現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某車型差厚激光拼焊門內(nèi)板（薄板厚度0.7mm，厚板厚度1.4mm）零件出現(xiàn)的開裂狀態(tài)有以下2種：①激光拼焊縫位置開裂（見圖1）；②薄板區(qū)激光拼焊縫旁3~5mm位置開裂（見圖2）。2種問題的發(fā)生頻次有一定差異，第2種焊縫旁開裂問題發(fā)生的頻次較高（見表1），現(xiàn)將重點闡述第2種開裂問題的原因和解決方案。
圖1 激光拼焊縫開裂
圖2 激光拼焊縫旁開裂
根據(jù)經(jīng)驗，差厚激光拼焊門內(nèi)板焊縫位置開裂的問題，主要是拼焊過程焊接質(zhì)量差導致。厚薄板匹配直線度差、焊接部位有雜質(zhì)、焊接氣孔或虛焊等問題是導致焊接質(zhì)量差的主要原因，做好焊接過程控制即可有效解決焊縫位置的開裂問題?，F(xiàn)重點對拼焊縫旁開裂問題進行分析。
為分析差厚激光拼焊門內(nèi)板開裂原因，將各開裂零件狀態(tài)進行對比，發(fā)現(xiàn)開裂主要表現(xiàn)為薄板料焊縫旁3~5mm位置拉深過程的應變超過極限，使材料拉裂。
將該零件工藝設計階段的CAE結果調(diào)取出來進行檢查（見圖3），同時進行網(wǎng)格試驗分析（見圖4），結果顯示實際零件成形后狀態(tài)與CAE分析結果基本一致，可以確認薄板區(qū)在局部位置材料應變超過成形極限，產(chǎn)生開裂。因此差厚激光拼焊門內(nèi)板焊縫旁開裂問題分析，應從以下幾個方面展開。
根據(jù)鋼材沖壓成形原理分析，沖壓件滿足拉深要求的首要條件為鋼材自身的力學性能參數(shù)滿足零件拉深要求。現(xiàn)探討的門內(nèi)板開裂問題全部集中在薄板區(qū)，將該零件0.7mm薄板鋼材作為分析的關鍵點。
調(diào)取生產(chǎn)過程中某時期內(nèi)0.7mm薄板性能參數(shù)，與許可范圍進行對比，各參數(shù)表現(xiàn)如下：屈服強度許可范圍120~210MPa，實際板料屈服強度133~154MPa；抗拉強度許可范圍≥260MPa，實際板料抗拉強度284~291MPa；斷后延伸率許可范圍≥42%，實際板料斷后延伸率51%~55.5%；厚向異型系數(shù)R90值許可范圍≥1.7，實際板料厚向異型系數(shù)2.6~3.1；應變硬化指數(shù)N90值許可范圍≥0.2，實際板料應變硬化指數(shù)0.25~0.26，薄板性能達標。
變形力和變形是作為評判焊縫質(zhì)量的重要標準，可以通過杯突試驗機獲得，一般以變形高度作為最終衡量標準。按照GB4156-84《金屬杯突試驗方法》標準，一般沖壓的變形高度為5.6mm，超深沖壓的變形高度為7.0mm以上。調(diào)取該時期28批次的拼焊板料杯突結果顯示，板料杯突試驗滿足超深沖壓要求。
熱沖壓門環(huán)是指將A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁設計成一個封閉的整體式零件，進而進行熱沖壓成形。從2009年起，主要受全球排放法規(guī)的影響，熱沖壓鋼激光拼焊板在現(xiàn)代汽車上的使用開始迅速增長。
輕量化門環(huán)的設計與材料機械性能、材料厚度、涂層性質(zhì)、材料落料利用率、成形方式相關。目前生產(chǎn)的熱沖壓激光拼焊板中，約99%使用鋁硅涂層的鋼。使用部分消融技術對鋁硅涂層板進行激光拼焊，但如果在激光拼焊前沒有去除涂層，涂層中含有的鋁會削弱焊縫，導致零件失效。而如果采用無涂層鋼板制造熱沖壓激光拼焊件，雖無激光拼焊開裂風險，但由于在一般的氣氛加熱爐內(nèi)存在大量氧氣，使得無涂層鋼板在加熱過程中容易產(chǎn)生氧化皮，需要進行拋丸，但拋丸易變形，且耐腐蝕性差。本文以真空熱沖壓技術與激光落料、激光拼焊技術相結合，對一體式門環(huán)的輕量化設計開拓思路，對熱沖壓零件的開發(fā)具有指導和借鑒意義。
工藝優(yōu)化對比
以傳統(tǒng)設計的A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁點焊接門環(huán)方案與激光拼焊的無涂層板的方案進行對比分析。⑴原方案：4個零件是單獨成形，后續(xù)通過點焊裝配；優(yōu)化方案：采用激光拼焊整體成形。⑶原方案每個零件的匹配搭接處取消，改成激光拼焊縫(圖1)，詳細參數(shù)見表1。
圖1 門環(huán)優(yōu)化方案數(shù)模
表1 門環(huán)優(yōu)化方案信息
從上述表格數(shù)據(jù)分析可得，門環(huán)優(yōu)化后減重17.853kg-15.141kg＝2.712kg，減重率約≈17%。
材料利用率對比
目前大部分通用落料線為壓力機與模具落料，壓力機與模具落料是利用壓力機和沖切模具進行金屬板料的落料，壓力機一次開合即完成一次料片的落料。其工作效率較高，但沖切時，為保持沖切順利，每個成品料片間必須有8～10mm的縫隙，并且在更換新產(chǎn)品時，需要重新設計和制造新的模具。因此這種工作方式，其材料利用率偏低，柔性較差，對新產(chǎn)品的響應速度較慢，其材料利用率如圖2所示。而激光落料是利用激光切割裝置對切割平臺上的板材進行切割加工，從而完成料片的落料。激光切割時，每個成品料片間只需有3mm左右的縫隙，有些特殊的料片甚至可以做到零間隙排布，即共邊切割，同時，在更換新產(chǎn)品時，只需要重新編寫切割程序即可。因此這種工作方式，其材料利用率高，柔性好，對新產(chǎn)品的響應速度也快，其材料利用率如圖3所示，材料利用率對比詳見表2。
圖2 模具落料材料利用率
表2 模具落料與激光落料材料利用率對比
圖3 激光落料材料利用率
現(xiàn)場效果驗證
采用激光切割的落料方式，分別對厚度為1.4mm和1.6mm的22MnB5裸鋼板進行落料，得到厚度為1.4mm的A柱板料和門檻板料，厚度為1.6mm的B柱板料和H柱板料。依次序對A柱板料、門檻板料、B柱板料和H柱板料進行激光拼焊，得到門環(huán)坯料，如圖4所示。將門環(huán)坯料放入930℃的真空爐內(nèi)，對真空爐進行抽真空，爐內(nèi)真空度在1～100Pa之間。將門環(huán)進行加熱，加熱時間為300s。將奧氏體化后的門環(huán)坯料放入模具中進行熱沖壓，其中轉移時間為10s，沖壓壓力為750t，保壓時間12s，門環(huán)熱沖壓件成形，如圖5所示。
圖4 激光拼焊門環(huán)坯料
圖5 真空加熱一體式激光拼焊門環(huán)
另外為增加無涂層門環(huán)的耐腐蝕性能，可對真空加熱后的門環(huán)進行電鍍鋅處理，電鍍鋅門環(huán)如圖6所示。
圖6 真空加熱一體式激光拼焊電鍍鋅門環(huán)
對真空加熱的門環(huán)以及氣氛爐加熱的門環(huán)用金相法進行氧化皮厚度測試，普通爐如不通入氮氣進行氣氛保護，氧化皮厚度一般在10μm以上，而通入氮
圖7 氣氛爐加熱門環(huán)氧化皮厚度
圖8 真空加熱一體式激光拼焊門環(huán)氧化皮厚度
氣進行氣氛保護，氧化皮厚度一般在5μm左右(圖7)。而用真空爐制備的零件，其氧化皮厚度一般小于2μm(圖8)。
結束語
結合真空加熱爐技術與激光拼焊門環(huán)技術，采用無涂層板制備一體式門環(huán)，減重17%左右，且發(fā)現(xiàn)通過真空加熱爐制備的熱沖壓門環(huán)，其氧化皮厚度小于2μm，小于普通氣氛保護爐產(chǎn)生的氧化皮厚度。另外由于激光拼焊處無涂層，可以避免焊接開裂的風險，無涂層激光拼焊需要增加耐腐蝕性能，可在熱成形之后加一道電鍍鋅工序即可。
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