O形件高強鋼拼焊板焊縫衝壓開裂問題的研究

文/楊大宇，倪剛，孫小會，曲科宇·一汽轎車股份有限公司

本文利用CAE模擬分析與現場調試相結合，分析O形件高強鋼拼焊板焊縫開裂的原因，針對不同原因給出相應的解決方案。通過驗證，找到O形件高強鋼拼焊板焊縫開裂的主要原因，並給出有效的解決措施，同時也為類似零件設計或類似問題的解決給出解決方法或參考建議。

隨著汽車工業的飛速發展，汽車行業競爭越來越激烈，在整車上突出安全性和輕量化設計。採用不等厚高強板激光拼焊板和全封閉結構，能有效的提高整車側碰撞能力及輕量化效果，並優化零部件匹配狀態。在此背景下，全封閉高強板激光拼焊的整體側圍加強板設計應運而生，但在衝壓生產過程中，零件的開裂始終是困擾製件合格率的難題，嚴重影響正常生產，本文通過分析整體側圍加強板零件焊縫開裂產生的原因、解決措施，積累了高強板不等厚激光拼焊板、全封閉結構衝壓件在生產過程中焊縫開裂問題的解決思路。

產品信息

側圍加強板零件的形狀比較複雜，是四周全封閉的O形高強鋼拼焊板零件。傳統車型A、B柱深度小於70mm，本文所研究的對象A柱深度78mm、B柱深度73mm。毛坯板料採用全封閉不等厚高強度板激光拼焊，拼焊後通過衝壓成形，拼焊板最高強度為TR380/590，製件尺寸為1453×1245(mm×mm)，重量為12.6kg。整體側圍激光拼焊加強板零件信息圖如圖1所示。

圖1 整體側圍加強板零件信息圖

制坯過程包括開卷落料、激光拼焊，成形過程包括拉延成形、斜楔修邊沖孔、整形修邊沖孔和修邊沖孔共四序，整個工藝過程如圖2所示，本文重點對拉延工序進行分析。

產品設計階段即對產品進行衝壓工藝同步分析，最初產品設計時，焊縫分割靠近產品拐角處圓弧的位置，通過CAE分析，由於此零件需要控制回彈及零件成形的穩定性，造成邊界調整的空間比較小，在零件下部凹圓角焊縫位置產生開裂，產品CAE分析圖如圖3所示。通過對產品結構及材料流動分析發現，零件的深度(H)、拐角處圓角(R)的大小及焊縫距拐角圓弧的距離(L)三個因素對焊縫開裂產生影響。通過不同設計條件下的CAE分析，得出三者對焊縫開裂的影響規律。針對TR380/590級別的高強鋼，當L＞75R/H時，成形過程中可以避免焊縫開裂，其中L為拼焊縫距拐角圓弧的距離，R為拐角圓弧的大小，H為拐角處產品的高度，如圖4所示。

圖2 工藝過程圖

圖3 CAE分析圖

圖4 L、H、R位置示意圖

R角的大小及H的高度對車身結構功能有影響，L的距離對車身強度有影響，產品依據工藝的反饋對加強板的角部結構及焊縫的分割進行優化。在保證L＞75R/H的前提下，側圍加強板深度增加10mm左右，角部R約95mm，從圖5的CAE分析結果可以看出，垂直焊縫切嚮應變值最大分別為①0.295、②0.163、③0.236。從圖6的FLD圖中可以看到，應變最大的點都在安全區間內。

圖5 CAE分析應變圖

圖6 FLD圖

在模具廠家調試階段，嚴格按照CAE分析時材料的流動狀態控制材料流動，實際的材料流動量與CAE分析基本一致，調試後拼焊縫未產生開裂。側圍加強板模具在返廠後進行批量驗證時，凹圓角附近焊縫多處出現開裂問題，現場零件缺陷圖如圖7所示。

通過對比發現，模具廠家調試用板料是通過方料拼焊後激光切割出來的，相鄰兩塊鋼板拼焊位置過渡平整，沒有內凹缺陷產生；而模具返廠後用板料是由5塊板料經過排樣沖裁後再拼焊在一起的，相鄰兩塊鋼板激光拼焊處存在5mm填充不飽滿區域及段差（圖8），這樣就使得拉延成形過程中，焊縫位置存在應力集中，產生開裂風險。

圖7 現場零件缺陷圖

圖8 模具返廠後板料焊縫狀態

通過對與現場板料狀態相似的焊縫端部板料邊界（圖9）進行CAE模擬分析，分析結果如圖10所示，在凹圓角附近焊縫發生開裂，與實際批量生產時出現的開裂位置一致。同時經過與鋼廠確認，此區域發生的開裂是激光拼焊工藝產生的固有缺陷無法消除，符合歐洲激光拼焊標準。

圖9 模擬焊縫端部板料邊界放大圖

圖10 CAE分析結果

現場對激光拼焊板料進行人工打磨焊縫位置，將焊縫端頭5mm處不飽滿區域打磨掉，同時將打磨處板料線圓滑過渡。通過生產驗證，開裂問題消除。但由於打磨對環境造成污染，打磨下來的屑料污染設備，成形過程會加速模具TD層的磨損，且人工打磨焊縫端頭存在打磨狀態不一致等問題，需要制定行之有效的解決方案。最後通過增加一套焊縫端頭沖裁落料模具，將焊縫端頭5mm處不飽滿區域沖裁掉。經過大批量驗證，徹底解決焊縫端頭開裂問題，如圖11所示。

圖11 現場零件圖片

本文結合實際生產，成功解決O形件高強鋼拼焊板焊縫開裂問題。同時給出了拼焊縫衝壓開裂問題的分析及解決方法，以及為現場調試或生產的類似問題給出解決思路。

⑴針對O形零件TR380/590級別的高強鋼拼焊板，零件成形時角部垂直於焊縫的切嚮應變值較大，需要拼焊板斷面有足夠的抗切嚮應力能力，以免造成邊界撕裂。高強鋼的擴孔率偏低，在拐角位置成形沒有問題的情況下，要保證L＞75R/H關係，可以避免焊縫開裂。

⑵在激光拼焊位置存在5mm焊接不飽滿區和段差，導致O形件在圓弧處焊縫開裂敏感性增加，焊接不飽滿區是目前激光焊接工藝固有的缺陷，無法消除，因此，在O形件高強鋼拼焊板零件設計時，焊縫位置靠近圓角區無法避免，工藝設計時考慮增加焊後沖裁工序，將5mm不飽滿焊縫區衝掉，從而解決激光拼焊縫開裂問題。

作者簡介 楊大宇，工程師，技術部衝壓技術科側圍組組長，主要從事汽車大型覆蓋件衝壓模具的設計開發及生產準備工作。