自2014 年本田謳歌MDX首次采用熱成形門環(huán)，其后2016年克萊斯勒Pacifica再次采用相同技術開始［1］，熱成形門環(huán)技術越來越受到關注。目前，國內多家汽車制造商也已開始研究設計并量產熱成形門環(huán)，推動該技術快速發(fā)展的主要原因如下：（1）車身輕量化需求。熱成形門環(huán)能夠降低整車重量，實現(xiàn)輕量化的目標。這不僅可以提升燃油經濟性、車輛操作性及加速性能，還能夠減小制動距離、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)需求和輪胎滾動阻力，

降低碰撞時車輛結構能量；（2）車身結構安全要求。因25%小偏置碰撞法規(guī)、可變形移動避障側面碰撞試驗和新能源汽車試驗項目側面柱碰試驗等的實施［2］，傳統(tǒng)的車身結構在不斷升級的安全法規(guī)要求下存在不足。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)結構可以實現(xiàn)車身結構的一體化設計，使整車更加穩(wěn)定堅固。這種結構設計能夠有效地分散碰撞能量，可以承受更高的碰撞沖擊力，減少車身變形量和鈑金開裂風險，保護乘員安全；（3）熱成形技術的進步。隨著TWB拼焊不等厚板、TRB柔性軋制板、TTP軟區(qū)工藝和PB補丁板等技術在車身上的應用［3］，融合了這些新技術的一體式熱成形激光拼焊門環(huán)得到了進一步發(fā)展。門環(huán)技術的應用不僅提高汽車制造效率和整車質量穩(wěn)定性，也可以降低生產成本。綜上所述，一體式熱成形門環(huán)的應用在近年的整車車身結構設計中尤其重要。本文基于某三廂轎車的前門環(huán)設計方案，研究一體式熱成形激光拼焊門環(huán)優(yōu)化方案，為后續(xù)新車型開發(fā)設計提供參考。

1.2 熱成形沖壓成形技術

熱成形沖壓成形技術是一種利用熱作用對金屬材料進行塑性變形的方法。它結合了熱處理和沖壓成形的特點，通過加熱金屬材料使其達到可塑性狀態(tài)，然后通過沖壓工藝對其進行成形。具體工藝是，將板料放入加熱爐中加熱到 900 ℃左右，使其完全奧氏體化，然后通過機械手放到帶有冷卻水道的沖壓模具上進行快速沖壓成形，成形后保壓、冷卻淬火成馬氏體鋼。

熱成形沖壓成形技術具有以下優(yōu)點：（1）熱成形技術解決了超高強度成形問題，與高強度鋼的冷沖壓相比，不易出現(xiàn)起皺和開裂問題；（2）熱成形之后，制件的回彈小，零件尺寸精度高，減少模具調試整改周期；（3）變成馬氏體后，材料的抗拉強度可以達到1 600 MPa左右，顯著地提升車身的剛度和強度；（4）超高強度鋼的使用，在保證車身安全性能的前提下，可以降低鈑金厚度，從而降低零件重量，實現(xiàn)整車輕量化目標。近年來，隨著熱成形沖壓成形技術的成熟，越來越多地被應用到車身結構件中，如A柱、B柱及鉸鏈柱內外板、雪撬板、門檻內外板和前后縱梁等。

1.3  一體式熱成形激光拼焊門環(huán)的應用

在傳統(tǒng)的門環(huán)制造過程中，通常需要將多個鈑金零件通過點焊組合成完整的門環(huán)結構，這樣會導致板材利用率低下，造成材料的浪費，增加材料成本。一體式門環(huán)解決了傳統(tǒng)門環(huán)制造過程中多處重疊點焊導致的板材利用率較低和多層板焊接工藝問題。一體式門環(huán)主要技術路線有兩種：一種是等料厚一體熱成形，該技術減重效果較差，材料利用率低，性能變化不靈活；另一種是不等料厚激光拼焊熱成形，即一體式熱成形激光拼焊門環(huán)。它將激光拼焊技術和熱成形沖壓技術有效結合，實現(xiàn)車身安全性能、整車輕量化和生產制造之間的巧妙平衡，提高材料利用率，減少材料的浪費。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)主要工藝流程包括：落料、激光拼焊、熱沖壓成形和激光切割，如圖2所示。

02

設計方案優(yōu)化

成本較高是影響一體式熱成形激光拼焊門環(huán)被廣泛應用的主要原因之一。平衡成本和性能是各大整車企業(yè)研究熱成形門環(huán)的主要研究方向。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)單件成本由落料沖次費、材料成本、激光拼焊費、沖壓費、激光切割費和管理費組成，各成本要素占比如圖3所示，其中激光拼焊費占比高達23%。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)相比于傳統(tǒng)工藝和等料厚一體熱成形門環(huán)，主要差異點是增加了激光拼焊工藝。所以，合理設計焊縫數(shù)量、優(yōu)化焊縫位置可以有效地提高材料利用率、降低激光拼焊費用。

圖2  熱成型門環(huán)工藝流程

圖3  一體式熱成形激光拼焊門環(huán)各成本要素占比

該三廂轎車的前門環(huán)現(xiàn)有的結構設計方案是傳統(tǒng)工藝結構設計方案，分成6個部分（見圖4），各部分具體結構信息如表1所示。本文依托此base方案將前門環(huán)設計成一體式熱成形激光拼焊門環(huán)結構，同時綜合考慮門環(huán)性能、減重和成本，對分片數(shù)量、分片位置等方面進行優(yōu)化設計。

圖4 現(xiàn)有的結構設計方案

表1 各區(qū)域結構信息

2.1 分片數(shù)量優(yōu)化

本文分別設計出3道焊縫、4道焊縫和5道焊縫的方案進行分析對比，如圖5所示。不同分片數(shù)量方案的零件重量和成本對比如表2所示。與原始方案對比，3道焊縫設計方案在單片成本方面表現(xiàn)最優(yōu)，但該方案存在材料利用率低、減重效果欠佳且后期性能調整料厚不靈活等缺點。5道焊縫便于落料排樣設計，材料利用率最高，但該方案焊縫長度長，使單片成本大幅增大。4 道焊縫減重效果最佳，材料利用率與原始方案相比僅有小幅增加。綜合考慮減重、成本和性能調整靈活度3個方面，4道焊縫方案為此前門環(huán)的分片數(shù)量最優(yōu)解。

圖5 不同分片數(shù)量的門環(huán)方案對比

2.2 分片位置優(yōu)化

確定分片數(shù)量之后，需繼續(xù)對分片位置進行微調優(yōu)化。焊縫需要避開材料流動劇烈的地方，

保證焊縫距離R角50 mm以上，避免出現(xiàn)影響激光拼焊質量和成形性問題。同時，通過優(yōu)化焊縫位置來進一步減少激光焊縫長度，降低激光拼焊費用，從而有效節(jié)約門環(huán)單片成本。

表2 不同分片數(shù)量的門環(huán)方案成本對比

拼焊質量和成形性問題。同時，通過優(yōu)化焊縫位置來進一步減少激光焊縫長度，降低激光拼焊費用，從而有效節(jié)約門環(huán)單片成本。本文在上訴4道焊縫設計方案的基礎上，設計 了3種優(yōu)化分片位置方案，如圖6所示。3種優(yōu)化方案與原始方案的零件重量和成本對比，如表3所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案3的減重效果最好，焊縫長度最短，單片成本和模具成本相對最低。因此，本文最后選擇優(yōu)化方案3作為該車前門環(huán)的結構設計方案，將A柱加強板、鉸鏈柱加強板、門檻加強板及B柱加強板等部分通過激光拼焊的方式組合成一個整體，然后進行熱成形和激光切割得到所需零件。門環(huán)結構設計完成之后，再經模擬CAE碰撞性能試驗 ，進一步驗證其結構的合理性。

圖6 不同分片位置的門環(huán)優(yōu)化方案對比

2.3 成形分析優(yōu)化

一體式門環(huán)相比于原傳統(tǒng)的單件熱成形，體積較大、型面更復雜，一次成形后，成形性會有變化，容易在鉸鏈柱前端上部和下部的尖角處等區(qū)域出現(xiàn)鈑金開裂、過度減薄和局部起皺疊料等成形性問題。雖然采用熱成形工藝，成形性會比高強度鈑金的冷沖壓好，但在個別位置仍然需要調整，產品數(shù)模設計時要避免尖角、負角、小圓角等不利于成形的特征。圖7顯示了幾處一體式門環(huán)容易出現(xiàn)鈑金開裂、過度減薄和起皺疊料的位置。

圖7 成形性問題

為應對以上典型的開裂和起皺問題，需要有針對性地局部優(yōu)化。圖8給出了部分更改建議和解決方案。數(shù)模優(yōu)化后該門環(huán)成形狀態(tài)如圖9所示，可以看出成形問題有明顯改善。

表3  3種優(yōu)化方案與原始方案的零件質量和成本對比

圖8 成形性問題解決方案

圖9 優(yōu)化后成形狀態(tài)

分析以上幾處更改點，可以發(fā)現(xiàn)，這幾處更改點都是比較關鍵的地方，后期更改起來會比較困難。因此需要在前期設計階段識別出來，進行設計保護。同時，通過在特殊區(qū)域設置上壓料和下托料來控制板料在成形過程中的材料流動，設計不同的行程保證板料的穩(wěn)定性和可控性。

03

優(yōu)化結果對比

3.1 成本對比分析

經過成本對比，優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)單片成本略高于傳統(tǒng)工藝方案門環(huán)，整車成本增加約28元（單車2片），如表4所示。此外，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)的模具成本可與傳統(tǒng)工藝方案模具成本幾乎持平。

表4 兩種方案成本對比

3.2 重量對比分析

經過重量對比，優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)較傳統(tǒng)工藝方案門環(huán)單側減重2.82kg，如表5所示，整車減重5. 64 kg，減重超18. 6%。優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)明顯具有更優(yōu)的減重優(yōu)勢，更容易達到輕量化目標。

表5 兩種方案重量對比

3.3 性能對比分析

對傳統(tǒng)工藝門環(huán)和優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)分別進行SOF碰撞模擬分析，碰撞結果如圖10及表6所示。從對比圖和表中數(shù)據(jù)可以看出，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)相比于傳統(tǒng)工藝門環(huán)，大部分區(qū)域的鈑金變形和侵入量都更小。A柱上鉸鏈位置的侵入量下降15.6mm，上儀表板位置的侵入量下降32.8mm，優(yōu)化后滿足碰撞性能目標值。

圖10 SOF碰撞結果對比圖

表6 SOF碰撞結果侵入量/mm

經過SOF碰撞模擬分析對比，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)對駕駛艙的侵入量更小，特別是對于車體上部的侵入量的優(yōu)化尤為顯著，表現(xiàn)出更優(yōu)異的安全性能。 

04

結語

本文針對某三廂轎車的側圍前門環(huán)結構設計方案進行研究，介紹了結合激光拼焊技術和熱成形沖壓技術的一體式熱成形激光拼焊門環(huán)技術。綜合考慮成本、重量及性能要求，提出了幾種不同分片設計的門環(huán)結構方案，并針對成形性進行數(shù)模設計優(yōu)化。圍繞成本、重量和性能三方面的對比分析，最終確定前門環(huán)的結構方案，進一步提升一體式熱成形激光拼焊門環(huán)在成本、輕量化和安全性能方面上的優(yōu)勢。最后，研究結果不僅解決了該項目的門環(huán)結構設計問題，也為后續(xù)車型的前門環(huán)提供了設計參考。

參考文獻

［1］覃顯峰，謝國文，劉偉，等. 激光焊接在熱成形門環(huán)中的應用研究［J］. 熱加工工藝，2022，51（9）：52-55，59.

［2］劉江波，趙震，張羽，等. 整體式熱成形門環(huán)技術在輕量化車身上的應用［J］. 汽車實用技術，2023，48（5）：138-142.

［3］周槿楓，孔嬌龍，耿娟. 應用熱成形技術實現(xiàn)白車身輕量化實踐案例［J］. 時代汽車，2021（15）：130-131.

［4］YAN Q，CAO N. Research on the Properties of TWB for Automobiles［J］. Proc. SPIE，2022，4915：117-123.

［5］YAN Q，CAO N，YU N F. Research on the Properties of Laser Welded Joints of Aluminum Killed Cold Rolled Steel［J］. China Welding，2002，11（2）：143-147.

文章來源：

沈怡，張藝馨 （泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208） 發(fā)表于《上海汽車》