更好的DC53 材質(zhì)，復(fù)制兩套鑲塊，其中一套進(jìn)行正常的熱處理，滿足硬度要求的不做鍍層直接使用；另一套進(jìn)行高淬高回的熱處理工藝，得到較好的基體韌性，再發(fā)運(yùn)到鍍層廠家進(jìn)行先滲氮再PVD 的鍍層處理，得到較高的表面耐磨性和硬度。處理后的修邊鑲塊見(jiàn)圖13。

圖13 處理后的修邊鑲塊

試驗(yàn)結(jié)果：

⑴不鍍層處理的鑲塊正常使用，累計(jì)生產(chǎn)4.5 萬(wàn)輛份。因?yàn)闊崽幚聿捎玫蜏鼗鼗鸸に嚝@得刃口高硬度，其表面脆性仍未能得到明顯改善，生產(chǎn)中已出現(xiàn)局部刃口崩刃現(xiàn)象，與現(xiàn)生產(chǎn)使用鑲塊狀態(tài)基本一致。

⑵鍍層處理鑲塊正常使用，累計(jì)生產(chǎn)約10 萬(wàn)輛份，鑲塊刃口狀態(tài)良好，未出現(xiàn)崩刃、拉毛等缺陷；因?yàn)殍倝K基體采用高溫回火的熱處理工藝，基體硬度稍低，韌性較好，有助于延緩刃口脆性導(dǎo)致的崩刃現(xiàn)象，同時(shí)PVD 鍍層處理提高了表面硬度和耐磨性，預(yù)計(jì)可大幅提高鑲塊使用壽命。

⑶復(fù)制新鑲塊能在初始使用時(shí)很好地解決切邊斷面質(zhì)量差的問(wèn)題，但刃口鍍層處理后鑲塊使用壽命需進(jìn)一步驗(yàn)證。

實(shí)施效果及創(chuàng)新點(diǎn)

為高強(qiáng)度激光拼焊板前縱梁材料選擇提供了依據(jù)

雙相高強(qiáng)鋼剪切邊緣成形性能較差，針對(duì)性的開(kāi)發(fā)應(yīng)用同材料牌號(hào)的高擴(kuò)孔率板料，可以通過(guò)增加板料拉深變形的均勻性和板料成形安全裕度，進(jìn)而解決縱梁生產(chǎn)開(kāi)裂的問(wèn)題，為今后這一類(lèi)零件材料的選擇提供依據(jù)。

修邊鑲塊處理工藝

對(duì)合金鋼修邊鑲塊刃口采用DC53 材質(zhì)模具鋼代替SKD11 進(jìn)行復(fù)制，研配后進(jìn)行刃口表面滲氮＋PVD鍍層處理工藝，改善其整體脆性的同時(shí)提升表面耐磨性，為高強(qiáng)度板零件復(fù)雜修邊鑲塊表面處理提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

減少生產(chǎn)廢品、降低生產(chǎn)成本

調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)修邊廢料尺寸過(guò)大，在不影響成形的前提下，通過(guò)減小板料寬度方向尺寸25mm，降低拉延局部減薄率，同時(shí)降低了材料消耗定額0.448kg/輛份，在減少生產(chǎn)廢品的前提下實(shí)現(xiàn)了降低原材料成本。

結(jié)束語(yǔ)

本文從板料尺寸優(yōu)化改善關(guān)鍵區(qū)域減薄率，優(yōu)化材料性能提升擴(kuò)孔率兩個(gè)方面作出改進(jìn)，成功地解決了某車(chē)型左／右前縱梁生產(chǎn)廢品率高(2.4%)的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)修邊鑲塊改造及鍍層處理，有效地解決刃口磨損而崩刃頻繁、壽命短的問(wèn)題，目前鍍層的鑲塊正在使用過(guò)程中，已連續(xù)沖程10 萬(wàn)次，未發(fā)現(xiàn)崩刃、拉毛等缺陷。