DP980 鍍鋅鋼板輥壓成型激光焊接應(yīng)用

于一強(qiáng)，張寶貴，楊 琨

（南京凱晟材料科技有限公司，江蘇 南京 211500）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，燃油經(jīng)濟(jì)性、更高安全性和更低碳排放量對(duì)汽車車身輕量化需求提出了新的挑戰(zhàn)。減輕車身整體重量可以起到降低油耗和提升性能的作用，因此汽車行業(yè)為解決汽車輕量化問題，實(shí)現(xiàn)的手段由材質(zhì)替代為高強(qiáng)度鋼板，推進(jìn)了先進(jìn)高強(qiáng)鋼在車身設(shè)計(jì)制造應(yīng)用的穩(wěn)步增長(zhǎng)[1-2]。隨著強(qiáng)度級(jí)別的加大，材料塑性急劇下降、回彈變大、一次成型性變差，采用常規(guī)的沖壓工藝很難滿足工藝要求，從而使熱成型工藝、輥壓工藝成為了優(yōu)選工藝。輥壓成型技術(shù)通過使用多個(gè)不同形狀的軋輥，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶材的縱向彎折，從而達(dá)到預(yù)期的截面形狀[3]。這項(xiàng)技術(shù)特別適用于高強(qiáng)度鋼材的成型，例如，1500 MPa 的馬氏體鋼已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。輥壓成型是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，需要多次操作和調(diào)整。一個(gè)輥壓生產(chǎn)線可以滿足多種產(chǎn)品需求，只要更改軋輪模具，就可以制作出各種不同截面形狀的產(chǎn)品。配置的獨(dú)立控制伺服電機(jī)，可以通過計(jì)算機(jī)編程在鐵板成型過程中控制橫向移動(dòng)機(jī)架，從而實(shí)現(xiàn)截面變化和制作過程的靈活性，極大地拓展了原有單一截面產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。

1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料及其性能

諸如雙相鋼（DP）、變相誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）、復(fù)相鋼（CP）以及馬氏體鋼（MS）等都屬于主要的強(qiáng)度較高的鋼材類型。利用相變組織加固，這些類型的鋼材能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度，強(qiáng)度取值范圍在500 ～1500 MPa[4]。通常，將抗拉強(qiáng)度超過700 MPa 的鋼材定義為超高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)鋼材料與普通鋼材相比具有更強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度，因此，制造相同功能或結(jié)構(gòu)的車體、車門等零件時(shí)，所使用的高強(qiáng)度鋼板比普通鋼板更薄，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)減重。其典型應(yīng)用包括：（1）應(yīng)用于保險(xiǎn)杠防撞鋼梁、門板內(nèi)梁等部位，有利于提高整車防撞性能；（2）應(yīng)用于邊梁、車輪等部位，能提高局部位置的抗疲勞強(qiáng)度；（3）應(yīng)用于車頂、車門外板能有效降低車體碰撞后的變形量。

2 國(guó)內(nèi)外輥壓成型研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外輥壓成型發(fā)展現(xiàn)狀

在十九世紀(jì)期間，國(guó)外的滾動(dòng)成型技術(shù)逐漸取得了顯著發(fā)展。盡管在早期階段，它缺少足夠的理論依據(jù)，但設(shè)定工藝規(guī)格主要依賴于實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)。然而，隨著輥壓成型技術(shù)在多個(gè)行業(yè)里被廣泛應(yīng)用和發(fā)展，各國(guó)都已經(jīng)預(yù)見到了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?，所以每年都投入大量的人力和物力來做相關(guān)研究[5]。1910年，美國(guó)成功開發(fā)出了第一套具有專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的輥壓成型設(shè)備。1939 年，美國(guó)鋼鐵研究院資助的康奈爾大學(xué)教授喬治·溫特率領(lǐng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)輥壓成型的理論進(jìn)行了深度探究，他們的研究主要依賴于Von Karman 和Bryan 的理論方程。盡管在研究過程中，大量實(shí)踐數(shù)據(jù)提供了重要的參考，但他們的理論公式在實(shí)踐操作層面上，并未給生產(chǎn)帶來明顯的指導(dǎo)幫助。在計(jì)算機(jī)科技快速進(jìn)步的帶動(dòng)下，輥壓成型理論分析的工具逐步健全。東京大學(xué)的教授木內(nèi)學(xué)提出了應(yīng)用形狀函數(shù)來詮釋輥壓過程中形變區(qū)域曲面狀態(tài)的方式，并且通過優(yōu)化形變能量，成功確定了輥壓形變的空間曲面[6]。一種可以預(yù)測(cè)材料寬度、殘余應(yīng)力和可能出現(xiàn)的輥壓變形缺陷的方法，由英國(guó)學(xué)者King T. E. E.和PowellI J等人提出，這種方法基于塑性增量理論和殘余應(yīng)力理論，并通過數(shù)學(xué)公式來確定成型過程的應(yīng)力應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。在20 世紀(jì)期間，輥壓成型機(jī)的集成性急劇增強(qiáng)，迅速延伸到?jīng)_壓、焊接等多個(gè)領(lǐng)域。隨著21 世紀(jì)的到來，為了滿足對(duì)高柔韌性和高精準(zhǔn)度輥壓成型產(chǎn)品的渴求，整合了斷面光學(xué)檢測(cè)、工裝快速切換等高效設(shè)備的輥壓成型單元，從而提高了集成化程度。因此，新興的輥壓成型技術(shù)如四輥式成型、柔性冷彎成型、CTA 成型以及輥沖孔加工法等應(yīng)運(yùn)而生。

2.2 國(guó)內(nèi)輥壓成型發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)末，我國(guó)引進(jìn)了輥壓成型技術(shù)，這種技術(shù)因其高效、簡(jiǎn)潔的特性，迅速在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，尤其是在建筑、汽車等行業(yè)，它的出現(xiàn)大大提升了單一截面成型的效率，也為輥壓成型理念的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用越來越普及，以滿足建筑行業(yè)對(duì)型材的大規(guī)模需求。然而，由于沖壓成型過程中容易出現(xiàn)開裂、皺紋等問題，因此，采用輥壓成型技術(shù)可以有效地控制產(chǎn)品的表面精度和光滑度，從而使其得以更加廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普及，特別是在抗拉強(qiáng)度高達(dá)1300 MPa 以上的鋼材，輥壓成型技術(shù)的發(fā)展受到了極大的關(guān)注。燕山大學(xué)的劉才教授將有線條理論應(yīng)用于輥壓工藝，深入研究了其成型過程及應(yīng)力場(chǎng)，從而為節(jié)能減排提供了重要的參考[7]。張樂樂教授利用拉格朗日彈塑性變形理論與輥壓實(shí)踐的結(jié)合[8]，深入探索了帶材在輥壓成型過程中的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，北京科技大學(xué)開發(fā)出CARD 柔性系統(tǒng)和專家系統(tǒng)[9]，為彩板門窗的計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)和CAD/CAM 集成技術(shù)的發(fā)展提供了重要支持，為國(guó)內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新提供了有力的保障。我國(guó)研究人員運(yùn)用彈塑性有限元法對(duì)輥壓加工通過數(shù)字模擬，鄭軍興等專家利用ANSYS/LSDYNA 深入探究了輥壓加工的反彈性能[10-11]，而劉繼英的團(tuán)隊(duì)則利用Marc 技術(shù)，對(duì)高強(qiáng)度鋼板輥壓形成的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究[12]。當(dāng)前，我國(guó)輥壓成型研究的重點(diǎn)已經(jīng)從有限元分析轉(zhuǎn)向了技術(shù)流程和理論的深入探究[13]，以期獲得更好的結(jié)果，從而推動(dòng)輥壓成型技術(shù)的發(fā)展。

汽車市場(chǎng)對(duì)于定制輥壓型材的需求極大，預(yù)計(jì)其年度市場(chǎng)規(guī)模巨大，估值高達(dá)800 億元。具體來看，每年新能源電池盒框架的需求量達(dá)到1000 萬(wàn)套，這將為公司帶來可觀的年銷售額。此外，每年領(lǐng)先的保險(xiǎn)杠需求量也達(dá)到了4000 萬(wàn)套，這將為企業(yè)帶來更多的收益，估算的年銷售額大約40 億元。

3 激光焊接技術(shù)應(yīng)用

從20 世紀(jì)70 年代開始，許多發(fā)達(dá)國(guó)家便著重研究并重視激光，因?yàn)樗哂谐錾膶?dǎo)向性、高亮度以及優(yōu)良的單色性等屬性。采用高能量密度激光束作為熱源的激光焊接，是一項(xiàng)效能高且準(zhǔn)確的焊接技術(shù)，已在許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了迅速的推廣和發(fā)展。但是隨著產(chǎn)品精密度的不斷提高，新材料的不斷應(yīng)用，常規(guī)的激光光源和焊接方法已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求，迫切需要尋找新的解決方案。近些年，藍(lán)光激光器、綠光激光器、飛秒激光器等新光源，擺動(dòng)焊接、ARM（adjustable ringmode）環(huán)形可調(diào)光斑焊接等新工藝不斷被推出，創(chuàng)新性地解決了工業(yè)生產(chǎn)中的一些焊接難題。

激光焊接技術(shù)和應(yīng)用不斷發(fā)展，主要沿4 個(gè)方向深入發(fā)展：（1）向高功率發(fā)展，目前已有萬(wàn)瓦光纖激光器應(yīng)用于厚板金屬的焊接，以及高反射材料對(duì)于更高功率激光器的需求；（2）更短波長(zhǎng)的激光器不斷出現(xiàn)，如綠光、藍(lán)光激光器，隨著成本的不斷降低，其應(yīng)用會(huì)更加廣泛；（3）更短脈寬的激光器不斷應(yīng)用于新的領(lǐng)域，從原先的連續(xù)焊接到QCW 脈沖焊接（毫秒級(jí)），再到納秒應(yīng)用于薄板異種金屬材料的焊接，目前已經(jīng)出現(xiàn)飛秒激光應(yīng)用于玻璃以及陶瓷等材料的焊接；(4)激光和其他傳統(tǒng)熱源的復(fù)合，以及不同波長(zhǎng)、脈寬的激光相互之間的復(fù)合；在時(shí)間和空間領(lǐng)域的復(fù)合，也是未來研究的方向之一，以發(fā)揮不同熱源的優(yōu)點(diǎn)，獲得更好的焊接質(zhì)量或更高的焊接效率。

汽車行業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了激光焊接技術(shù)的普遍應(yīng)用。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，采用激光焊接可以有效地減輕車身重量，進(jìn)一步降低了全總成本。與電阻焊需要雙邊接觸的方式相比，激光焊接的單邊非接觸方式能實(shí)現(xiàn)更小的搭接寬度。如果能充分運(yùn)用激光焊接，單輛汽車就能節(jié)約使用40 kg 鋼材。此外，激光焊接還具有焊接速度快、焊縫強(qiáng)度高、焊縫及熱影響區(qū)窄、熱變形小等特點(diǎn)[14]。

為了達(dá)到減輕汽車質(zhì)量和提高車身耐腐蝕的目標(biāo)，廣泛使用了高強(qiáng)度的鍍鋅雙相鋼板。但是，在焊接過程中，雙相鋼的鍍鋅層對(duì)焊接過程有一定的影響。比如用電阻點(diǎn)焊，鋅層會(huì)在早期融化，導(dǎo)致由于鋅環(huán)的形成，焊接處的電流濃度顯著降低，而且鋅層與銅電極之間的反應(yīng)會(huì)對(duì)電極造成污染，從而縮短其使用壽命。此外，由于鋅層的電阻率較低，接觸電阻也較小，因此在焊接過程中容易出現(xiàn)飛濺、裂紋和氣孔等問題，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量和安全性。如果采用激光搭接焊，搭接處的鍍鋅層蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致焊接氣孔和飛濺等問題[15]。

在激光焊接鍍鋅板的過程中，因?yàn)殇\的沸點(diǎn)（906 ℃）比鋼的熔點(diǎn)（1300 ℃）要低得多，鍍鋅層在遭受高能激光的照射時(shí)會(huì)立刻氣化生成大量的鋅蒸氣，從而會(huì)對(duì)焊接過程的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[16]。熔池在固液共熔態(tài)時(shí)由于高壓鋅蒸汽反作用力，致使熔池發(fā)生劇烈震蕩從而在焊縫表面形成外部穿孔。同時(shí)還有部分鋅蒸汽在焊接過程卷入熔池內(nèi)部，在熔池凝固前未能及時(shí)逸出從而形成焊縫內(nèi)部氣孔。尤其當(dāng)板厚度減小時(shí)，熔池深度減小，鋅蒸汽更加容易穿透熔池，焊縫的穿孔缺陷加重，焊縫成形的控制也變得更加困難。

4 輥壓成型鍍鋅板激光焊接

優(yōu)化的輥壓成型技術(shù)改善了產(chǎn)品的橫截面設(shè)計(jì)，既達(dá)到了輕量化的要求，又提升了截面的物理性質(zhì)。通過利用有限元模擬等分析工具，對(duì)產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中的重要承載點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，有效解決了由于高強(qiáng)鋼減輕可能出現(xiàn)的剛度問題。輥壓成型設(shè)備主要包括開卷機(jī)、進(jìn)料和上料機(jī)、剪焊設(shè)備、沖壓機(jī)、造型組件、激光焊設(shè)備、后期定型設(shè)備、切割工具及碼垛設(shè)備等[17]。采用P 型（上部）和“日”型（下部）定制輥壓的構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖1 所示。從圖1 可以看出，傳統(tǒng)的輥壓成型技術(shù)在制造這兩種構(gòu)件時(shí)需要進(jìn)行焊接。然而，定制的輥壓成型技術(shù)成功地突破了傳統(tǒng)輥壓成型技術(shù)與用戶需求的間隔，使構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了一體化，大幅提升了生產(chǎn)效率[18]。

圖1 P 形和日形的定制輥壓型材

根據(jù)消費(fèi)者的具體需要，輥壓成型技巧可以用來制造各式各樣的截面形狀的輥壓型材，如圖2 所示。然而，定制化產(chǎn)品的運(yùn)作效率通常不高，模具替換的時(shí)長(zhǎng)是評(píng)估定制工藝程度的重要標(biāo)準(zhǔn)。為了提高生產(chǎn)效率，我們需要在最初的階段深入與客戶進(jìn)行設(shè)計(jì)交流，并調(diào)整成型器設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)劃以增強(qiáng)其靈活性。如果目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和高效的輥壓定制，就必須實(shí)行“三柔”，即“一臺(tái)機(jī)器多種產(chǎn)品”“一臺(tái)機(jī)器多種工藝”和“一種模具多種截面”。

圖2 定制輥壓成型生產(chǎn)線及輥壓輪

在生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼的過程系中，通常會(huì)加入眾多的合金元素以增加材質(zhì)的硬度，這導(dǎo)致其碳當(dāng)量顯著高于一般普通鋼材，從而使得其焊接屬性較差。另外，為了滿足制作多功能輕量型材的需求，設(shè)計(jì)上一般會(huì)更為復(fù)雜，比如復(fù)雜的斷面型材產(chǎn)品，需要運(yùn)用角焊、對(duì)接焊，疊焊接等多種焊接技術(shù)?？偟膩碚f，現(xiàn)有的高頻焊接技術(shù)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)此類產(chǎn)品的要求。相比之下，新興的激光焊接技術(shù)，因其高功率密度、小的熱影響區(qū)、出色的焊縫機(jī)械強(qiáng)度和多樣的焊接方式的優(yōu)勢(shì)，更加適合精確軋制型材的制程需求。在激光焊接過程中，焊接功率、焊接速度、光斑大小及焦點(diǎn)位置是決定性的技術(shù)參數(shù)，它們之間有著密切的關(guān)系，調(diào)節(jié)這些參數(shù)可以優(yōu)化焊縫的品質(zhì)?；谶@個(gè)原理，由于激光焊接所涉及的加熱區(qū)域較小，所以在輥壓過程中，需要設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的輥壓模具和焊接工裝以達(dá)到精度要求，并且，激光焊接對(duì)型材邊緣的質(zhì)量也有更高的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[19]。

高強(qiáng)鋼的輥壓生產(chǎn)線主要有兩部分組成：輥壓成型生產(chǎn)線和激光焊接生產(chǎn)設(shè)備。高強(qiáng)鋼有鍍鋅板和非鍍鋅板兩種類型。鋅的作用是增強(qiáng)鋼板的耐腐蝕性能，但由于鋅的添加，輥壓成型激光焊接時(shí)的鋅蒸汽會(huì)導(dǎo)致激光焊接焊縫氣孔的產(chǎn)生。為了解決鋅蒸汽對(duì)于焊縫質(zhì)量的影響，研究人員對(duì)鋅蒸汽的作用機(jī)理、對(duì)如何減小氣孔進(jìn)行了研究。華中科技大學(xué)陳志春等人研究鋅蒸汽的行為對(duì)焊縫成型和焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，通過吸氣的方式在熔池上方創(chuàng)造負(fù)壓環(huán)境，使得鋅蒸汽在焊接過程中順利逸出，從而獲得較好的搭接焊接接頭質(zhì)量[20]。但是這種方法，對(duì)負(fù)壓的形成裝置有極高的要求，在輥壓生產(chǎn)線由于結(jié)構(gòu)的因素，很難廣泛應(yīng)用。采用激光清洗的方式可以把鍍鋅板焊接搭接面的鋅層去除，其基本原理是利用激光束的高能量密度和短脈沖寬度，通過光熱效應(yīng)來清除金屬表面物質(zhì)。但是由于激光清洗設(shè)備造價(jià)成本較高，很難在企業(yè)得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)是采用機(jī)械刮刀刮除鋅層，激光焊接時(shí)搭接面沒有鋅蒸汽造成氣孔，成本低廉，得到生產(chǎn)企業(yè)的廣泛應(yīng)用。但是由于機(jī)械接觸會(huì)造成刮刀損壞，刮刀損壞后不能把鋅層去除，從而影響后續(xù)激光焊接的焊接質(zhì)量，因此如何減小鋅層對(duì)激光焊接的影響一直是值得研究的課題。

5 結(jié)論

綜上所述，激光焊接技術(shù)能夠滿足鍍鋅板高強(qiáng)鋼的焊接技術(shù)要求，在輥壓線生產(chǎn)中的使用具有十分廣闊的發(fā)展前景。隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，以及對(duì)激光焊接技術(shù)進(jìn)一步的改進(jìn)，在新能源電池托架領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用前景一定會(huì)變得更加廣泛，在激光焊接技術(shù)中的研究也會(huì)更為深入。當(dāng)前，輥壓成型疊焊、對(duì)接焊對(duì)焊接品質(zhì)提出了更高的要求，因此一定要重視對(duì)激光焊接技術(shù)的研發(fā)，并結(jié)合制造業(yè)的具體狀況展開交流合作，升級(jí)激光焊接技術(shù)，并不斷加強(qiáng)激光焊接工藝的改進(jìn)，開拓出一條現(xiàn)代化輥壓生產(chǎn)線的焊接技術(shù)集成設(shè)備發(fā)展道路。