運(yùn)用新的工藝技術(shù)是輕量化的重要手段之一。本文簡(jiǎn)述了一體式熱成型激光拼焊門環(huán)在某車型上的成形工藝和具體應(yīng)用，并校核了門環(huán)的強(qiáng)度。門環(huán)成形運(yùn)用了熱成型激光拼焊技術(shù)，在生產(chǎn)上節(jié)約了模具設(shè)計(jì)及制造成本，而且實(shí)現(xiàn)了輕量化，門環(huán)減重超過(guò)10%。

1、引言

目前汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，消費(fèi)者對(duì)于汽車的要求也越來(lái)越高，尤其在燃油經(jīng)濟(jì)性及整車性能方面，因此，汽車車身設(shè)計(jì)顯得尤為重要，既要保證足夠的剛強(qiáng)度和安全性能，又不能使車身質(zhì)量較重[1，2]。研究表明：汽車的燃油消耗與汽車的自身重量成正比，汽車質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗就降低0.6%-1.0%，所以體現(xiàn)汽車輕量化在節(jié)能減排方面的重要性。

汽車輕量化方法包含結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化、工藝輕量化;本文介紹工藝輕量化中的激光拼焊和熱成型，通過(guò)材料及料厚的優(yōu)化，激光拼焊門環(huán)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)整車輕量化的同時(shí)具有最佳的碰撞性能及材料的利用率[3]。

2、門環(huán)設(shè)計(jì)與分析

從環(huán)狀結(jié)構(gòu)對(duì)車身性能影響的程度，可以將車身分為四類共計(jì)16個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)：耐久環(huán)、剛度環(huán)、吸能環(huán)、安全環(huán)，如圖1和圖2所示：

按照“木桶理論”，提高非薄弱處的剛度不會(huì)有效增加整體剛度或者說(shuō)適當(dāng)減少非薄弱處的剛度不會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)整體剛度，一體式熱成型激光拼焊門環(huán)由不同厚度、不同材料、不同鍍層的板料通過(guò)激光拼焊的工藝組合而成，并一次沖壓熱成型，使得材料與環(huán)狀結(jié)構(gòu)的匹配發(fā)揮出最佳的性能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了合適的材料使用在合適的地方，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

3、材料選擇與不等厚設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)門環(huán)的輕量化設(shè)計(jì)，增加其實(shí)用性，本文提到的一體式熱成型激光拼焊門環(huán)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)方案相比需滿足下列3點(diǎn)要求：1、車身碰撞性能不降低或有所提升;2、門環(huán)重量至少降低5%;3、成本降低或不增加。

由于坯料需要良好的熱成型性能，所以需采用熱成型鋼，而且，坯料用于成形門環(huán)，需要較高的強(qiáng)度，因此在材料的選擇上，采用BR1500HS熱成型鋼板。BR1500HS既可以提高防撞安全性，又可以實(shí)現(xiàn)白車身輕量化，能夠同時(shí)解決安全性能和輕量化的問(wèn)題。BR1500HS在淬火前的屈服強(qiáng)度約為300MPa，抗拉強(qiáng)度約為600MPa;經(jīng)熱成型淬火后，BR1500HS的屈服強(qiáng)度約為1200 MPa，抗拉強(qiáng)度約為1500 MPa。通過(guò)多次優(yōu)化驗(yàn)算，最終一體式熱成型激光拼焊門環(huán)設(shè)計(jì)如圖3所示，共5個(gè)零件，從1至5分別為：1.側(cè)圍上梁加強(qiáng)板，厚度為1.8 mm;2.B柱加強(qiáng)板，厚度為1.8 mm;3.門檻梁加強(qiáng)件，厚度為1.6 mm;4.A柱下加強(qiáng)板，厚度為1.7 mm;5.A柱上加強(qiáng)板，厚度為1.6 mm。

4、性能分析

對(duì)采用傳統(tǒng)沖壓焊接工藝的門環(huán)和采用熱成型激光拼焊的門環(huán)分別進(jìn)行25%偏置碰撞分析驗(yàn)證，結(jié)果如圖4和圖5所示，從圖中可以看到，兩種門環(huán)在碰撞時(shí)，采用激光拼焊的車身駕駛艙的侵入量相對(duì)較小。

對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，采用熱成型激光拼焊工藝的門環(huán)在25%偏置碰撞中變形更小，表現(xiàn)出了更優(yōu)的安全性能。對(duì)比兩種工藝的門環(huán)，不同位置的侵入量如表1所示。

從表中可以看出一體式門環(huán)在A柱下鉸鏈、擱腳區(qū)、左側(cè)足板、轉(zhuǎn)向管柱、A柱上鉸鏈、上儀表板、左側(cè)儀表板位置的侵入量均有所減小，只有制動(dòng)踏板與門檻處的侵入量增大。

從上述結(jié)果可以看出，在上述碰撞分析中，采用激光拼焊方式連接的門環(huán)大部分位置的侵入量都要小于傳統(tǒng)工藝的門環(huán)，安全性能略優(yōu)于傳統(tǒng)門環(huán)。

采用傳統(tǒng)焊接方式連接的門環(huán)重量為15.77 kg，而使用激光拼焊方式連接的門環(huán)重量為13.96 kg，重量上降低了11.48%，超出了方案預(yù)定的目標(biāo)。激光拼焊方式連接的門環(huán)輕量化效果更好。

5、激光焊接工藝與成本

由于門環(huán)的不同位置對(duì)剛度和強(qiáng)度的要求不同，激光拼焊的坯料可以選擇不同厚度，不同材料和不同表面處理的鈑金進(jìn)行激光拼焊[4]。激光拼焊的工藝流程較為簡(jiǎn)單，主要流程包括：卷料開(kāi)平激光切割激光焊接沖窩堆垛[5]。在激光拼焊的過(guò)程中，通過(guò)一定激光功率和焊接速度的激光將兩塊鋼板焊接成形。

熱成型工藝需要將激光拼焊后的坯料輸送到高溫爐中進(jìn)行加熱，坯料經(jīng)加熱后沖壓成形。另外，零件在高溫成形后迅速淬火冷卻，零件的成形回彈量極小，極大程度上提高了零件的精度，為成形零件后的后續(xù)焊接機(jī)裝配工藝打下了良好的基礎(chǔ)。

采用一體式熱成型激光拼焊工藝，激光拼焊是在沖壓前將厚度不同的板料拼焊在一起，省去了材料在零件搭接邊處的浪費(fèi)，節(jié)約了材料，降低了材料成本。具體成本如表2所示，熱成型鋼的費(fèi)用在7000元/噸左右，坯料重量約為20kg，單件費(fèi)用約120元;普通鋼板的價(jià)格在6000元/噸左右，坯料重量約為24kg，單件費(fèi)用約為131元。熱成型模具、夾具及檢具的費(fèi)用共計(jì)約550萬(wàn)元，按照10萬(wàn)件均攤單件零件價(jià)格為75元;傳統(tǒng)工藝模具、夾具及檢具的費(fèi)用共計(jì)約500萬(wàn)元，按照10萬(wàn)件均攤單件零件價(jià)格為50元。人工成本均為20元/人/小時(shí)，熱成型工藝需8個(gè)工人，每小時(shí)約80件，傳統(tǒng)工藝需36人，每小時(shí)約120件。

6、總結(jié)

綜合考慮到工藝、成本和性能，一體式門環(huán)在各方面均體現(xiàn)出了自己的優(yōu)勢(shì)與競(jìng)爭(zhēng)力。一體式熱成型門環(huán)在性能方面保證了車身的強(qiáng)度與剛度，滿足了碰撞的要求。在工藝方面，門環(huán)采用熱成型和激光拼焊技術(shù)，兩種技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用提高了門環(huán)的成形質(zhì)量和成形率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了車身輕量化。在成本方面，新技術(shù)降低了設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造的成本。