激光拼焊門環的開發及應用

新能源汽車正在普遍向選材輕量高強化和結構集成化的方向加速發展，比如采用一體式激光拼焊熱成形門環和一體式壓鑄后車身。

乘用車側面是剛度和強度比較薄弱的部位，因此，提升其安全性尤為重要，強制性國家標準GB20071—2006也對此有相關規定。為了提升車身的側碰安全性，汽車廠商普遍采用熱沖壓技術成形A柱及其邊梁、B柱、C柱、門檻及防撞梁等。上述熱成形件一般具有 1500MPa的抗拉強度，可以有效地抵抗外力，因此，可以使用更薄的鋼板，相比于傳統鋼板，其減重可達30%。在分別單獨成形部分車身側面安全件的基礎上，研發了一體式激光拼焊熱成形門環，較單獨熱成形安全件再進行二次焊接工藝減重了15%。2007年，知名鋼鐵廠商 ArcelorMittal提出一體式激光拼焊熱成形門環的方案。PicA等提出了將4塊不同厚度的 Usibor1500P鋼板激光拼焊一體化熱成形的方案，并采用LS-Dyna進行EuroNCAP正面和側面碰撞模擬。結果顯示，同單獨熱成形 4個零件后組成的門環相比，一體式激光拼焊熱成形門環減重了20%;側面碰撞中B柱變形侵入量最大值較小，正面碰撞中儀表盤變形侵入量至少減少了16%，即使采用了薄板，但拼焊可保證車身剛度基本不變。2014年，Honda Acura MDX成為首個采用 ArcelorMittal開發的門環的車型;2016年，Chrysler Pacifica 采用了 ArcelorMittal優化的一體式激光拼焊熱成形門環，減重了8.64kg，并獲得IIHS(美國高速公路安全保險協會)頂級安全獎。與此同時，湖南華菱鋼鐵股份有限公司與ArcelorMittal合資創建的VAMA公司在國內推廣一體式激光拼焊熱成形門環。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

長城汽車股份有限公司、長安汽車股份有限公司、比亞迪股份有限公司及廣州汽車集團股份有限公司等均針對一體式門環進行了開發和應用。一體式激光拼焊熱成形門環將多個零件集成在一起，在保證安全的前提下具有較好的減重效果，同時減少了模具數量，提升了生產效率。然而，目前國內外量產的門環主要是以單一的抗拉強度為1500MPa的成形材料為主，采用等厚度或不等厚度的熱成形材料激光拼焊后一體式熱沖壓方案。上述門環結構著重強調環狀結構，一定程度上提升了輕量化效果和安全性能，但缺乏碰撞吸能能力的考量，此外，熱沖壓鋼材的選型及組合還有進一步優化的空間。因此，嵐圖汽車科技有限公司采用1000、1500 和2000MPa這3種強度級別的熱成形材料，將5種不同厚度的板料和2個補丁板經激光拼焊后成形為一體式門環。該方案既設置了韌性區域碰撞吸能，又設置了高強度區域防侵入，綜合提升了吸能性和安全性，統籌考慮了輕量化效果和成本。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

01?門環的設計文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

1.1設計方法及原則文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

門環分為內、外門環及雙門環，本文所設計的門環為外門環，由汽車車身的A柱上邊梁、A柱下板、B柱、門檻加強板等組合的環狀結構。汽車設計中，門洞區域的加強對小偏置碰撞尤為重要。因為前門洞的位置為前排司乘人員的生存位置，并且司乘人員和碰撞物僅隔一道車門。因此，需要保證門環和人體重合的區域具有較高的強度，用來避免斷裂而對司乘人員形成撞擊，同時保證車門在事故中能夠打開，而在門環下部的某些區域則需要較高的韌性來吸收碰撞能量。基于以上原則，整個門環體系需要較高強度、剛度和韌性。對于金屬材料，高強度和高韌性一般不同時具備，因此，采用激光拼焊技術將不同強度和韌性的材料組合一起是非常合適的選擇; 與此同時，還可以將不同厚度的鋼板拼焊在一起，通過降低局部的鋼板厚度起到良好的減重效果。但鋼板厚度的減薄必然降低車身的剛度，此時需要考慮如何保證原有的車身剛度需求。一體式激光拼焊熱成形門環將幾個零件完全組合在一起，形成一個整體零件，抵消了由于鋼板減薄帶來的剛度下降問題。同時，如果在驗證過程中發現強度和剛度的不足，也可以采用局部加強的方式以提升局部強度和剛度。綜上所述，門環區域設計要求為: 提升強度，減輕重量，保持剛度，局部加強，強韌互補。基于上述想法和原則，對一體式激光拼焊熱成形外門環進行了設計開發，圖1為一體式激光拼焊熱成形門環的開發過程。原設計方案為A柱上邊梁及其補丁(Patch)板、A柱下板、門檻加強板、B 柱及其Patch板4個零件單獨成形，而后再通過點焊裝配而成(圖2)。根據 25%偏置碰撞性能分析出發，結合車型項目的原傳統方案，搭建門環的初步模型，進而對模型進行多輪的迭代優化，并經過多次的迭代驗算，最終完成性能、工藝和成本均較優的門環方案。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

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圖 1 一體式激光拼焊熱成形門環開發流程文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

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圖 2 傳統沖壓－焊接門環文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

優化后最終門環結構設計如圖3所示，其中A柱上邊梁+A柱下板零件選材為厚度為1.6mm的Usibor1500鋼，A柱上邊梁Patch板零件材料為厚度為1.0mm的Usibor1500鋼，門檻加強板零件材料為厚度為1.4mm的Usibor1500 鋼，B柱下板零件材料為厚度為1.4mm 的Ductibor1000鋼，B柱上板零件材料為厚度為1.9mm的Usibor1500鋼，B柱上板Patch板零件為厚度為1.8mm的Usibor2000鋼。以上兩種方案中使用的材料的力學性能參數如表1所示，其中，A50為標距為50mm的試樣的斷后伸長 率。相比原方案，優化方案的顯著特色為采用了Ductibor1000鋼材料來吸收碰撞能量，采用Usibor2000鋼來提升結構強度防止碰撞時零件侵入人體。本方案均采用帶鋁硅涂層的熱成形材料，可以有效地避免加熱時產生大量氧化皮，避免磨損模具，延長了模具壽命，還可以減少后期服役過程中的腐蝕。若采用無涂層裸板材料進行熱沖壓，需要進行拋丸，拋丸后易產生變形，不利于一體式門環的尺寸精度控制，同時裸板的耐蝕性差于鋁硅涂層板。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411757.html

圖 3 一體式激光拼焊熱成形門環

成形時先將A柱上邊梁、A 柱下板、門檻加強板、B柱上板、B柱下板的零件材料分別落料成坯板，然后采用半剝離去鍍層的激光拼焊技術將上述坯板拼焊在一起，A柱上邊梁Patch板和B柱上板Patch板板料通過點焊焊接在相應位置上，形成一體式門環的坯料，如圖4所示，然后再通過熱沖壓工藝將其整體成形為一體式門環。拼焊時，通過定位焊接夾具連接在一起，保證激光拼焊焊縫位置精度為±5mm。選擇半剝離去鍍層激光拼焊技術是因為若不去鍍層直接進行拼焊，涂層中的鋁會存在于焊縫與母材的接頭處，從而削弱焊縫性能，最終導致零件失效。為了驗證不同強度材料之間拼焊焊縫性能，將不同強度材料組合后采用去鍍層激光拼焊工藝連接，熱沖壓完畢后進行拉伸測試，發現斷裂位置均不位于焊縫處(圖5)，拉伸測試結果如表2所示，表明焊縫的力學性能均優于母板基材。

圖 4 一體式門環激光拼焊后的坯料

圖 5 激光拼焊拉伸試樣斷裂位置

表 2 不同材料激光拼焊組合后的焊縫力學性能

1. 2 數值仿真

對采用傳統沖壓－焊接方案的門環以及一體式激光拼焊熱沖壓成形的門環分別進行 25%偏置碰撞和移動變形壁障(Moving Deformable Barrier，MDB)碰撞的數值仿真分析。數值仿真采用LSDyna軟件，碰撞速度為50kmh－1。25%偏置碰撞的結果如圖6和圖7所示；MDB碰撞的結果如圖8和圖9所示。從圖6和圖7中可以看出，25%偏置碰撞時，傳統門環側面變形最大侵入量大于190mm，一體式門環的側面變形最大侵入量為 166.313mm，減少了14.4%，且零件變形侵入量要小于傳統門環。

從圖8和圖9可以看出，MDB碰撞時一體式門環的側面變形侵入量略小于傳統門環，綜合來看采用一體式激光拼熱成形方案成形的門環的整車安全碰撞性能與傳統方案成形的門環的整車相當，局部區域碰撞安全性能更優。此外，一體式門環與傳統門環相比，大大減少了各零件連接及邊緣焊點，較大提升了零件連接及邊緣焊點區域的碰撞安全性能。

02?輕量化效果和材料利用率

對比傳統的沖壓－焊接方案與優化后的一體式激光拼焊熱成形方案，各分項零件質量如表3所示，從表3中的數據分析可知，單個門環減重為(24.669－19.596)kg=5.073kg，整車門環零件減重為(5.073×2)kg=10.146kg，減重率為20.6%。采用壓力機與模具落料。通過排料分布設計后，采用一體式激光拼焊熱成形方案的材料利用率提升至71.19%，而傳統方案的材料利用率為66.7%，提升了4.5%，一定程度上降低了材料成本。

表 3 輕量化效果對比分析

03?成本分析

單車成本方面，如采用傳統的沖壓焊接方案，零件成本為880元/車(包括點焊、焊縫)，如采用一體式激光拼焊熱成形方案，零件成本為960元/車(包括激光拼焊)。在使用一體式激光拼焊熱成形方案的情況下，單車成本較傳統方案成本增加80元/車。輕量化方面，一體式激光拼焊熱成形方案較傳統方案減重約10.146kg，每減重1kg成本增加約7.88元，遠低于行業內每減重1kg成本增加15～20元的水平，為業內水平的1/3～1/2。零件工藝成本方面，包括原材料落料模、零件沖壓模、焊接夾具等一系列工裝成本。采用一體式激光拼焊熱成形方案的工藝成本為1654.74萬元(其中原材料工裝為764.00萬元，零件工裝為890.74萬元)，較采用傳統方案的工藝成本1544.37萬元增加110.37萬元，按照全生命周期產量分攤至單車約為7.88元/車。與此同時，為了降低工藝成本，設計多車型一體式門環通用化方案，選擇共用焊接夾具設計思路，如圖10所示。僅兩車型分攤焊接夾具費用，可使每個車型項目較其傳統方案分別減少110萬和140萬元，如后續更多車型共用夾具可取得更多的收益。

圖 10 兩車型共用焊接夾具設計

04?門環性能

門環的生產工藝如圖11所示，首先按照設計好的材料排樣分布進行落料，然后將坯料采用激光去鍍層的焊接技術焊接為一體式門環所需坯料，最后通過熱沖壓工藝成形為一體式門環零件。針對正式工裝模具沖壓的一體式門環零件進行取樣，分別取各零件區域的拉伸試樣、硬度試樣、焊縫拉伸試樣，取樣位置及樣品編號如圖12所示。其中，A50-W1～A50-W4為對應位置的焊縫拉伸試樣，A50-1～A50-6為對應位置的門環各零件的拉伸試樣，H-1～H-4為各零件的硬度試樣，而H-W1～H-W3則為對應位置的焊縫硬度試樣，同時對A50-4、H-1、H-2、H-3和H-4處進行補丁板性能測試。拉伸試樣按照GB/T228.1—2021進行測試，硬度按照 GB/T4340.1—2009進行測試，測試結果分別如表4和表5所示。結果表明，組成門環的各零件的性能均能夠達到設計要求:2GPa的B柱上板Patch板的抗拉強度達到1878MPa，門檻加強板的抗拉強度達到1041MPa，且韌性好；門環的5條激光拼焊焊縫的強度均大于較弱側基材的強度。

圖 11 一體式門環激光拼焊熱成形過程

(a)坯料排樣及落料(b)激光去鍍層(c)激光拼焊后的坯料(d)熱沖壓后的門環零件

圖 12 一體式門環零件性能測試取樣位置

表 4 一體式門環強度和伸長率的測試結果

04?結論與展望

(1) ?設計開發出一種采用1000、1500和2000MPa這3種強度的熱成形鋼板，將5種厚度的板料和2個補丁板經激光拼焊后成形為一體化門環。

(2) ?對傳統沖壓－焊接的門環和一體式激光拼焊熱成形的門環分別進行了25%偏置碰撞和 MDB碰撞的數值仿真，結果顯示：25%偏置碰撞時，傳統門環的側面變形最大侵入量大于190mm，一體式激光拼焊熱成形門環的側面變形最大侵入量為166.313mm，減少了14.4%，且零件變形侵入量小于傳統方案；MDB碰撞時，采用一體式激光拼焊熱成形方案成形的門環側面變形侵入量略小于傳統方案；一體式激光拼焊熱成形門環的整車安全碰撞性能與傳統方案的整車相當，局部區域碰撞安全性能更優。

(3) ? 一體式門環激光拼焊熱成形后性能測試顯示，組成門環的各零件性能均能夠達到設計要求，其中B柱上板Patch板的抗拉強度達到1878MPa，門檻加強板的抗拉強度達到1041 MPa，且韌性好;門環的5條激光拼焊焊縫的強度均大于較弱側基材的強度。

(4) 相比于傳統沖壓－焊接的門環，一體式激光拼焊熱成形的門環整車減重 10.146kg，減重率為20.6%；材料利用率由66.7%提升至71.19%;單車成本增加80元/車，但輕量化成本增加僅為7.88元，為業內水平的1/3～1/2。

( 5) 無論是燃油汽車，還是新能源汽車，考慮綜合性能、成本和工藝等因素，高強鋼材仍然為未來汽車白車身選材的重要組成部分。一體式激光拼焊熱成形門環作為白車身鋼制零件的重要輕量化路徑，應用車型從最初的 SUV車型，逐步發展到轎車、MPV、皮卡等多樣化車型; 應用部位也從最初的A柱－B柱門環，逐步發展到B柱－C 柱門環，甚至為A柱－B柱－C柱側圍整體式門環; 已經從最初的外板門環，逐步發展到內、外雙門環應用。未來，伴隨著碳排放要求和安全性能要求的日益嚴苛，一體式激光拼焊熱成形門環的應用將日益普及。

注: 維氏硬度要求:Usibor2000鋼，520～640 HV30;Usibor1500鋼，400～520HV30; Ductibor1000 鋼，200～400HV30。