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奚松山：激光拼焊技术的优点以及其在汽车行业的应用 奚松山 激光拼焊技术的出现使得汽车生产制造从整车制造商向材料供应商转移。激光焊接技术是蒂森克虏伯公司在不断适应风云变幻的市场情况下与我们的客户一起共同研制的。最新的研究成果和生产设备、数控生产技术、产品质量的严格把关，再加上我们对客户的竭诚服务使我们能够不断满足客户的各种制造要求。 激光拼焊板的各项应用使得这项技术能给使用者带来一系列的好处，具体概括如下： - 优化零部件制造工艺，降低重量和生产成本; - 更少的部件数量使采购环节得以简化，同时提高了零部件的尺寸精度; - 部件的减少伴随生产设备的减少和制造工艺的简化，使生产效率提高同时投资减少; - 由于不再需要加强板，也没有搭接接缝，使层积构件的抗腐蚀性能大大提高; - 搭接接缝的减少也使以前所必需的密封工作和密封材料不再必要，降低成本的同时也使生产过程更加环保; - 拼焊板的成形加工性能和母材基本保持一致; - 不同材质、不同厚度和不同涂层的组合使部件的冲压性能得以最大发挥; - 精心选择材料的厚度和质量，使零部件的强度和碰撞特性得到本质的改良。 激光拼焊板主要应用于汽车工业，但是它也可以应用于其他需要优化零部件和组装性能的领域例如家用电器工业。 拼焊板使用的技术问题，最主要的是由焊缝区组织变化所造成的成形性能下降和焊缝移动等因素引起的工装制造难题。 1.拼焊板的冲压成形性能 对拼焊板成形性能的研究表明： (1)激光焊接后的焊接接头部位强度比母材部分有一定程度的提高，厚度比率的变化对强度的影响没有材料等级比率变化影响大，不同等级材料的焊接接头强度主要取决于低强度等级的材料。 (2)焊接接头部位成形性能比母材有一定程度的降低，随拼焊厚度差异和强度差异的增加，成形性能降低。 (3)对于不等厚拼焊板，拉伸方向与焊缝方向相同时，拼焊板塑性变形能力明显降低，薄侧比例越小则降低越多。 (4)拼焊板的拉伸破坏方式一般有两种：一是当焊缝与拉伸方向一致时，由于焊缝的塑性比母材低，焊缝部位往往被拉断;二是当焊缝与拉伸方向垂直时，薄侧母材容易产生过量减薄而拉裂。 此外，拼焊板在实际使用中不仅要关注其成形性能，还要考虑到其不同的料厚差异对后续工序的影响，如料厚差异较大或者性能差异较大的焊缝线应避免穿过小孔冲压位置(易导致小孔折弯或断裂)等。 2.拼焊板的焊缝移动及其工艺对策 焊缝移动是拼焊板区别于普通整板生产的根本因素，也是产品设计及工艺分析是否成功的根本。根据拉延工艺理论和相关的实验论证可以得出以下结论：焊缝移动方向和移动距离主要取决于焊缝两侧材料强度比、焊缝位置以及拉伸压边力分布等。 由于焊缝移动量只能减小而不能消除，这就需要在焊缝处不等厚模面侧一定范围内设定料厚空开面。空开面向料薄一侧空开，压料面区域空开相应较大，凹模凸模对应处相应较小。 采用夹紧装置可以明显改善焊缝移动程度，使得焊缝移动量减少72.6%～84.9%。实际的车身覆盖件设计中，也可以在产品结构可能的情况下，在靠近焊缝处设计合理的加强筋等结构，通过模具结构先成形焊缝部位从而控制焊缝的移动。 除采取必要的工艺措施控制和减少焊缝移动之外，还应该在焊缝移动区对模具结构采用合金镶块等措施控制型面的磨损和拉毛。 3.焊缝移动的CAE分析 随着计算机技术的发展，已经能够应用CAE手段对拼焊板的焊缝移动规律进行更为准确的分析，这为产品设计提供了合理的依据，也为制造工艺的合理化打下了坚实的基础。图4为中型车侧围内板拼焊生产的CAE分析结果，它清晰的反映了各部位的焊缝移动量及整体拉延状况等。 中型车侧围内板拼焊位置的确定及其对成本的影响 中型卡车驾驶室侧围分别由料厚0.75mm的侧围角板和料厚1.6mm的侧围内板组成，分界线为图示的弯延曲线。最初工艺为两个零件分别成形再焊接成整体。按该方案相应的冲压排样及材料利用效果如图6所示。可以看出该方案的缺点是材料利用率极低，分别为36.2%和43.9%，同时零件生产工艺性也较差。考虑到两件的装配关系，初步判断如采用拼焊方式生产将有效改善产品工艺性和降低成本。 激光拼焊产品的设计意图能否通过工艺得到最好的实现，其关键的环节就在于拼焊焊缝的位置选择是否成功。焊缝位置的设定不仅要考虑产品功能和结构的需要，还要从冲压工艺性的要求、成本的要求等方面综合考虑，三者有机结合才会得到最优的设计结构和整车质量。 依据拉延理论和拼焊成形技术的研究成果等要求，可以得到以下选择焊缝位置的基本原则： 1)焊缝的选择首先要满足产品结构和功能的要求。 (2)焊缝为直线，且最好保证在完成工艺排样后为方形板料拼焊。 (3)焊缝应避免穿越产生拉延效果很大的区域，特别要防止焊缝平行穿越成形R区域。 (4)由于不同料厚的冲裁间隙差异，要尽可能避免焊缝穿越小孔冲裁位置。 以图5所示的侧围为例，产品最初设计结构为弯曲的折线。以该曲线为焊缝是拼焊技术目前所不能满足的，同时该曲线在图示A/B部位会由于拉延时焊缝的移动造成小孔处可能出现0.75mm、1.6mm两种料厚，这容易导致小孔冲头的弯曲或折断，因而需要重新选择焊缝位置。 按照焊缝设定原则(1)和(2)的要求首选的焊缝位置如图5红粗线所示。该焊缝的主要缺点在于拉延时焊缝向厚料移动仍会使A孔出现不同料厚，同时由于A处凸包起伏形状较大，可能出现拉延开裂。结合图5中A、C两孔的位置关系将拼焊线调整至图7所示位置，基本满足了相关各项要求。 结语 激光拼焊板作为一种新的工艺手段，给车身制造带来新的产品解决方案，并给质量提高和成本降低带来了新的机遇。同时由于其工艺实施的特殊性，需要产品设计、冲压工艺和模具制造等相关人员更为密切的配合，才能最终制造出既满足结构和性能要求、工艺合理稳定、成本最低的合格产品。
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