一体式热成型激光拼焊门环在汽车上的应用

董昊 程建勇 李林梅 周坤 赵健

摘  要：运用新的工艺技术是轻量化的重要手段之一。本文简述了一体式热成型激光拼焊门环在某车型上的成形工艺和具体应用，并校核了门环的强度。门环成形运用了热成型激光拼焊技术，在生产上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10%。

关键词：轻量化;热成型;激光拼焊;门环

中图分类号：U463.82+1    文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）01-0067-04

Abstract： The application of new technology is one of the important means of lightweight. In this paper， the forming technology and application of integrated thermoforming laser welding door ring in a certain model are briefly described， and the strength of the door ring is checked. The hot forming laser welding technology is used in the forming of door ring， which saves the cost of design and die reduces the energy consumption of production， and realizes lightweight， and the weight loss of door ring is over 10%.

Key Words： Lightweight; Hot Forming; Laser Welding; Door Ring

1    引言

目前汽车市场竞争越来越激烈，消费者对于汽车的要求也越来越高，尤其在燃油经济性及整车性能方面，因此，汽车车身设计显得尤为重要，既要保证足够的刚强度和安全性能，又不能使车身质量较重[1，2]。研究表明：汽车的燃油消耗与汽车的自身重量成正比，汽车质量每减轻1%，燃油消耗就降低0.6%-1.0%，所以体现汽车轻量化在节能减排方面的重要性。

汽车轻量化方法包含结构轻量化、材料轻量化、工艺轻量化;本文介绍工艺轻量化中的激光拼焊和热成型，通过材料及料厚的优化，激光拼焊门环的应用可实现整车轻量化的同时具有最佳的碰撞性能及材料的利用率[3]。

2    门环设计与分析

从环状结构对车身性能影响的程度，可以将车身分为四类共计16个环状结构：耐久环、刚度环、吸能环、安全环，如图1和图2所示：

按照“木桶理论”，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影响结构整体刚度，一体式热成型激光拼焊门环由不同厚度、不同材料、不同镀层的板料通过激光拼焊的工艺组合而成，并一次冲压热成型，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。

3    材料选择与不等厚设计

为实现门环的轻量化设计，增加其实用性，本文提到的一体式热成型激光拼焊门环设计与传统方案相比需满足下列3点要求：1、车身碰撞性能不降低或有所提升;2、门环重量至少降低5%;3、成本降低或不增加。

由于坯料需要良好的热成型性能，所以需采用热成型钢，而且，坯料用于成形门环，需要较高的强度，因此在材料的选择上，采用BR1500HS 热成型钢板。BR1500HS既可以提高防撞安全性，又可以实现白车身轻量化，能够同时解决安全性能和轻量化的问题。BR1500HS在淬火前的屈服强度约为300MPa，抗拉强度约为600MPa;经热成型淬火后，BR1500HS的屈服强度约为1200 MPa，抗拉强度约为1500 MPa。通过多次优化验算，最终一体式热成型激光拼焊门环设计如图3所示，共5个零件，从1至5分别为：1.侧围上梁加强板，厚度为1.8 mm;2.B柱加强板，厚度为1.8 mm;3. 门槛梁加强件，厚度为1.6 mm;4. A柱下加强板，厚度为1.7 mm;5. A柱上加强板，厚度为1.6 mm。

4    性能分析

对采用传统冲压焊接工艺的门环和采用热成型激光拼焊的门环分别进行25%偏置碰撞分析验证，结果如图4和图5所示，从图中可以看到，两种门环在碰撞时，采用激光拼焊的车身驾驶舱的侵入量相对较小。

对比两图可以发现，采用热成型激光拼焊工艺的门环在25%偏置碰撞中变形更小，表现出了更优的安全性能。对比两种工艺的门环，不同位置的侵入量如表1所示。

從表中可以看出一体式门环在A柱下铰链、搁脚区、左侧足板、转向管柱、A柱上铰链、上仪表板、左侧仪表板位置的侵入量均有所减小，只有制动踏板与门槛处的侵入量增大。

从上述结果可以看出，在上述碰撞分析中，采用激光拼焊方式连接的门环大部分位置的侵入量都要小于传统工艺的门环，安全性能略优于传统门环。

采用传统焊接方式连接的门环重量为15.77 kg，而使用激光拼焊方式连接的门环重量为13.96 kg，重量上降低了11.48%，超出了方案预定的目标。激光拼焊方式连接的门环轻量化效果更好。

5    工艺与成本

由于门环的不同位置对刚度和强度的要求不同，激光拼焊的坯料可以选择不同厚度，不同材料和不同表面处理的钣金进行激光拼焊[4]。激光拼焊的工艺流程较为简单，主要流程包括：卷料开平激光切割激光焊接冲窝堆垛[5]。在激光拼焊的过程中，通过一定激光功率和焊接速度的激光将两块钢板焊接成形。

热成型工艺需要将激光拼焊后的坯料输送到高温炉中进行加热，坯料经加热后冲压成形。另外，零件在高温成形后迅速淬火冷却，零件的成形回弹量极小，极大程度上提高了零件的精度，为成形零件后的后续焊接机装配工艺打下了良好的基础。

采用一体式热成型激光拼焊工艺，激光拼焊是在冲压前将厚度不同的板料拼焊在一起，省去了材料在零件搭接边处的浪费，节约了材料，降低了材料成本。具体成本如表2所示，热成型钢的费用在7000元/吨左右，坯料重量约为20kg，单件费用约120元;普通钢板的价格在6000元/吨左右，坯料重量约为24kg，单件费用约为131元。热成型模具、夹具及检具的费用共计约550万元，按照10万件均摊单件零件价格为75元;传统工艺模具、夹具及检具的费用共计约500万元，按照10万件均摊单件零件价格为50元。人工成本均为20元/人/小时，热成型工艺需8个工人，每小时约80件，传统工艺需36人，每小时约120件。

6    总结

综合考虑到工艺、成本和性能，一体式门环在各方面均体现出了自己的优势与竞争力。一体式热成型门环在性能方面保证了车身的强度与刚度，满足了碰撞的要求。在工艺方面，门环采用热成型和激光拼焊技术，两种技术的结合运用提高了门环的成形质量和成形率，同时也实现了车身轻量化。在成本方面，新技术降低了设计及生产制造的成本。

参考文献：

[1]薛戬.热成型技术的应用现状和发展趋势[J].汽车工艺与材料，2018（11）：25-31.

[2]杜弘.汽车轻量化材料及制造工艺分析[J].工业技术，2017（28）：95-96.

[3]李纪雄.基于热成型高强钢板的车身结构轻量化分析与优化[D].广州：华南理工大学博士学位论文，2013.

[4]涂晴.基于拼焊板结构的车身轻量化方法研究[D].南昌：南昌大学硕士学位论文，2015.

[5]黄维，王志娟，鲁后国，张羽.激光拼焊板在车身轻量化中的应用[J].汽车工艺师，2018（7）：12-15.