拼焊板冲压成型

拼焊板冲压成型

摘要：

传统工艺中汽车车身零件有两种成形方法：分离成形和整体成形。分离成形方法是将大型零件分成小型单个件分别成形，然后焊接成部件，其优点是可以根据各部位的要求选择不同材质、不同厚度的材料；缺点是需要更多的工装模具和设备的投入，制造成本较高，同时焊接总成的配合精度和整车质量也有所下降。整体成形法是用整体板料直接成形大型零件。主要的优点是工装模具和设备的投入大大减少，制造成本相对较低，产品质量得到了提高；缺点是必须对零件所有部位采用相同材质和相同厚度的材料，难以很好的实现结构优化的需要。本文介绍了激光拼焊板冲压技术的发展历史，以及该技术的特点应用，最后介绍了目前国内外激光拼焊板冲压技术的发展状况。

关键词：拼焊板、冲压、成型

一、拼焊板冲压的发展历史

拼焊板是20世纪60年代日本本田汽车公司利用边角料做车身内测版而采用的一项技术。20世纪70年代中期，美国福特公司采用激光焊接技术进行车身钢板的拼焊，但是未商业化。20世纪80年代初，欧洲沃尔沃、奔驰、大众等汽车厂首批使用激光焊接拼焊板制作卡车的前板、底板、加强柱等。

奥迪是较早在汽车中应用拼焊板技术的公司之一。奥迪公司需要为他的一辆新型轿车制造一种冲压件，而那时板材供应商不能提供足够大的板材，故只能通过激光焊接将两块板料焊接在一起然后再去冲压成型。当时的板料供应商开始认识到这种先进制造技术具有很大的发展前景，于是开始为其他的汽车公司提供专用的拼焊板。20世纪80年代中期，随着人们对环保、节省能源、提高驾驶速度和安全性能的要求以及千瓦级连续二氧化碳激光器的发现，为汽车拼焊板开辟了广阔的天地。德国钢铁公司成为了欧洲较早大规模采用激光生产拼焊板的钢铁公司。该公司设计和建造的第一代拼焊板激光焊接生产线是光束移动、工件固定系统，并于20世纪80年代末开发了工件移动、光束不动的第二代拼焊板激光系统。

20世纪90年代，美国钢铁协会和国际钢铁协会组织了一项由全球18个国家钢铁厂参与的超轻钢新材料和设计制造技术等，激光拼焊板则是其中的一项主要课题，由保时捷工程公司负责车型设计生产第一辆样车，在该样车上共采用了16拼焊板冲压件，与原来车身相比，车身零件数量约减少了25%。

目前，由拼焊板生产的汽车零件已被成功用于车身骨架件、外覆盖件、内覆盖件。主要有位于车门两侧的立柱，车门内板、纵梁、底板、轮罩、内后挡板、横梁缓冲器等。

如图所示：

二、拼焊板冲压技术的优点

采用拼焊板的优势在于可将厚板或高强度板用于关键部位，以提高整块板的局部强度。拼焊板的使用也可以使汽车结构在不降低强度的情况下，减轻车身重量，降低材料损耗。因此，拼焊板应用于汽车制造业可以：

3.1 减少车身零件的数量

由于拼焊板可以一次成型，减少大量冲压加工的设备和工序，缩减了模具的安装过程，简化车身制造过程。

3.2 节省材料

在材料方面，可以节省板材的使用大约25% ~40%，并可以利用废料，提高板材的使用率。

3.3 缩短设计与开发周期

满足汽车各部分对材质、厚度以及性能的需求，将不同性能、涂层和厚度的版聊啊拼焊在一起，提高车身设计的灵活性，缩短了设计和开发周期。

3.4 为生产宽体车提供可能

由于受轧机的限制不可能生产太宽的钢板，而汽车队宽板的要求日趋紧迫，采用拼焊板，不失为一种有效而经济的工艺方法。

3.5

根据车身不同部位强度的要求，合理使用一些轻质复合材料，而不需要焊接加强筋，从而减轻车身的重量，例如采用拼焊板后，车身的侧板重量减轻了10%，而车身的耐撞性能和刚性没有降低。

3.6

提高车辆结构的整体性能和安全性能，提高整体刚性，简化车辆的整体结构，提高零部件的装配精度。

3.7

车身采用拼焊板，在撞机的过程中可以吸收更多的能量，从而增强耐撞性能。

三、激光拼焊板冲压的概念

激光拼焊板技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术，是通过高能量的激光将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板再冲压生产，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。拼焊板工艺的出现解决了由传统单一厚度材料所不能满足的超宽板及零件不同部位具有不同工艺性能要求的工艺问题。图1为分别成形、整体成形和激光拼焊成形生产轿车侧围外板的示意图。

图1 轿车侧围外板成形方法比较

四、激光拼焊板的优势

采用激光拼焊板有着巨大的优势，可以给汽车制造业带来显著的经济效益，主要体现在：使整车零件数量大大减少，简化了点焊工艺，提高了车身尺寸精度减少了质量问题，材料厚度的可变性保证了对重要位置的强化等方面。

图2所示为东风中型车驾驶室整体顶盖采用激光拼焊板成功进行生产的实例，图3所示为东风重型车分离成形后焊接的顶盖总成示意图。拼焊整体冲压比分件冲压取得了明显的经济效益：模具投资由原先的490万元减少到360万元；减少了设备占用面积和操作人员数量；零件重量由于搭接面的减少而降低了0.55kg，材料利用率达到了相对最高的

76.8%，材料消耗减少了5.33kg/辆。

图2 中型车一排半驾驶室整体顶盖

图3 重型车标车前后顶总成

五、激光拼焊板的性能简介

由于与传统工艺方法相比，激光拼焊技术具有显著地优势，汽车生产厂对激光拼焊板在冲压过程中所表现的性能便更加关注。对激光拼焊板性能的研究目前在全球已经成为热点。激光拼焊板与母材相比，呈现出不同的性能特点。研究表明激光对焊接缝比母材具有更高的强度和硬度值。这是由于在小的焊接熔池中激光焊缝得到了快速冷却。在大多数的激光焊接接头中，热影响区组织室友细晶，等轴晶组成。

对于评价焊缝的防腐蚀性能，在循环潮湿和盐雾环境中进行了加速腐蚀试验，结果清楚的表明，激光焊接由于其他形式的焊接，金属起到恰到保护的作用。只要受影响的区域不超过2mm，就不会观察到所谓的红色锈蚀，这一点在电阻焊中是不具有的。

六、激光拼焊板的冲压成形工艺性

拼焊板使用的技术问题，最主要的是由焊缝区组织变化所造成的成形性能下降和焊缝移动等因素引起的工装制造难题。

6.1 拼焊板的冲压成形性能

对拼焊板成形性能的研究表明：

（1）激光焊接后的焊接接头部位强度比母材部分有一定程度的提高，厚度比率的变化对强度的影响没有材料等级比率变化影响大，不同等级材料的焊接接头强度主要取决于低强度等级的材料。

（2）焊接接头部位成形性能比母材有一定程度的降低，随拼焊厚度差异和强度差异的增加，成形性能降低。

（3）对于不等厚拼焊板，拉伸方向与焊缝方向相同时，拼焊板塑性变形能力明显降低，薄侧比例越小则降低越多。

（4）拼焊板的拉伸破坏方式一般有两种：一是当焊缝与拉伸方向一致时，由于焊缝的塑性比母材低，焊缝部位往往被拉断；二是当焊缝与拉伸方向垂直时，薄侧母材容易产生过量减薄而拉裂。

此外，拼焊板在实际使用中不仅要关注其成形性能，还要考虑到其不同的料厚差异对后续工序的影响，如料厚差异较大或者性能差异较大的焊缝线应避免穿过小孔冲压位置（易导致小孔折弯或断裂）等。

6.2 拼焊板的焊缝移动及其工艺对策