O形件高强钢拼焊板焊缝冲压开裂问题的研究

文/杨大宇，倪刚，孙小会，曲科宇·一汽轿车股份有限公司

O形件高强钢拼焊板焊缝冲压开裂问题的研究

文/杨大宇，倪刚，孙小会，曲科宇·一汽轿车股份有限公司

本文利用CAE模拟分析与现场调试相结合，分析O形件高强钢拼焊板焊缝开裂的原因，针对不同原因给出相应的解决方案。通过验证，找到O形件高强钢拼焊板焊缝开裂的主要原因，并给出有效的解决措施，同时也为类似零件设计或类似问题的解决给出解决方法或参考建议。

随着汽车工业的飞速发展，汽车行业竞争越来越激烈，在整车上突出安全性和轻量化设计。采用不等厚高强板激光拼焊板和全封闭结构，能有效的提高整车侧碰撞能力及轻量化效果，并优化零部件匹配状态。在此背景下，全封闭高强板激光拼焊的整体侧围加强板设计应运而生，但在冲压生产过程中，零件的开裂始终是困扰制件合格率的难题，严重影响正常生产，本文通过分析整体侧围加强板零件焊缝开裂产生的原因、解决措施，积累了高强板不等厚激光拼焊板、全封闭结构冲压件在生产过程中焊缝开裂问题的解决思路。

产品信息

侧围加强板零件的形状比较复杂，是四周全封闭的O形高强钢拼焊板零件。传统车型A、B柱深度小于70mm，本文所研究的对象A柱深度78mm、B柱深度73mm。毛坯板料采用全封闭不等厚高强度板激光拼焊，拼焊后通过冲压成形，拼焊板最高强度为TR380/590，制件尺寸为1453×1245(mm×mm)，重量为12.6kg。整体侧围激光拼焊加强板零件信息图如图1所示。

图1 整体侧围加强板零件信息图

工艺分析

制坯过程包括开卷落料、激光拼焊，成形过程包括拉延成形、斜楔修边冲孔、整形修边冲孔和修边冲孔共四序，整个工艺过程如图2所示，本文重点对拉延工序进行分析。

产品设计阶段即对产品进行冲压工艺同步分析，最初产品设计时，焊缝分割靠近产品拐角处圆弧的位置，通过CAE分析，由于此零件需要控制回弹及零件成形的稳定性，造成边界调整的空间比较小，在零件下部凹圆角焊缝位置产生开裂，产品CAE分析图如图3所示。通过对产品结构及材料流动分析发现，零件的深度(H)、拐角处圆角(R)的大小及焊缝距拐角圆弧的距离(L)三个因素对焊缝开裂产生影响。通过不同设计条件下的CAE分析，得出三者对焊缝开裂的影响规律。针对TR380/590级别的高强钢，当L＞75R/H时，成形过程中可以避免焊缝开裂，其中L为拼焊缝距拐角圆弧的距离，R为拐角圆弧的大小，H为拐角处产品的高度，如图4所示。

图2 工艺过程图

图3 CAE分析图

图4 L、H、R位置示意图

R角的大小及H的高度对车身结构功能有影响，L的距离对车身强度有影响，产品依据工艺的反馈对加强板的角部结构及焊缝的分割进行优化。在保证L＞75R/H的前提下，侧围加强板深度增加10mm左右，角部R约95mm，从图5的CAE分析结果可以看出，垂直焊缝切向应变值最大分别为①0.295、②0.163、③0.236。从图6的FLD图中可以看到，应变最大的点都在安全区间内。

图5 CAE分析应变图

图6 FLD图

调试生产验证

在模具厂家调试阶段，严格按照CAE分析时材料的流动状态控制材料流动，实际的材料流动量与CAE分析基本一致，调试后拼焊缝未产生开裂。侧围加强板模具在返厂后进行批量验证时，凹圆角附近焊缝多处出现开裂问题，现场零件缺陷图如图7所示。

通过对比发现，模具厂家调试用板料是通过方料拼焊后激光切割出来的，相邻两块钢板拼焊位置过渡平整，没有内凹缺陷产生；而模具返厂后用板料是由5块板料经过排样冲裁后再拼焊在一起的，相邻两块钢板激光拼焊处存在5mm填充不饱满区域及段差（图8），这样就使得拉延成形过程中，焊缝位置存在应力集中，产生开裂风险。

图7 现场零件缺陷图

图8 模具返厂后板料焊缝状态

通过对与现场板料状态相似的焊缝端部板料边界（图9）进行CAE模拟分析，分析结果如图10所示，在凹圆角附近焊缝发生开裂，与实际批量生产时出现的开裂位置一致。同时经过与钢厂确认，此区域发生的开裂是激光拼焊工艺产生的固有缺陷无法消除，符合欧洲激光拼焊标准。

图9 模拟焊缝端部板料边界放大图

图10 CAE分析结果

现场对激光拼焊板料进行人工打磨焊缝位置，将焊缝端头5mm处不饱满区域打磨掉，同时将打磨处板料线圆滑过渡。通过生产验证，开裂问题消除。但由于打磨对环境造成污染，打磨下来的屑料污染设备，成形过程会加速模具TD层的磨损，且人工打磨焊缝端头存在打磨状态不一致等问题，需要制定行之有效的解决方案。最后通过增加一套焊缝端头冲裁落料模具，将焊缝端头5mm处不饱满区域冲裁掉。经过大批量验证，彻底解决焊缝端头开裂问题，如图11所示。

图11 现场零件图片

结论

本文结合实际生产，成功解决O形件高强钢拼焊板焊缝开裂问题。同时给出了拼焊缝冲压开裂问题的分析及解决方法，以及为现场调试或生产的类似问题给出解决思路。

⑴针对O形零件TR380/590级别的高强钢拼焊板，零件成形时角部垂直于焊缝的切向应变值较大，需要拼焊板断面有足够的抗切向应力能力，以免造成边界撕裂。高强钢的扩孔率偏低，在拐角位置成形没有问题的情况下，要保证L＞75R/H关系，可以避免焊缝开裂。

⑵在激光拼焊位置存在5mm焊接不饱满区和段差，导致O形件在圆弧处焊缝开裂敏感性增加，焊接不饱满区是目前激光焊接工艺固有的缺陷，无法消除，因此，在O形件高强钢拼焊板零件设计时，焊缝位置靠近圆角区无法避免，工艺设计时考虑增加焊后冲裁工序，将5mm不饱满焊缝区冲掉，从而解决激光拼焊缝开裂问题。

杨大宇，工程师，技术部冲压技术科侧围组组长，主要从事汽车大型覆盖件冲压模具的设计开发及生产准备工作。