激光焊接在熱成形門環中的應用

金屬加工前沿

2023年5月10日 12:00

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自1984年首個熱成形零件應用到車身上開始，隨著熱成形技術和汽車行業的不斷發展，其應用范圍也越來越廣泛。最初，熱成形零件只應用在車門防撞梁上，然后擴展到車身的A柱和B柱等位置，進一步應用于整車各承力關鍵部位的零件。熱成形零件占車身質量比例也從最初的1%逐漸擴展到5%、10%、20%甚至30%以上。這其中有幾個因素起到了推動作用：其一，輕量化的需求。降低汽車自身質量可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性，提高車速、降低油耗。若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。當今，越來越嚴苛的排放法規，新能源汽車的興起都推動著汽車往更輕的方向發展。其二，安全法規不斷升級。中汽研發部的2018年版C-NCAP新規將臺架車的質量由950kg提高到1400kg，中保研C-IASA參考IIHS引入小角度偏置碰試驗，這都要求車身關鍵部件能夠承受更高的沖擊載荷。傳統冷沖壓高強鋼無法滿足上述要求，而熱成形材料的抗拉強度可以達到1500MPa，而且零件幾乎沒回彈，尺寸精度高，因此成為了大部分承力零件的首選。其三，熱成形技術的發展，補丁板、拼焊板、變等厚板、變強度等多樣性技術擴展了其應用范圍，門環是這些先進技術的集成創新應用。

2014年門環首次應用在謳歌MDX上，目的是為了提升小角度碰撞性能以達到IIHS評價要求，而實車碰撞試驗評價優秀（G），證明了門環的性能優良，如圖1所示。其后克萊斯勒Pacifica、謳歌RDX先后采用了這樣技術，但目前量產車型也僅限于此。為何這樣一項先進的技術沒有被廣泛應用，其原因值得探討。

1 熱成形門環技術介紹

1.1 熱成形門環

熱成形門環，簡稱門環，是將常規上車體的A柱加強板、B柱加強板、側圍上加強板和門檻加強板4個零件通過組合簡化成1個零件，使用熱成型鋼（22MnB5）生產。熱成形門環原理如圖2所示。典型的門環技術使用激光焊接代替電阻點焊（簡稱點焊）將各部件連接在一起，焊縫的位置、數量以及各段的材料厚度可以根據性能和質量的需求靈活設定，提升了設計的自由度。

1.2 門環的工藝流程

門環的工藝流程如圖3所示，成形工序為落料-激光焊接-熱沖壓成形-激光切割。

1.3 熱成型材料的激光焊接

常見的熱成型材料分為裸板和鋁硅鍍層板。裸板的激光焊接不需要做額外處理，技術成熟度高。鋁硅鍍層板在激光焊接之前要除去部分鍍層，避免鍍層中的鋁元素影響焊縫的性能，如圖4所示。目前，這是安塞洛米塔爾的獨有專利技術，謳歌MDX、RDX和克萊斯勒Pacifica都是使用該技術。

2 門環的優勢

2.1 激光焊接的性能優勢

在不考慮小角度偏置碰之前，A柱加強板、B柱加強板、側圍上加強板和門檻加強板常規用材的抗拉強度如圖5所示，只有B柱加強板和側圍上加強板采用熱成型鋼。為了達到小角度偏置碰的要求，最簡單直接的方法就是把A柱加強板和門檻加強板的材料都改為熱成型鋼，這是目前大多數車型的解決方案。

但是，熱成型鋼板電阻點焊的焊點強度是有限的。研究表明，焊點周邊的塑性環是應力集中區域，是點焊結構強度和疲勞強度的破壞區，也是點焊結構疲勞壽命的起裂點[3-4]。圖6（a）是熱成形鋼點焊金相圖，中間區域是焊點內核，白色邊界外偏黑的區域是塑性環。通過試驗數據可以看到，塑性環的硬度不到400HV，低于熱成型鋼基板的硬度（500HV），如圖6（b）所示。

而激光焊縫的硬度達到500HV左右，接近熱成型鋼基板的硬度，而且超過熱成型鋼的硬度標準的最低要求（410HV），如圖7所示。

熱成型板材的激光焊使用填絲焊工藝，其焊縫位置厚度要厚于基板的厚度。從門環上5個不同焊縫位置取樣進行拉伸試驗，證明拉伸斷裂位置都在基板上（圖8），這表明熱成型鋼板激光焊的焊縫性能高于基板的。

因此，熱成型材料的激光焊接性能要優于電阻點焊。在常規點焊結構下為了保證車身性能達到要求，需要加長零件的搭接量從而布置大量的焊點，增加了零件及車身質量。

2.2 門環的質量優勢

門環一般使用5道焊縫設計，便于落料排樣設計，提高材料利用率，同時減小質量的效益較好。在性能相當的前提下，4個熱成形零件的常規方案和5道焊縫的門環方案如圖9所示，其材料厚度和質量如表1所示。

5道焊縫的門環方案相比4個熱成形零件的常規方案減小質量約3kg，左右兩側門環共減小質量6kg。所以，在同等性能的前提下5道焊縫的門環是質量更輕的方案，而在同等質量的前提下熱成形門環是性能更優的方案。

3 門環的成本

3.1 影響成本的因素

影響門環廣泛應用的關鍵原因之一在于成本。任何一項新技術在應用之初的成本都是相對高的。以普通熱成形零件為例，其十年前的成本要比現在貴近一倍。得益于技術的提升，材料、設備和零部件供應商的增多，推動了熱成形零件的成本不斷降低。而門環目前技術成熟度偏低，可以選擇的供應商也比較有限，所以成本還處在較高的水平。

門環的成本包括：板料費、加工費、工裝費分攤、包裝物流費和管理利潤等，而板料費又細分為：材料費、落料費、激光焊接費（包含去除鍍層）、工裝費分攤、包裝物流費和管理利潤等。相比常規熱成形零件成本，門環主要增加了激光焊接費（包含去除鍍層費用），由于零件復雜，加工費和工裝費分攤也有一定的增加。