傳統(tǒng)工藝中汽車(chē)車(chē)身零件有兩種成形方法：分離成形和整體成形。分離成形方法是將大型零件分成小型單個(gè)件分別成形，然后焊接成部件，其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)各部位的要求選擇不同材質(zhì)、不同厚度的材料；缺點(diǎn)是需要更多的工裝模具和設(shè)備的投入，制造成本較高，同時(shí)焊接總成的配合精度和整車(chē)質(zhì)量也有所下降。整體成形法是用整體板料直接成形大型零件。主要的優(yōu)點(diǎn)是工裝模具和設(shè)備的投入大大減少，制造成本相對(duì)較低，產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高；缺點(diǎn)是必須對(duì)零件所有部位采用相同材質(zhì)和相同厚度的材料，難以很好的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的需要。 激光拼焊板技術(shù) 激光拼焊板技術(shù)是基于成熟的激光焊接技術(shù)發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，是通過(guò)高能量的激光將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板再?zèng)_壓生產(chǎn)，以滿(mǎn)足零部件不同部位對(duì)材料不同性能的要求。拼焊板工藝的出現(xiàn)解決了由傳統(tǒng)單一厚度材料所不能滿(mǎn)足的超寬板及零件不同部位具有不同工藝性能要求的工藝問(wèn)題。圖1為分別成形、整體成形和激光拼焊成形生產(chǎn)轎車(chē)側(cè)圍外板的示意圖。 圖1 轎車(chē)側(cè)圍外板成形方法比較激光拼焊板的優(yōu)勢(shì) 采用激光拼焊板有著巨大的優(yōu)勢(shì)，可以給汽車(chē)制造業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在：使整車(chē)零件數(shù)量大大減少，簡(jiǎn)化了點(diǎn)焊工藝，提高了車(chē)身尺寸精度減少了質(zhì)量問(wèn)題，材料厚度的可變性保證了對(duì)重要位置的強(qiáng)化等方面。 圖2所示為東風(fēng)中型車(chē)駕駛室整體頂蓋采用激光拼焊板成功進(jìn)行生產(chǎn)的實(shí)例，圖3所示為東風(fēng)重型車(chē)分離成形后焊接的頂蓋總成示意圖。拼焊整體沖壓比分件沖壓取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益：模具投資由原先的490萬(wàn)元減少到360萬(wàn)元；減少了設(shè)備占用面積和操作人員數(shù)量；零件重量由于搭接面的減少而降低了0.55kg，材料利用率達(dá)到了相對(duì)最高的76.8%，材料消耗減少了5.33kg/輛。 圖2 中型車(chē)一排半駕駛室整體頂蓋 圖3 重型車(chē)標(biāo)車(chē)前后頂總成激光拼焊板的沖壓成形工藝性 拼焊板使用的技術(shù)問(wèn)題，最主要的是由焊縫區(qū)組織變化所造成的成形性能下降和焊縫移動(dòng)等因素引起的工裝制造難題。 1.拼焊板的沖壓成形性能 對(duì)拼焊板成形性能的研究表明： （1）激光焊接后的焊接接頭部位強(qiáng)度比母材部分有一定程度的提高，厚度比率的變化對(duì)強(qiáng)度的影響沒(méi)有材料等級(jí)比率變化影響大，不同等級(jí)材料的焊接接頭強(qiáng)度主要取決于低強(qiáng)度等級(jí)的材料。 （2）焊接接頭部位成形性能比母材有一定程度的降低，隨拼焊厚度差異和強(qiáng)度差異的增加，成形性能降低。 （3）對(duì)于不等厚拼焊板，拉伸方向與焊縫方向相同時(shí)，拼焊板塑性變形能力明顯降低，薄側(cè)比例越小則降低越多。 （4）拼焊板的拉伸破壞方式一般有兩種：一是當(dāng)焊縫與拉伸方向一致時(shí)，由于焊縫的塑性比母材低，焊縫部位往往被拉斷；二是當(dāng)焊縫與拉伸方向垂直時(shí)，薄側(cè)母材容易產(chǎn)生過(guò)量減薄而拉裂。 此外，拼焊板在實(shí)際使用中不僅要關(guān)注其成形性能，還要考慮到其不同的料厚差異對(duì)后續(xù)工序的影響，如料厚差異較大或者性能差異較大的焊縫線(xiàn)應(yīng)避免穿過(guò)小孔沖壓位置（易導(dǎo)致小孔折彎或斷裂）等。 2.拼焊板的焊縫移動(dòng)及其工藝對(duì)策 焊縫移動(dòng)是拼焊板區(qū)別于普通整板生產(chǎn)的根本因素，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝分析是否成功的根本。根據(jù)拉延工藝?yán)碚摵拖嚓P(guān)的實(shí)驗(yàn)論證可以得出以下結(jié)論：焊縫移動(dòng)方向和移動(dòng)距離主要取決于焊縫兩側(cè)材料強(qiáng)度比、焊縫位置以及拉伸壓邊力分布等。 由于焊縫移動(dòng)量只能減小而不能消除，這就需要在焊縫處不等厚模面?zhèn)纫欢ǚ秶鷥?nèi)設(shè)定料厚空開(kāi)面。空開(kāi)面向料薄一側(cè)空開(kāi)，壓料面區(qū)域空開(kāi)相應(yīng)較大，凹模凸模對(duì)應(yīng)處相應(yīng)較? ? 采用夾緊裝置可以明顯改善焊縫移動(dòng)程度，使得焊縫移動(dòng)量減少72.6%～84.9%。實(shí)際的車(chē)身覆蓋件設(shè)計(jì)中，也可以在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可能的情況下，在靠近焊縫處設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，通過(guò)模具結(jié)構(gòu)先成形焊縫部位從而控制焊縫的移動(dòng)。 除采取必要的工藝措施控制和減少焊縫移動(dòng)之外，還應(yīng)該在焊縫移動(dòng)區(qū)對(duì)模具結(jié)構(gòu)采用合金鑲塊等措施控制型面的磨損和拉毛。 3.焊縫移動(dòng)的CAE分析 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠應(yīng)用CAE手段對(duì)拼焊板的焊縫移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分析，這為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了合理的依據(jù)，也為制造工藝的合理化打下了堅(jiān)實(shí)的基? Ｍ?為中型車(chē)側(cè)圍內(nèi)板拼焊生產(chǎn)的CAE分析結(jié)果，它清晰的反映了各部位的焊縫移動(dòng)量及整體拉延狀況等。 圖4 拼焊板整體沖壓CAE分析結(jié)果中型車(chē)側(cè)圍內(nèi)板拼焊位置的確定及其對(duì)成本的影響 圖5為中型卡車(chē)駕駛室側(cè)圍示意圖，分別由料厚0.75mm的側(cè)圍角板和料厚1.6mm的側(cè)圍內(nèi)板組成，分界線(xiàn)為圖示的彎延曲線(xiàn)。最初工藝為兩個(gè)零件分別成形再焊接成整體。按該方案相應(yīng)的沖壓排樣及材料利用效果如圖6所示。可以看出該方案的缺點(diǎn)是材料利用率極低，分別為36.2%和43.9%，同時(shí)零件生產(chǎn)工藝性也較差。考慮到兩件的裝配關(guān)系，初步判斷如采用拼焊方式生產(chǎn)將有效改善產(chǎn)品工藝性和降低成本。 圖5 中型卡車(chē)駕駛室側(cè)圍 圖6 分件生產(chǎn)排樣及材料利用效果1.焊縫位置的選擇 激光拼焊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖能否通過(guò)工藝得到最好的實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就在于拼焊焊縫的位置選擇是否成功。焊縫位置的設(shè)定不僅要考慮產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的需要，還要從沖壓工藝性的要求、成本的要求等方面綜合考慮，三者有機(jī)結(jié)合才會(huì)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和整車(chē)質(zhì)量。 依據(jù)拉延理論和拼焊成形技術(shù)的研究成果等要求，可以得到以下選擇焊縫位置的基本原則： （1）焊縫的選擇首先要滿(mǎn)足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的要求。 （2）焊縫為直線(xiàn)，且最好保證在完成工藝排樣后為方形板料拼焊。 （3）焊縫應(yīng)避免穿越產(chǎn)生拉延效果很大的區(qū)域，特別要防止焊縫平行穿越成形R區(qū)域。 （4）由于不同料厚的沖裁間隙差異，要盡可能避免焊縫穿越小孔沖裁位置。 以圖5所示的側(cè)圍為例，產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為彎曲的折線(xiàn)。以該曲線(xiàn)為焊縫是拼焊技術(shù)目前所不能滿(mǎn)足的，同時(shí)該曲線(xiàn)在圖示A/B部位會(huì)由于拉延時(shí)焊縫的移動(dòng)造成小孔處可能出現(xiàn)0.75mm、1.6mm兩種料厚，這容易導(dǎo)致小孔沖頭的彎曲或折斷，因而需要重新選擇焊縫位置。 按照焊縫設(shè)定原則（1）和（2）的要求首選的焊縫位置如圖5紅粗線(xiàn)所示。該焊縫的主要缺點(diǎn)在于拉延時(shí)焊縫向厚料移動(dòng)仍會(huì)使A孔出現(xiàn)不同料厚，同時(shí)由于A處凸包起伏形狀較大，可能出現(xiàn)拉延開(kāi)裂。結(jié)合圖5中A、C兩孔的位置關(guān)系將拼焊線(xiàn)調(diào)整至圖7所示位置，基本滿(mǎn)足了相關(guān)各項(xiàng)要求。 圖7 基本滿(mǎn)足相關(guān)要求的焊縫位置2.成本因素對(duì)焊縫位置的影響 圖8所示為東風(fēng)某車(chē)型側(cè)圍，初步設(shè)計(jì)階段的拼焊線(xiàn)如紅線(xiàn)所示。針對(duì)該方案的CAE分析結(jié)果為焊縫沿線(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂（圖9）。其主要原因在于圖示A處靠近R角，變形劇烈。 圖8 某車(chē)型側(cè)圍及其拼焊線(xiàn) 圖9 初定焊縫位置CAE結(jié)果考慮該件的造型特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足工藝性的焊縫線(xiàn)如圖8藍(lán)線(xiàn)所示，CAE效果良好。對(duì)比圖8的兩條焊縫線(xiàn)可以看出，完全滿(mǎn)足工藝性的方案1.6mm厚料區(qū)明顯加大，因而零件重量加大、材料消耗也明顯增加，所以該方案也不是最佳的結(jié)果。 能否類(lèi)比圖7的方式按圖10設(shè)定拼焊線(xiàn)呢？若按照該方案實(shí)施，將最大限度符合產(chǎn)品要求并大大減少厚料區(qū)域，從而降低產(chǎn)品成本。 工藝分析圖10方案最大的風(fēng)險(xiǎn)是臺(tái)階和斜面區(qū)域可能出現(xiàn)焊縫區(qū)開(kāi)裂（CAE分析也印證了這一結(jié)果），需要對(duì)該區(qū)做相應(yīng)設(shè)計(jì)更改。產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)依據(jù)分析對(duì)相應(yīng)區(qū)域做了斜面變緩和過(guò)渡處理，圖11所示為經(jīng)過(guò)產(chǎn)品優(yōu)化后滿(mǎn)足產(chǎn)品、工藝、成本諸因素的CAE分析結(jié)果。 圖10 類(lèi)比設(shè)定的拼焊線(xiàn) 圖11 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)后滿(mǎn)足工藝及成本的CAE結(jié)果結(jié)語(yǔ) 激光拼焊板作為一種新的工藝手段，給車(chē)身制造帶來(lái)新的產(chǎn)品解決方案，并給質(zhì)量提高和成本降低帶來(lái)了新的機(jī)遇。同時(shí)由于其工藝實(shí)施的特殊性，需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)、沖壓工藝和模具制造等相關(guān)人員更為密切的配合，才能最終制造出既滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)和性能要求、工藝合理穩(wěn)定、成本最低的合格產(chǎn)品。