激光焊接在热成形门环中的应用

金属加工前沿 2023年5月10日浏览：1804 收藏：1

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自1984年首个热成形零件应用到车身上开始，随着热成形技术和汽车行业的不断发展，其应用范围也越来越广泛。最初，热成形零件只应用在车门防撞梁上，然后扩展到车身的A柱和B柱等位置，进一步应用于整车各承力关键部位的零件。热成形零件占车身质量比例也从最初的1%逐渐扩展到5%、10%、20%甚至30%以上。这其中有几个因素起到了推动作用：其一，轻量化的需求。降低汽车自身质量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗。若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。当今，越来越严苛的排放法规，新能源汽车的兴起都推动着汽车往更轻的方向发展。其二，安全法规不断升级。中汽研发部的2018年版C-NCAP新规将台架车的质量由950kg提高到1400kg，中保研C-IASA参考IIHS引入小角度偏置碰试验，这都要求车身关键部件能够承受更高的冲击载荷。传统冷冲压高强钢无法满足上述要求，而热成形材料的抗拉强度可以达到1500MPa，而且零件几乎没回弹，尺寸精度高，因此成为了大部分承力零件的首选。其三，热成形技术的发展，补丁板、拼焊板、变等厚板、变强度等多样性技术扩展了其应用范围，门环是这些先进技术的集成创新应用。

2014年门环首次应用在讴歌MDX上，目的是为了提升小角度碰撞性能以达到IIHS评价要求，而实车碰撞试验评价优秀（G），证明了门环的性能优良，如图1所示。其后克莱斯勒Pacifica、讴歌RDX先后采用了这样技术，但目前量产车型也仅限于此。为何这样一项先进的技术没有被广泛应用，其原因值得探讨。

1 热成形门环技术介绍

1.1 热成形门环

热成形门环，简称门环，是将常规上车体的A柱加强板、B柱加强板、侧围上加强板和门槛加强板4个零件通过组合简化成1个零件，使用热成型钢（22MnB5）生产。热成形门环原理如图2所示。典型的门环技术使用激光焊接代替电阻点焊（简称点焊）将各部件连接在一起，焊缝的位置、数量以及各段的材料厚度可以根据性能和质量的需求灵活设定，提升了设计的自由度。

1.2 门环的工艺流程

门环的工艺流程如图3所示，成形工序为落料-激光焊接-热冲压成形-激光切割。

1.3 热成型材料的激光焊接

常见的热成型材料分为裸板和铝硅镀层板。裸板的激光焊接不需要做额外处理，技术成熟度高。铝硅镀层板在激光焊接之前要除去部分镀层，避免镀层中的铝元素影响焊缝的性能，如图4所示。目前，这是安塞洛米塔尔的独有专利技术，讴歌MDX、RDX和克莱斯勒Pacifica都是使用该技术。

2 门环的优势

2.1 激光焊接的性能优势

在不考虑小角度偏置碰之前，A柱加强板、B柱加强板、侧围上加强板和门槛加强板常规用材的抗拉强度如图5所示，只有B柱加强板和侧围上加强板采用热成型钢。为了达到小角度偏置碰的要求，最简单直接的方法就是把A柱加强板和门槛加强板的材料都改为热成型钢，这是目前大多数车型的解决方案。

但是，热成型钢板电阻点焊的焊点强度是有限的。研究表明，焊点周边的塑性环是应力集中区域，是点焊结构强度和疲劳强度的破坏区，也是点焊结构疲劳寿命的起裂点[3-4]。图6（a）是热成形钢点焊金相图，中间区域是焊点内核，白色边界外偏黑的区域是塑性环。通过试验数据可以看到，塑性环的硬度不到400HV，低于热成型钢基板的硬度（500HV），如图6（b）所示。

而激光焊缝的硬度达到500HV左右，接近热成型钢基板的硬度，而且超过热成型钢的硬度标准的最低要求（410HV），如图7所示。

热成型板材的激光焊使用填丝焊工艺，其焊缝位置厚度要厚于基板的厚度。从门环上5个不同焊缝位置取样进行拉伸试验，证明拉伸断裂位置都在基板上（图8），这表明热成型钢板激光焊的焊缝性能高于基板的。

因此，热成型材料的激光焊接性能要优于电阻点焊。在常规点焊结构下为了保证车身性能达到要求，需要加长零件的搭接量从而布置大量的焊点，增加了零件及车身质量。

2.2 门环的质量优势

门环一般使用5道焊缝设计，便于落料排样设计，提高材料利用率，同时减小质量的效益较好。在性能相当的前提下，4个热成形零件的常规方案和5道焊缝的门环方案如图9所示，其材料厚度和质量如表1所示。

5道焊缝的门环方案相比4个热成形零件的常规方案减小质量约3kg，左右两侧门环共减小质量6kg。所以，在同等性能的前提下5道焊缝的门环是质量更轻的方案，而在同等质量的前提下热成形门环是性能更优的方案。

3 门环的成本

3.1 影响成本的因素

影响门环广泛应用的关键原因之一在于成本。任何一项新技术在应用之初的成本都是相对高的。以普通热成形零件为例，其十年前的成本要比现在贵近一倍。得益于技术的提升，材料、设备和零部件供应商的增多，推动了热成形零件的成本不断降低。而门环目前技术成熟度偏低，可以选择的供应商也比较有限，所以成本还处在较高的水平。

门环的成本包括：板料费、加工费、工装费分摊、包装物流费和管理利润等，而板料费又细分为：材料费、落料费、激光焊接费（包含去除镀层）、工装费分摊、包装物流费和管理利润等。相比常规热成形零件成本，门环主要增加了激光焊接费（包含去除镀层费用），由于零件复杂，加工费和工装费分摊也有一定的增加。