高強度不等厚激光拼焊類前縱梁生產穩定性控制

文／王力，郜連勇，邰偉彬，任志國，王鑫，陳雪元·中國第一汽車集團有限公司

本文主要介紹了某車型左／右前縱梁零件產品特性，闡述了生產過程中遇到的翻邊開裂問題，并結合實際的解決措施總結出一套高效解決高強度不等厚激光拼焊類前縱梁生產穩定性控制方法。

激光拼焊板是指把不同厚度、材料性能或表面涂層的板材，用激光焊接的方法拼焊在一起，重新組成一種新型復合板材，可以同時滿足零件不同部位對于板料不同的性能要求。由于激光拼焊板具有焊接速度快、焊縫較窄、基體金屬的影響范圍較小、重量更輕、生產成本更低等優點，在汽車車身開發制造領域中得到了廣泛的應用，激光拼焊技術也因此得到了越來越多的重視。

產品特性及生產穩定性問題

產品特性

某車型左／右前縱梁零件形狀如圖1 所示，零件板材尺寸(圖2)大小為1795mm×330mm，重量為1.877kg，由兩塊1.6mm 厚的熱鍍純鋅板(強度為590MPa)與一塊1.4mm 的熱鍍純鋅板(強度為440MPa)通過激光拼焊形成。

圖1 某車型左/右前縱梁零件

圖2 零件板材尺寸示意圖

產品工藝

該產品工藝流程(圖3)為：⑴開卷落料；⑵激光拼焊；⑶拉延；⑷修邊、沖孔；⑸修邊、沖孔、翻邊、整形；⑹修邊、沖孔、整形、側翻邊、分離。

圖3 產品沖壓工藝流程

生產開裂問題

該零件生產過程中存在翻邊開裂問題，位置如圖4 所示，量產三年的平均廢品率為2.4%，遠高于行業控制標準的0.3%，嚴重影響生產的穩定性，造成大量的生產資源浪費。

圖4 翻邊開裂現象

該零件在模具生產準備期間也發生過此類問題，量產前判定是修邊斷面質量差，存在撕裂、毛刺等問題引起局部應力集中從而導致翻邊開裂，通過研配、修邊、鑲塊、刃口垂直度、間隙提升斷面質量的方式確實解決了制件開裂問題。

但在后續的批量生產中，模具穩定性特別差。首先，隨著修邊鑲塊刃口磨損、崩刃等缺陷引起的反復維修，導致斷面質量出現偏差，造成廢品率遠高于技術要求；其次，開裂區域成形性接近材料極限值，對材料敏感性高，產生開裂現象不穩定，往往一個批次板料生產無問題，另一個批次生產則100%開裂。為了保證生產需要，多次維修修邊鑲塊，甚至采用打磨工序件的方式維持正常生產，造成生產效率極低，模具維護成本高，廢品率高。

開裂原因分析

該零件開裂位置翻邊工序屬于少料翻邊，當減薄超過一定程度就會造成翻邊開裂。同時高強板少料翻邊受材料擴孔率影響，極易開裂。

如圖5 所示，在前期工藝分析時，該產品出現問題處的減薄率為16%，屬于安全范圍之內，但未考慮擴孔率影響。在調試過程中，切邊斷面質量差，存在毛刺、撕裂等缺陷，而這些缺陷在翻邊過程中是變形應力集中點，結合擴孔率影響，翻邊時易在這些缺陷部位產生開裂。

圖5 產品、工藝分析以及調試過程中存在的斷面缺陷

技術修改路線及其原理

拉延工藝造型優化及翻邊高度降低

原理分析：拉延工序的工藝型面偏低，導致在翻邊工序的邊緣變形程度過大，如圖6 所示，當變形程度超過材料變形極限時，就會導致制件翻邊開裂。

圖6 拉延型面低，翻邊變形程度大

可以考慮在拉延工序整改，通過抬高拉延工序型面高度，相應減少翻邊工序的變形程度，從而可以減少翻邊開裂的風險，如圖7 所示。

圖7 拉延型面抬高，減小翻邊變形程度

試驗方案：通過抬高拉延型面，目的是降低翻邊高度，減少區域減薄率，解決開裂問題。

整改過程：修改拉延造型，拉延造型接近于產品數型，拉延型面上抬高度為3mm，如圖8 所示。

圖8 修改拉延型面

修改修邊線：翻邊薄弱區域光順修邊線，產品邊界按上公差控制(修改1.2mm)，目的是減少修邊不光順帶來的應力集中，如圖9 所示。

圖9 修改修邊線

試驗結果：修改拉延型面后，理論分析減薄率減少2%，實際的減薄率未發生明顯變化，翻邊開裂導致的廢品率并未明顯降低；本方案實施后對降低廢品率沒有效果，但也沒有變壞。

板料尺寸減小，降低拉延工藝局部減薄率

原理分析：降低拉延工序的減薄率，從而提高翻邊工序的安全裕度，也可以降低開裂風險；從拉延工序件的邊界分析，整體的廢料寬度尺寸較大，從修邊線的位置來看，可以通過減小板料寬度方向尺寸，從而減小拉延過程中的材料減薄。

通常拉延工序走料的理想狀態是收料線恰好在拉延筋外側，在最小的板料尺寸條件下確保拉延的穩定性。如圖10 所示，實際的拉延序收料線都在拉延筋外側20mm 左右，板料尺寸存在調整空間。

圖10 修改前拉延工序件

基于這種現狀，考慮修改落料模實現板料寬度方向縮小尺寸，減小拉延件減薄率，從而增加翻邊變形的安全裕度，減小翻邊開裂風險。

試驗方案：修改開卷落料模具，使中間的板料590YD ＋Z-60/60 的尺寸由329mm 減小至304mm，減小量為25mm，減小走料阻力，從而減小拉延減薄率。

整改過程：中間部位的生產方式是開卷落料，如圖11 所示，減少板料寬度尺寸，對落料模具的切邊鑲塊進行局部修改。

圖11 修改開卷落料模具鑲塊

寬度方向尺寸縮減25mm 后，拉延工序件如圖12 所示。

圖12 修改板料尺寸后的拉延工序件

試驗結果：

⑴從現場調試結果看，前后兩側板料收料線都在拉延筋外側邊緣，零件表面和尺寸沒有惡化。

⑵該方案實施后，翻邊位置開裂的情況有一定比例減少，但是并未徹底消除。

⑶板料寬度方向尺寸總計減小了25mm，降低了該零件生產消耗定額0.448kg/車，降低了材料成本2.937 元/車。

板料性能改善

原理分析：增加材料本身的變形極限，從改善板料性能為著手點，提高安全裕度，解決翻邊開裂問題。

對于本案例來說，零件材質為590YD+Z-60/60，是雙相高強鋼，這種材料剪切邊緣成形性能較差，而邊緣翻邊開裂問題的直接表征參數是材料的擴孔率。本案例的擴孔率提升原理是增加材料合金成分中Si(硅)元素含量，從板料性能上則表現在延伸率的增加和n 值(塑性硬化指數)的提高。

表1 是鞍鋼為量產料提升擴孔率所作的試驗料和現生產材料的對比，從中可以明顯看出，試驗料中的n 值和延伸率較現有量產料有明顯提高，而化學成分中的Si 元素含量也明顯增加。

表1 590YD+Z-60/60 材料的力學性能測定

從微觀結構看，Si 元素含量增加促進了相變組織轉變過程中鐵素體的比例增加及晶粒細化，從而顯著提升鋼板的塑性和成形性能；同時，由于Si 元素是主要的基體強化元素，通過固溶強化提高鐵素體基體強度，縮小了鐵素體與馬氏體之間的強度差，宏觀表現為材料變形時雙相之間的應力集中變小，利于微裂紋擴展，延緩邊緣開裂出現的時間。

試驗方案：聯合鋼廠開發應用同牌號的高擴孔率材料，提升材料成形變形極限，從而提高安全裕度。

整改過程：現生產板料的擴孔率測定計算值為25%；高擴孔率材料的擴孔率測定計算值達到56%。

試驗結果：

⑴高擴孔率材料拼焊性能合格，沖壓生產穩定，焊裝全破壞試驗合格，沖壓單件全尺寸合格率為97%，與現生產一致；

⑵高擴孔率材料沖壓生產過程穩定，生產切換后廢品率為0.1%，有效地解決了現生產中廢品率高的問題。

修邊刃口材質優化及表面處理

原理分析：實際生產中切邊斷面存在毛刺、撕料等質量缺陷，導致生產中翻邊開裂，此時通常伴隨修邊刃口崩刃等缺陷，維修措施是對刃口進行堆焊，以及打磨后研配間隙。通常刃口的堆焊不能超過三次，超過就需要重新制作。為了提高鑲塊使用壽命，減少刃口崩刃、磨損導致的生產廢品，本文考慮采用基體韌性更好的模具鋼制作修邊鑲塊，并對刃口進行鍍層處理以提高刃口硬度和耐磨性。

試驗方案：嘗試通過采用改良系合金鋼作為刃口鑲塊的材質，減少刃口崩刃缺陷的頻次，并通過鍍層處理提高刃口硬度和耐磨性，減少刃口磨損，從而減少修邊斷面質量缺陷的頻次，提高鑲塊使用壽命。

整改過程：刃口鍍層處理工藝開發已經有相當高的成熟度，對于厚板、鋁板及沖頭刀具等刃口的鍍層處理工藝應用越來越多。本文針對高硬度的合金鋼鑲塊選擇先做表面滲氮，后進行表面PVD 鍍層工藝。在韌性較好的基體表面做滲氮處理，目的是在基體與鍍層之間增加一個硬度的過渡區，減少“薄冰效應”，防止表面鍍層與基體硬度差過大而產生鍍層塌陷損壞的問題。

將修邊鑲塊材質更換為韌性更好的DC53 材質，復制兩套鑲塊，其中一套進行正常的熱處理，滿足硬度要求的不做鍍層直接使用；另一套進行高淬高回的熱處理工藝，得到較好的基體韌性，再發運到鍍層廠家進行先滲氮再PVD 的鍍層處理，得到較高的表面耐磨性和硬度。處理后的修邊鑲塊見圖13。

圖13 處理后的修邊鑲塊

試驗結果：

⑴不鍍層處理的鑲塊正常使用，累計生產4.5 萬輛份。因為熱處理采用低溫回火工藝獲得刃口高硬度，其表面脆性仍未能得到明顯改善，生產中已出現局部刃口崩刃現象，與現生產使用鑲塊狀態基本一致。

⑵鍍層處理鑲塊正常使用，累計生產約10 萬輛份，鑲塊刃口狀態良好，未出現崩刃、拉毛等缺陷；因為鑲塊基體采用高溫回火的熱處理工藝，基體硬度稍低，韌性較好，有助于延緩刃口脆性導致的崩刃現象，同時PVD 鍍層處理提高了表面硬度和耐磨性，預計可大幅提高鑲塊使用壽命。

⑶復制新鑲塊能在初始使用時很好地解決切邊斷面質量差的問題，但刃口鍍層處理后鑲塊使用壽命需進一步驗證。

實施效果及創新點

為高強度激光拼焊板前縱梁材料選擇提供了依據

雙相高強鋼剪切邊緣成形性能較差，針對性的開發應用同材料牌號的高擴孔率板料，可以通過增加板料拉深變形的均勻性和板料成形安全裕度，進而解決縱梁生產開裂的問題，為今后這一類零件材料的選擇提供依據。

修邊鑲塊處理工藝

對合金鋼修邊鑲塊刃口采用DC53 材質模具鋼代替SKD11 進行復制，研配后進行刃口表面滲氮＋PVD鍍層處理工藝，改善其整體脆性的同時提升表面耐磨性，為高強度板零件復雜修邊鑲塊表面處理提供標準依據。

減少生產廢品、降低生產成本

調試過程中發現修邊廢料尺寸過大，在不影響成形的前提下，通過減小板料寬度方向尺寸25mm，降低拉延局部減薄率，同時降低了材料消耗定額0.448kg/輛份，在減少生產廢品的前提下實現了降低原材料成本。

結束語

本文從板料尺寸優化改善關鍵區域減薄率，優化材料性能提升擴孔率兩個方面作出改進，成功地解決了某車型左／右前縱梁生產廢品率高(2.4%)的問題。同時，通過修邊鑲塊改造及鍍層處理，有效地解決刃口磨損而崩刃頻繁、壽命短的問題，目前鍍層的鑲塊正在使用過程中，已連續沖程10 萬次，未發現崩刃、拉毛等缺陷。