發布時間：2021-10-11所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 自動化技術與應用
《鋁合金拼焊板沖壓成形工藝研究進展及應用現狀》論文發表期刊：《自動化技術與應用》；發表周期：2021年05期
《鋁合金拼焊板沖壓成形工藝研究進展及應用現狀》論文作者信息：吳文凱（1987-），男，助理研究研員，研究方向：機電一體化技術
摘 要: 拼焊板沖壓技術是當前汽車輕量化的重要措施之一，該技術的應用可以減輕車重、降低成本、減少污染，目前廣泛應用在汽車工業的生產中。本文針對鋁合金拼焊沖壓技術中涉及到的拼焊工藝進行了介紹，針對鋁合金板材拼焊板的沖壓性能、影響因素以及現有研究進展進行了分析，最后介紹了拼焊板沖壓技術在汽車行業的應用現狀以及未來發展前景。
關鍵詞:鋁合金;拼焊;沖壓;工藝
Abstract: Tailor welded blank stamping technology is one of the important measures of automobile lightweight. The application of this technology can reduce vehicle weight. cost and pollution, and is widely used in the production of automobile industry This paper introduces the tailor welded blank stamping technology of aluminum alloy, analyzes the stamping perfor mance, influencing factors and existing research progress of tailor welded blank of aluminum alloy, and finally introduces the application status and future development prospect of tailor welded blank stamping technology in automobile industry.
Kev words: aluminum alloy: tailor welding; stamping; technology
1引言
隨著能源危機、環境污染、全球變暖等問題不斷的加劇，人類面臨一系列的生存危機，世界各國都在積極做出努力。2020年中國提出“力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和"的目標。作為減少碳排放、實現碳中和的有效手段，輕量化技術是汽車制造行業最重要的研發方向之一，尤其對于新能源汽車來說，車身重量直接影響著車輛的續航里程，進而影響其產品競爭力。鋁合金是替換鋼材作為汽車車身制造的理想輕量化材料，其在汽車制造領域的相關設計、加工、成型、熱處理技術是目前熱點研究方向之一1。
拼焊板沖壓成形是汽車制造行業近些年開始逐漸受到重視的新工藝，其通過將不同材質、厚度、強度的板材焊接成為一體再進行沖壓成形，實現了各部分強度需求不同的車身結構件或覆蓋件的一次成形，減少了板材零件的數量、簡化了車身結構、減少了裝配步驟、提高了裝配精度、降低了開發成本、減少了模具開發數量、提高車身強度以及減輕了車身的總體重量"。本文重點介紹了鋁合金板拼焊技術、拼焊板沖壓成形工藝的研究進展以及其在汽車制造業的應用現狀。
2常見板材拼焊方法及工藝特性在汽車制造過程中，許多板材沖壓零件不同部位的強度需求不同，為避免增加整車重量，對不同強度需求的部位采用不同厚度或強度的板材，盡量減少強度的冗余設計。因此，按照傳統制造工藝，先沖壓成形再連接的方法，工藝過程就產生了大量不同厚度、材質、熱處理狀態的板材零件，這些零件間的裝配需要通過大量的緊固連接件或后期拼焊連接，會產生相應的問題"。其中，緊固件連接最大的問題在于增加了額外的重量和裝配作業，對裝配精度要求也較高，生產成本高。而先成形后拼焊的工藝方法，由于焊接過程產生的應力和變形，則嚴重影響了零件的尺寸精度，造成較高的廢品率，進而影響整車的裝配制造成本。
因此，為滿足輕量化制造需求，新近的造車工藝將不同材質、不同強度、不同厚度等的板材先進行拼焊，再進行沖壓以滿足保證零件整體精度和材料熱處理的需要，提高了車身結構強度，同時降低了整體重量。鋁合金在工業領域應用廣泛，是汽車制造輕量化制造必不可少的輕合金材料之一，本文鋁合金板材的拼接焊方法及及工藝。
鋁的化學性質較為活潑，比較容易與空氣中的成分發生反應，因此，傳統的熔焊和釬焊容易造成焊接缺陷，并不適用，目技術前較為成熟的鋁合金板材焊接方法主要包括激光焊、電弧焊和摩擦攪拌焊這幾種"，其焊接效果各自具有相應的優缺點。
電弧焊是鋁合金傳統的金屬焊接工藝，有著技術成熟、成本低的優點，應用于鋁合金板材拼接焊的電弧焊工藝主要為TIG焊(鎢極氬孤焊)和MIG焊(熔化極惰性氣體保護焊)兩種"。鋁合金TIG焊是較為常見的一種焊接工藝(如圖1所示)，以鎢極和零件分別為兩個電極，以惰性氣體(氫氣)作為保護氣，保護電弧，工藝較為成熟。MIG焊為焊絲融化焊接，焊接熱量融化焊絲和被焊接零件，焊絲成為最終零件的一部分，相當與引入另一種金屬，容易產生冶金問題，焊接容易出現裂紋、燒穿、零件強/硬度分布階梯大等問題。
激光焊是以高能激光作為焊接熱源，將零件焊接區域的金屬熔化并焊接的技術(如圖2所示)，激光焊能量密度雖高，但是總熱量小，影響區域小、焊縫小、接頭質量好。激光焊接過程不需要氣體保護，對環境要求低，焊接速度快，作業效率高。鋁合金與鋼材焊接特性具有較大不同，激光焊應用在鋁合金材料的焊接過程中，需要額外注意幾點，例如：鋁合金熱膨脹系數大，為避免過大應力和變形產生，需采取預熱措施;激光焊冷卻速度快，易在鋁合金焊縫處產生氫氣孔，焊前需表面處理;合金強化元素容易在焊接過程損失，導致焊縫強度變低，強度設計應給予考慮等。
攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，縮寫 FSW)是一種利用材料件摩擦和塑性變形產生的熱量對零件進行焊接的技術，其最早提出時即應用于鋁合金、鎂合金等材料零件的焊接作業中"。該技術通過將高速轉動的攪拌針插入并沿著工件間的焊縫移動，攪動焊縫兩側附近因摩擦熱量而軟化的材料并熔合，已達到焊接的效果(如圖3所示)。攪拌摩擦焊不同于傳統熔焊技術，其焊接實際溫度低于母材熔點，因此，焊縫處材料組織變化小，焊后殘余應力小，不易產生裂紋和氣孔等缺陷。焊接母材即為焊接材料，不引入其他金屬，不存在冶金問題，也不需要焊絲，作業方便。
隨著技術發展，還出現鋁合金激光-電弧復合焊、激光-等離子體弧復合焊等先進的焊接工藝，該技術利用激光和電弧或等離子體弧兩種熱源共同作用與零件拼焊過程中，結合了兩種工藝的優勢，焊接質量得到較大提升。復合焊即保留了激光焊接的加熱快、效率高等特點，也利用了電弧焊可以有效消除焊縫氣孔、裂紋等缺陷的特性。
3鋁合金板材拼焊板的沖壓性能
板材的沖壓性能主要是指在沖壓過程中，板料抵抗出現各種缺陷的能力，具體體現在成形極限、裂紋、起皺、減薄、頸縮、回彈以及強度等方面，針對拼焊板還包括焊縫位移、厚度、強度分布等"。影響板材沖壓性能的因素除了材料本身的特性外，還主要包括沖壓過程中的各種工藝參數，如板料初始形狀、壓邊力、沖壓速度、沖壓力、表面摩擦、潤滑劑選擇等，如果采用熱成型或溫成型還涉及到加熱溫度、模具溫度、保壓時間等。對于拼焊板的沖壓除了上述因素外，還要考慮焊縫應變硬化指數、拼焊板厚度差、材料抗拉強度比、焊縫位置、焊接工藝參數等等。
根據焊接構件不同的需求，常見的焊縫形式包括對接焊縫、端接焊縫、塞焊縫、槽焊縫、搭接焊縫和角焊縫等等，由于焊接過程工件經過加熱一融化-凝固-冷卻復雜的成型過程，焊縫區域組織產生變化和焊縫發生移動，焊縫及焊接熱影響區域材料的塑性、強度等力學和化學性能相對母材發生了較大變化，相應的成型性能有所下降。針對鋁合金拼焊板的沖壓性能，重點關注的是焊接區即焊縫及熱影響區在沖壓成型中的特性。目前主要的熱點研究方向包括，拼焊板力學性能測試與研究、拼焊板成形過程的有限元分析、鋁拼焊板成形極限圖確定、異種強度/厚度鋁合金板拼焊成型特性、焊縫變形特性及失效形式、焊縫及熱影響區成型移動規律、沖壓回彈預測與控制，主要的研究方法為成型實驗測試、理論模型建立以及有限元仿真模擬等。本文主要針對應用于汽車行業的鋁合金拼焊沖壓技術發展與現狀進行分析，因此主要分析的對象為鋁合金對接焊縫在其在沖壓過程中的性能以及相關研究進展。
總體來說，焊縫的存在降低了板材的成型性能，焊縫及其影響區域越寬，性能降低越大。針對拼焊板沖壓成形性能重要的成形極限圖，由于涉及到母板與焊縫區域的性能差異，目前現有研究有兩種測試與表示方法，一種是采用復合定律，將拼焊板作為一個整體看待，通過測試給出整體的成形曲線，該種方法存在一定的誤差;第二種則是將母材與焊縫分開測試給出相應的成形極限圖"。針對母材的厚度比對拼焊板成形性能的影響研究表明，拼焊板的成形性能隨著厚度比的增大而減小。針對焊縫的幾何形狀對拼焊板成形性能的影響，林建平等人研究了不同形狀的折線、拋物線、Spline曲線及圓弧四種成形曲線情況下的極限脹形高度，得出結論：折線形狀的焊縫容易產生應力集中，極限脹形高度最低;圓弧形狀焊縫，拼焊板的極限脹形高度最高，其圓孤半徑的大小是重要影響因素"。研究表明焊縫的方向以及焊縫與最大變形位置的偏移距離對成型性能影響也較大，焊縫距離變形中心越遠，整體成型與母材差異越小，即焊接對板材的成型性能造成的影響越小。
4拼焊板沖壓技術在汽車行業的應用情況
拼焊板在汽車行業的最早應用的廠家為日本本田汽車，其最早在20世紀60年代以利用邊角料制造車身內板的形式出現，美國福特汽車也早在70年代應用了車身鋼板激光焊接技術。隨著人們對汽車安全要求的提高和降低制造成本的需要，該技術于80年代的德國得到廣泛關注和大量應用。1985年德國蒂森鋼鐵公司成功生產出第一批寬度超過2m的拼焊板，并成功用于奧迪轎車的底板制造，拼焊技術逐步走向商業化，在世界范圍內的汽車行業得到廣泛應用，盧森堡安賽樂、韓國浦項、日本JFE等公司也都投入了較大的研發力量"。.
1985年，日本豐田汽車開始使用拼焊板，每年消耗量約360萬張鋼板用于拼焊板的生產。1994年起，美國通用、福特、克萊斯勒三大汽車公司開始大量使用拼焊板。
到1995年，德國寶馬汽車拼焊板的年使用規模達到了100萬張，到2000年整個歐洲汽車行業拼焊板使用量已經達到5000萬張。到本世紀初拼焊技術已經廣泛用于汽車制造各種零部件，包括車身結構件，外覆蓋件，內覆蓋件，車身A、B柱，車門內板，縱梁，地板，輪罩，內后擋板，橫梁緩沖器等。目前世界范圍內每年拼焊板的使用量已經達到了1.5億張，其中中歐洲占70%，美國占20%，日本占10%。
從90年代初期起，國內汽車廠家開始跟蹤汽車鋼板激光拼焊技術，逐步引進拼焊板沖壓技術，采購進口拼焊板進行沖壓成型，經過多年的發展逐步形成了國產化的沖壓生產線。1999年，寶鋼引進激光拼焊試驗裝置，進一步對激光拼焊板技術進行研究，并于2000年底成功地試制的激光拼焊板用于一汽小紅旗底板制造。2002年10月，國內第一條激光拼焊板專業化商業生產線，由武漢蒂森克房伯集團拼焊板有限公司正式投入使用。2004年12月，由寶鋼、一汽以及日本住友商事株式會社投資的一汽寶友公司成立，從瑞士引進激光拼焊板線、開卷剪裁線和開卷落料線并正式投產，年產量可達100萬件。國內主要的拼焊板供應商還有上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司、廣州花都寶井激光拼焊板有限公司等，目前，國內激光拼焊生產線已達到20余條，年產量約為2500萬件，已形成相當規模。
5結束語
拼焊板沖壓技術是當前汽車輕量化的重要措施之一，該技術的應用可以減輕車重、降低成本、減少污染，目前廣泛應用在汽車工業的生產中。本文針對鋁合金拼焊沖壓技術中涉及到的拼焊工藝進行了介紹，針對鋁合金板材拼焊板的沖壓性能、影響因素以及現有研究進展進行了分析，最后介紹了拼焊板沖壓技術在汽車行業的應用現狀以及未來發展前景。
參考文獻：
[1]王孟君，黃電源，姜海濤.汽車用鋁合金的研究進展[J.金屬熱處理，200(9)：34-38.
[2]王斯凡.先進高強度雙相鋼拼焊板沖壓成形特性研究與數值模擬D].上海：上海工程技術大學，2015.
[3]伍杰，毛祖莉，任芝蘭.汽車輕量化用鋁合金拼焊板的研究進展J].鍛壓技術，2016，41(9)：1-6，12.
[4]潘德剛，鋁合金構件焊接變形研究及焊接工藝優化[D].吉林：吉林大學，2014.
[5]王同舉.6009鋁合金激光-MIG復合焊焊接工藝及接頭組織性能研究[D].成都：西南石油大學，2015.
[6]楊得帥.6061鋁合金激光焊接接頭組織及力學性能研究[D].濟南：山東大學，2014.
[7]董鵬.6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織與性能研究[D].吉林：吉林大學，2014.
[8]王燕齊.6061鋁合金板材沖壓性能與伺服成形工藝研究[D].廣州：廣東工業大學，2019.
[9]伍杰，李理，毛祖莉，王祖文，輕量化汽車用拼焊板沖壓成形性能研究現狀與展望[J].焊接技術，2019，48(10)：1-5.
[10]林建平，胡巧聲，鮑文華，田浩彬，曲線焊縫差厚拼焊板沖壓性能研究J.性工程報，2007(6)：63-67.
[11]李前進，李海，激光拼焊技術在汽車車身焊接中的應用[J].南方農機，2021，52(4)：13-14.
[12]王達鵬，曲智，楊慶波，張榮學，劉尚，韓加夏，孫立亞.汽車車身熱沖壓成型技術的應用和質量控制綜述[.汽車工藝與材料，2020(4)：36-44
SCISSCIAHCI
