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解決方案

激光拼焊開(kāi)裂及門環(huán)輕量化設(shè)計(jì)

來(lái)源:沖壓幫2021-05-12 我要評(píng)論(0 )   

開(kāi)裂問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)裂狀態(tài)有以下2種:①激光拼焊縫位置開(kāi)裂(見(jiàn)圖1);②薄板區(qū)激光拼焊縫...

開(kāi)裂問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)裂狀態(tài)有以下2種:①激光拼焊縫位置開(kāi)裂(見(jiàn)圖1);②薄板區(qū)激光拼焊縫旁3~5mm位置開(kāi)裂(見(jiàn)圖2)。2種問(wèn)題的發(fā)生頻次有一定差異,第2種焊縫旁開(kāi)裂問(wèn)題發(fā)生的頻次較高(見(jiàn)表1),現(xiàn)將重點(diǎn)闡述第2種開(kāi)裂問(wèn)題的原因和解決方案。

圖1 激光拼焊縫開(kāi)裂


圖2 激光拼焊縫旁開(kāi)裂

開(kāi)裂問(wèn)題分析
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),差厚激光拼焊門內(nèi)板焊縫位置開(kāi)裂的問(wèn)題,主要是拼焊過(guò)程焊接質(zhì)量差導(dǎo)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(wèn)題是導(dǎo)致焊接質(zhì)量差的主要原因,做好焊接過(guò)程控制即可有效解決焊縫位置的開(kāi)裂問(wèn)題。現(xiàn)重點(diǎn)對(duì)拼焊縫旁開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行分析。

為分析差厚激光拼焊門內(nèi)板開(kāi)裂原因,將各開(kāi)裂零件狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂主要表現(xiàn)為薄板料焊縫旁3~5mm位置拉深過(guò)程的應(yīng)變超過(guò)極限,使材料拉裂。

將該零件工藝設(shè)計(jì)階段的CAE結(jié)果調(diào)取出來(lái)進(jìn)行檢查(見(jiàn)圖3),同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格試驗(yàn)分析(見(jiàn)圖4),結(jié)果顯示實(shí)際零件成形后狀態(tài)與CAE分析結(jié)果基本一致,可以確認(rèn)薄板區(qū)在局部位置材料應(yīng)變超過(guò)成形極限,產(chǎn)生開(kāi)裂。因此差厚激光拼焊門內(nèi)板焊縫旁開(kāi)裂問(wèn)題分析,應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。

板料拉深性能

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(xué)性能參數(shù)滿足零件拉深要求?,F(xiàn)探討的門內(nèi)板開(kāi)裂問(wèn)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(guān)鍵點(diǎn)。

調(diào)取生產(chǎn)過(guò)程中某時(shí)期內(nèi)0.7mm薄板性能參數(shù),與許可范圍進(jìn)行對(duì)比,各參數(shù)表現(xiàn)如下:屈服強(qiáng)度許可范圍120~210MPa,實(shí)際板料屈服強(qiáng)度133~154MPa;抗拉強(qiáng)度許可范圍≥260MPa,實(shí)際板料抗拉強(qiáng)度284~291MPa;斷后延伸率許可范圍≥42%,實(shí)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(shí)際板料厚向異型系數(shù)2.6~3.1;應(yīng)變硬化指數(shù)N90值許可范圍≥0.2,實(shí)際板料應(yīng)變硬化指數(shù)0.25~0.26,薄板性能達(dá)標(biāo)。

變形力和變形是作為評(píng)判焊縫質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn),可以通過(guò)杯突試驗(yàn)機(jī)獲得,一般以變形高度作為最終衡量標(biāo)準(zhǔn)。按照GB4156-84《金屬杯突試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),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(shí)期28批次的拼焊板料杯突結(jié)果顯示,板料杯突試驗(yàn)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(shè)計(jì)成一個(gè)封閉的整體式零件,進(jìn)而進(jìn)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(kāi)始迅速增長(zhǎng)。

輕量化門環(huán)的設(shè)計(jì)與材料機(jī)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(guān)。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(shù)對(duì)鋁硅涂層板進(jìn)行激光拼焊,但如果在激光拼焊前沒(méi)有去除涂層,涂層中含有的鋁會(huì)削弱焊縫,導(dǎo)致零件失效。
而如果采用無(wú)涂層鋼板制造熱沖壓激光拼焊件,雖無(wú)激光拼焊開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),但由于在一般的氣氛加熱爐內(nèi)存在大量氧氣,使得無(wú)涂層鋼板在加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生氧化皮,需要進(jìn)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(shù)與激光落料、激光拼焊技術(shù)相結(jié)合,對(duì)一體式門環(huán)的輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)拓思路,對(duì)熱沖壓零件的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)和借鑒意義。

工藝優(yōu)化對(duì)比

以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁點(diǎn)焊接門環(huán)方案與激光拼焊的無(wú)涂層板的方案進(jìn)行對(duì)比分析。
⑴原方案:4個(gè)零件是單獨(dú)成形,后續(xù)通過(guò)點(diǎn)焊裝配;優(yōu)化方案:采用激光拼焊整體成形。
⑵料厚保持原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
⑶原方案每個(gè)零件的匹配搭接處取消,改成激光拼焊縫(圖1),詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)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(duì)比

目前大部分通用落料線為壓力機(jī)與模具落料,壓力機(jī)與模具落料是利用壓力機(jī)和沖切模具進(jìn)行金屬板料的落料,壓力機(jī)一次開(kāi)合即完成一次料片的落料。其工作效率較高,但沖切時(shí),為保持沖切順利,每個(gè)成品料片間必須有8~10mm的縫隙,并且在更換新產(chǎn)品時(shí),需要重新設(shè)計(jì)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(duì)新產(chǎn)品的響應(yīng)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(duì)切割平臺(tái)上的板材進(jìn)行切割加工,從而完成料片的落料。激光切割時(shí),每個(gè)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(shí),在更換新產(chǎn)品時(shí),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(duì)新產(chǎn)品的響應(yīng)速度也快,其材料利用率如圖3所示,材料利用率對(duì)比詳見(jiàn)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(duì)比

圖3 激光落料材料利用率

現(xiàn)場(chǎng)效果驗(yàn)證

采用激光切割的落料方式,分別對(duì)厚度為1.4mm和1.6mm的22MnB5裸鋼板進(jìn)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?qū)柱板料、門檻板料、B柱板料和H柱板料進(jìn)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(duì)真空爐進(jìn)行抽真空,爐內(nèi)真空度在1~100Pa之間。將門環(huán)進(jìn)行加熱,加熱時(shí)間為300s。將奧氏體化后的門環(huán)坯料放入模具中進(jìn)行熱沖壓,其中轉(zhuǎn)移時(shí)間為10s,沖壓壓力為750t,保壓時(shí)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(wú)涂層門環(huán)的耐腐蝕性能,可對(duì)真空加熱后的門環(huán)進(jìn)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(duì)真空加熱的門環(huán)以及氣氛爐加熱的門環(huán)用金相法進(jìn)行氧化皮厚度測(cè)試,普通爐如不通入氮?dú)膺M(jìn)行氣氛保護(hù),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(jìn)行氣氛保護(hù),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(jié)束語(yǔ)

結(jié)合真空加熱爐技術(shù)與激光拼焊門環(huán)技術(shù),采用無(wú)涂層板制備一體式門環(huán),減重17%左右,且發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(hù)爐產(chǎn)生的氧化皮厚度。另外由于激光拼焊處無(wú)涂層,可以避免焊接開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn),無(wú)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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