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运用新工艺技术是轻量化的重要手段之一。本文简述了侧围内、外双门环结构在某车型上的成形工艺和具体应用，并验证了内、外双门环对整车强度的贡献量。内、外双门环成形运用了热成形激光拼焊技术，在生产开发中节约了模具设计及制造成本，而且实现了轻量化，门环减重超过了12%。 随着消费者对于汽车在燃油经济性及车身安全性能方面的要求越来越高，汽车车身结构的轻量化设计显得更加重要，在保证足够的刚度、强度的同时，又要满足碰撞安全性能，而且不能增加车身重量。研究表明：汽车的燃油消耗与汽车的自身重量成正比，汽车轻量化在节能减排方面有着重要的作用。 汽车轻量化包含车身结构优化、选用轻量化材料、生产工艺优化等。本文介绍了在车身结构及生产工艺优化中通过结构少件化设计，即采用激光拼焊及热成形技术可实现整车轻量化，使汽车具有更好的碰撞性能和更高的材料利用率。 门环设计与分析环状路径车身(图1)按位置可划分为16 个环，涵盖路径连通性、截面连续性和抗弯抗扭变形能力三个方面，而从性能影响的角度可以分为4 大类，分别是耐久环、刚度环、吸能环、安全环。
图1 环状路径车身示意图 第 一 类：耐 久 环， 如Front-Ring、Triangular Window-Ring 和Hood-Ring； 第二类：刚度环，如C-Ring、Damper-Ring、D-Ring和Front Windshied-Ring； 第三类：吸能环，如Front Energy-Ring、Rear Energy-Ring 和Shotgun-Ring； 第四类：安全环，如A-Ring、B-Ring、Front Floor-Ring、Fuel Tank-Ring、Front Door-Ring( 图2)和Rear Door-Ring。
图2 Front Door-Ring 提高非薄弱处的刚度不会有效增加整体刚度，或者说适当减少非薄弱处的刚度不会显著降低结构整体刚度。内、外热成形激光拼焊双门环是通过少件化结构设计，将传统点焊工艺中前门环结构设计为内、外两个整体零件，通过激光拼焊技术实现不同板厚的组合，同时，采用热成形冲压技术将内、外双门环一体冲压成形，使得材料与环状结构的匹配发挥出最佳的性能状态，实现了合适的材料使用在合适的地方，从而实现轻量化设计。 材料选择与不等厚设计为实现车身的轻量化设计，本文提到的内、外双门环设计与传统方案相比需满足以下3 点要求：⑴完整的Front Door-Ring 截面路径，提升了碰撞安全性能；⑵相比于传统点焊的前门环结构，重量降低了10%；⑶投资成本及单件成本都有所降低。 由于板料需要良好的热成形性能，而且将板料用于成形门环需要较高的压力，因此在材料选择上采用22MnB5 热成形钢板。22MnB5 既可以提高防撞安全性，又可以实现白车身轻量化。22MnB5 超高强钢板在轧制成形后，材料组织为均匀的铁素体和珠光体，而经过热处理后变为均匀的马氏体组织，屈服强度可达1200MPa，抗拉强度可达1600MPa，为普通钢板强度的3 ～4 倍，是最高强度级别的汽车用钢板。 通过多次优化验算，如图3 所示，内门环板料分缝为四处，分别是上A 柱内板22MnB5/1.2mm，下A柱内板22MnB5/1.5mm，B 柱内板22MnB5/1.2mm，门槛内板22MnB5/1.5mm；外门环板料分缝为四处，分别是上A 柱加强板22MnB5/1.2mm，下A 柱加强板22MnB5/1.2mm，B 柱加强板22MnB5/1.4mm，门槛加强板22MnB5/1.2mm。
图3 板料四处分缝 性能分析通过进行25%偏置碰撞分析验证，对比传统冲压焊接工艺结构和热成形内、外双门环两种结构方案，从图4、图5 中的安全分析结果对比可见，两种Front Door-Ring 在碰撞时，采用热成形内、外双门环的车身驾驶舱的侵入量相对较小，可以更好地保护驾乘人员的安全。
图4 传统侧围门环结构及安全分析结果
图5 内、外双门环结构及安全分析结果 由表1 不难发现，内、外双门环结构在前排成员座舱，包括A 柱下铰链、A 柱上铰链、踏脚板、左侧足板、转向管柱等位置的侵入量均有较大幅度下降。 表1 两种结构侵入量(单位：mm)
综合来讲，在上述碰撞分析中采用侧围内、外双门环的结构对前排驾乘人员安全空间的保护都远远大于传统工艺结构的分析结果，安全性能高于传统侧围的Front Door-Ring 结构。 工艺与成本、重量门环工艺流程一体式门环热成形(图6)是将硼钢板加热至890 ～950℃，并保持一定时间，使其内部晶体结构转化为奥氏体化状态，然后进行高温冲压，并在模具内保压进行快速冷却(＞27℃/s)，进行淬火硬化处理使其板件内部晶体转化为马氏体，提升零部件的强度及硬度。其中，加热过程直接影响到高强度钢板的拉延成形性能，冲压过程中的保压冷却速度对零件强度的硬化起到决定性的作用。
图6 一体式门环工艺流程图 热成形门环的工艺过程特点热成形门环的原材料一般分为裸板和镀层板两种，裸板即热成形板料表面没有镀层，因无需做表面处理，大部分厂家都可以生产。由于裸板成形后需进行抛丸、涂装防腐处理等工艺，其后处理方式会对零件的精度造成一定影响，故生产验证阶段需充分验证调试。虽然镀层热成形材料有很好的防腐性能，但其受专利保护的同时成本较裸板高，因此当前国内主要推荐采用的是无镀层的裸板材料。然而，由于裸板板料表面无镀层，裸板板料冲压过程中容易发生粘模，影响生产效率。 热成形件其孔位、料边等均采用激光加工，所以要充分评估激光生产资源，满足生产节拍。抛丸清理是为了去除表面氧化皮等杂质，更改其显微组织结构，同时，抛丸可以消除零件内的残余应力，改变零部件的表面粗糙度，从而提高零件的疲劳断裂抗力。 成本和重量分析采用内、外双门环热成形激光拼焊工艺，其工艺过程是在冲压前将厚度不同的板料通过激光焊接连接在一起，相比于传统点焊结构减少了焊接搭接边的零件尺寸，大大提升了材料利用率，降低了零件成本、重量及开发固投费用。 从表2 可以看出，热成形双门环的单车成本相对传统分件结构单车成本节省约100 元，单车减重5kg，开发固投费用可减少约650 万元，材料利用率提高15%左右，总成的焊接工时可节约140s，相当于减少操作工人10 名，节省人工费用约200 万元。 表2 传统结构和门环结构差异说明
注：A、B、C 为传统门环结构的基础数值。 结束语综合考虑到工艺、成本和性能等因素，内、外双门环热成形在性能方面保证了车身的强度和刚度，满足了碰撞安全性能的要求。同时，在工艺方面一体式门环运用了热成形和激光拼焊技术，减少了门环结构的零部件数量，提升了零部件质量，同等强度下降低了板料的厚度，进而实现了车身轻量化、少件化。在成本方面，该技术的应用降低了设计与生产工装投入及制造成本。
赵静远 高级工程师，致力于车身骨架系统少件化、轻量化结构方案研究及应用，曾经国内首创一体式内外双门环应用，在保证了车身骨架的碰撞安全性能的前提下，实现车身重量的降低，为车身碰撞安全提升提供了新的思路。 |
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