模具开发 激光拼焊板的应用技术难点及模具开发

汽车车身零件的成形方法有两种:分离成形和整体成形。

单独成形法是用不同的压力机形成单个零件，然后焊接每个零件形成目标零件。虽然这种方法提高了材料选择的灵活性，但也增加了冲压加工成本、装配成本和形状匹配问题，并且由于点焊过程中材料的重叠，车身的重量增加。

整体成型法是在一台压机上同时成型几个零件。从车身结构设计来看，每个车身部件都有不同的厚度和耐腐蚀要求。如果是单板成型，所有零件的材料必须采用相同的等级、涂层类型和材料厚度，导致部分零件选材余量过大，从而增加了车身重量，增加了成本，增加了成型难度。

在汽车车身制造过程中，为了减轻重量、提高装配精度、增加刚度、降低冲压和装配成本，需要减少零件数量并将其集成。为此，开发了一种生产形式——拼焊板冲压成形，克服了传统的分离成形法和整体成形法的缺点。

激光拼焊板技术的优势

激光焊接技术生产的拼焊板具有很大的优势。根据国外学者的研究，优势多达37个。ULSAB项目在1998年生产了一辆原型车。这款超轻车使用的拼焊板数量达到16块，约占车身重量的45%。采用拼焊板技术，车身零件数量减少约25%，扭转刚度提高65%，振动特性提高35%，弯曲刚度增强。

激光拼焊板的优势主要体现在以下几个方面:

A.零件数量的减少以及随之而来的生产设备和制造工艺的简化，大大提高了生产效率，降低了整车的制造和装配成本。

b .由于产品的不同零件在成型前通过激光连续焊接焊接在一起，提高了产品的精度，大大降低了零件的制造和装配公差。

C.通过零部件的优化来降低重量和油耗是非常重要的，现在是环保时代。d、由于不需要加强板和搭接接头，总成件的耐腐蚀性大大提高；通过消除重叠来提高零件的耐腐蚀性，大大减少了密封措施的使用。

E.通过对材料厚度和质量的严格筛选，在材料强度和抗冲击性方面给零件带来了本质的飞跃，并优化了结构，可以控制更多的能量在冲击过程中被吸收，从而提高车身零件的抗冲击性能，提高车身的被动安全性。

F.材料厚度的可变性及其可靠的质量保证了一些重要位置的强化和改进能够顺利进行；实现材料性能的充分利用，实现材料性能的最合理组合；对于产品设计师来说，增加了产品设计的灵活性。

G.通过在结构构件的特定部位选择性地使用高强度和厚材料，大大提高了材料的利用率。下料过程中采用出料技术，将各种钢板合理组合，大大降低了材料工程废品率。

H.通过采用激光拼焊技术，由于材料强度和厚度的合理组合，结构的刚度大大提高，整车的振动特性得到优化，将降低整车的振动和噪声，提高整车的舒适性。

I .为宽体车辆的生产提供了可能性。由于钢厂轧机宽度的限制，钢厂提供的板材宽度有一定的限制。随着汽车工业的发展，汽车对宽板的需求越来越迫切。激光拼焊是一种有效且经济的工艺方法。

激光拼焊板技术的应用

激光拼焊板技术是将厚度、强度和材质不同或相同的冷轧钢板切割成合适的尺寸和形状，然后激光焊接成理想的整体，即激光拼焊板。激光焊接具有效率高、能量传递方便、接头退化、变形小、焊后表面光滑等显著优点，可广泛应用于汽车零部件。

图1激光拼焊板在汽车上的应用

01激光拼焊汽车车门内板

在传统的车门内板设计中，需要在安装车门铰链的前部设计加强板，以保证足够的强度来支撑车门总成。加强板经过下料、冲压、分总成焊接后，与门内板装配成一体。

在结构分析的基础上，新设计的激光拼焊门内板直接焊接不同厚度或强度的钢板，并利用零件不同的材料特性，使零件的强度和质量较单一面板得到优化。

在该设计方案中，车门铰链安装的地方直接使用了厚度大、强度高的板材，省去了传统的强化工艺，从而减少了生产步骤，简化了生产工艺，提高了侧面抗冲击性能，刚性增强了40%左右，进一步降低了汽车行驶的内部噪音。

由于零件整体冲压，优化了边脚下料，材料利用率明显提高，综合效益可观。如图2所示，传统工艺下的废料为0.886 kg，而采用激光拼焊板的废料为0.138kg；；如果每件减少0.726公斤，整车可以减少1.45公斤。

加强部分传统上为2+0.8 mm，可用激光拼焊板代替1.8+0.8 mm，可以达到同样的强度效果。每件可减2.15公斤，整车可减4.3公斤。可见，激光拼焊板不仅减轻了重量，还降低了生产成本。

02激光拼焊汽车立柱

为了满足功能要求，立柱必须具有一定的刚性和缓冲性能，以确保侧向冲击时的人身安全。如果采用传统的冲压成形方法，需要单独设计加强筋。利用拼焊技术，可以将两块不同厚度的钢板拼焊成整板，然后冲压成型，如图3所示；这样可以提高侧面碰撞性能，取消加强件，减轻车辆重量，提高装配公差，简化生产工艺，降低成本。

在激光拼焊工程中，焊缝的位置可以根据成形需要进行调整，强度和硬度可以抵抗侧向冲击，更好地控制弯曲，减少中间环节可以节省14%的材料。

03激光拼焊汽车前纵梁

为了满足功能要求，前纵梁必须具有一定的刚度和吸能功能，需要一定的强度，以保证薄钢板先吸收一定的能量并能对其进行缓冲，厚钢板能抵抗残余力的冲击而不变形或少量变形，以保证人身安全。

图2激光拼焊板在汽车车门内板中的应用示意图

图3激光拼焊板在汽车立柱、前纵梁、轮罩和地板上的应用

采用传统的冲压成型方法，需要对加强板进行单独设计，利用拼焊技术，可以先将三块不同厚度的钢板拼焊成整板，然后冲压成型，如图3所示；这样就可以达到提高接头处的抗振性能，减少独立部件，减轻整车重量，简化生产工艺，降低成本的目的。

04激光拼焊汽车车轮罩

如图3所示，由于内置减震结构，拼焊板在轮罩中的应用也降低了零件的重量和数量，消除了点焊搭接、点焊材料和点焊工艺带来的实际成本降低；同时取消了密封材料，节省了人力。

05激光拼焊汽车地板

如图3所示，为了提高部件的碰撞性能和稳定性，激光拼焊板技术也被应用到汽车地板上，同时可以达到取消搭接、取消密封材料、减轻车辆重量、更有利于回收利用的目的。此外，激光拼焊板已广泛应用于行李箱加强板、行李箱内板、减震器支架、保险杠、车顶、车架、仪表板横梁等。

激光拼焊板技术应用的难点

拼焊板也给冲压工艺带来一些困难。不同板厚或材料引起的毛坯变形不均匀，如焊缝移动不均匀或变形、起皱情况变化、材料弯曲不均匀、零件变薄趋势增加、焊缝处成形极限降低、冲头磨损、压边圈改型和压边力控制等。随着板面积的增加，所需的模具表面积将成倍增加，模具的设计和制造以及对设备的要求也将相应增加。只有解决这些问题，拼焊板的应用才能得到广泛推广。

01冲压工艺设计

由于激光拼焊板是由不同或相同厚度、强度和材料的钢板制成的，冲压工艺应考虑材料、强度和厚度的差异进行改进。特别是在焊缝附近，由于激光焊缝的硬化，其强度得到了提高，这也给冲压工艺带来了一定的挑战。

由于激光拼焊板多由深冲钢和双相钢制成，在冲压成形时会出现高强度钢板的常规弯曲回弹和变形，这也是冲压过程控制的难点。

前人研究表明，固定压边间隙比恒定压边力更有利于板料冲压，减少焊缝移动，提高模具应力，固定压边间隙法是拼焊板冲压中一种有效的压边方法。在激光拼焊板冲压过程中，起皱通常发生在薄边材料中。

激光拼焊板拉伸试验表明，薄边变形大，减薄严重，易导致断裂；压边力过小时，薄边起皱，压边力过大时，薄边开裂。工件底部焊缝向厚侧母材轻微移动，而侧壁和法兰焊缝向薄侧母材移动较大，越靠近边缘移动越大。

可以采用优化冲压工艺，如不同的优化冲压方向和工艺补充，提高薄边材料的最大增厚率、板材的最大拉应力、危险点的应变等。

只有遵循冲压变形的基本规律，才能正确设计毛坯及半成品的形状尺寸和模具结构参数，提高冲压工艺的合理性；制定合理的冲压工艺可以充分发挥材料的变形能力，提高成形极限。

02模具开发

激光拼焊板在冲压过程中容易发生焊缝和材料的流动，因此在模具设计中需要考虑焊缝可能出现的流动现象，使其设计结构合理。

通过修改工装模具，可以控制焊缝的移动、薄边起皱和过度变薄，如采用阶梯模具、采用分体压边圈、采用多缸局部压边圈和拉延筋方法等，都可以达到一定的效果。