激光拼焊侧围加强板开裂分析及控制技术_行业资讯_资讯

整体高强度封闭结构拼焊板成形技术是在德国最先应用于生产，因其在尺寸精度和整车减重方面的优势，已在世界各先进国家中广泛应用。由于此类零件在制造技术上存在难点，因而在国内各自主车型上很少应用。近年来，随着高强度兼具高成形性材料的先进超高强钢的开发与应用，零件制造技术能力显著提升，特别是激光拼焊侧围加强板类零件的应用显著增多。

在某车型侧围加强板上，TRIP800 通过激光拼焊方式与其他材料连接。

1 侧围加强板零件特性分析

1.1 侧围加强板选材某车型侧围加强板零件坯料激光拼焊样式见图1，主要包括拼焊形式、坯料用材规格及厚度。从图1 可以看出，该零件采用 6 块材料激光拼焊而成，材料厚度分别 1.4, 1.5, 1.6, 1.8, 2.0 mm，最高强度级别为TRIP800 材料，其余材料选材为 TRIP600, ST280DZ-60/60, 590R。零件尺寸为 2237 mm×1470 mm，侧围加强板零件重量超过 15 kg。零件最高强度为 800 MPa，这种材料在冷冲压生产中用于复杂拉延零件生产存在两大难点：① 由不同材质、不同料厚材料整体拼焊结构引起的，主要在于相邻材质强度、厚度的差异造成成形过程中进料的不均匀性，再加上高强度板本身高含碳量对焊缝质量的影响，致使成形难度极大；② 封闭的产品结构，这种结构限制了拉延过程中材料的流入，较开放式产品结构更难于成形。

1.2 侧围加强板成型工艺激光拼焊的侧围加强板，主要有以下 5 序生产：开卷落料、激光拼焊、拉延成形、修边-冲孔-侧修边、修边-冲孔-翻边-整形。

2 侧围加强板开裂问题分析

该零件前期使用激光切割料片进行调试时没有发生拉延开裂的问题，具备稳定生产条件，仅仅是个别出现激光焊缝开裂问题。在生产准备后期，正式采用量产材料进行生产时，发生严重的拉延开裂，无法直接用于生产。制件存在的主要问题是开裂现象严重，具体开裂位置见图 2。

从图 2 可以看出，开裂位置位于 B 柱下拐角区域，该开裂区域使用材料为 TRIP800，厚度为 1.6 mm。拉延过程中该局部受拉应力为主，超出变形极限后造成开裂，板料断面存在大量微裂纹，及应力集中点，导致制件开裂无法消除，废品率接近 100%。边部毛刺打磨二次加工后，进行再次试冲，开裂率降低。

3 TRIP800 性能控制，牌号TRIP800，厚度为 1.6 mm，屈服强度为 430 MPa，抗拉强度为 772 MPa，均匀伸长率为 18.5%，断裂伸长率为 26.8%，扩孔率为 38.8%。冲压过程中开裂率明显降低至 2%，开裂率降低取得明显效果。该批次试验料采用激光切割方式落料，后续大批量落料生产难以为继，需要新增开落料模。同样模具状态生产，开裂率几乎 100%。为此全面剖析了前期宝钢生产高扩孔 TRIP800 材料和国内某钢厂的商业化 TRIP800 材料，寻找不同卷间的组织和性能差异。

3.1 化学成分测定4 卷材料的化学成分均以 C, Si, Mn 为主，宝钢的目标成分为 0.17C-1.5Si-1.5Mn，而对比材的目标成分为 0.24C-1.1Si-1.6Mn，从成分上对比，对比材的碳当量远高于宝钢材料。

3.2 显微组织金属材料显微组织见图 3，分别通过 1000 倍（左侧）及 3000 倍（右侧）放大观察金相组织。从图 3可以看出，4 卷材料的显微组织为铁素体+贝氏体或马氏体+残余奥氏体。其中，宝钢材料的马氏体含量偏多，而对比材料的残余奥氏体含量偏多，宝钢的三卷材料组织特征相同。

3.3 残余奥氏体含量分析XRD 分析结果见图 4，4 种材料的残余奥氏体的质量分数对比为 ANG(13.3%)>4701(10.6%)>5201(8.8%)>4501(4.5%)。宝钢材料的主要组织为铁素体+贝氏体或马氏体+残余奥氏体，代号 4501 卷的残余奥氏体的质量分数仅 4.5%，代号 4701 卷和 5201卷的残余奥氏体的质量分数为 9%~10%，而对比 ANG材料的主要组织为铁素体+贝氏体+残余奥氏体，残余奥氏体质量分数明显偏多，达到 13%以上。TRIP 钢的塑性变形能力与所含残余奥氏体的数量有密切关系，成形高度 H 几乎与残余奥氏体数量成直线关系，当残余奥氏体量达 20%时，H 达最大值，再增加残余奥氏体数量，H 值就下降了。

3.4 扩孔试验结果扩孔试验依据 GB/T 15825.4—1995 进行试验，样板尺寸为 150 mm×150 mm，冲孔均由生产现场检化验冲裁，扩孔试验宏观形貌见图 5。从结果看，4 卷材料的扩孔结果为：对比材 ANG＜宝钢材料 4501＜宝钢材料 4701＜宝钢材料 5201卷。值得关注的是，对比材 ANG 的扩孔率仅 20%左右，远低于宝钢材料，但宝钢材料中，4501 卷的平均值最低，测试的扩孔率在 35%左右。

3.5 力学性能拉伸试样为 JIS13A，采用 3 组拉伸数据取平均值的方法。从性能实绩看，对比材料的屈服和抗拉均高于宝钢材料，而宝钢材料 5201 和 4701 的伸长率要高于对比材，但宝钢材料 4501 的伸长率则低于对比材。此外对比材 ANG 的 n 值高于宝钢材料，而宝钢的 3 种材料中，4501 的 n 值最低。拉伸试样见图 6。

3.6 表面粗糙度测试样板上下表面的粗糙度，每面测试 10 个数据点取平均值，结果见表 4。从结果看，4 卷材料的粗糙度接近。

4 生产调试

宝钢生产高扩孔 TRIP800 材料，卷号分别代号4701、代号 5201、代号 4501，进行生产调试。模具原来调试使用国内某钢厂材料，使用新的钢厂材料，需要进行调试匹配材料，具体调试如下：

①卷号 5201，生产 104 片，开裂 10 片开裂率为 9.6%。开裂 10 片主要为首次冲压时模具调试期间，后通过开裂区域镶块垫片调整至 2 mm 高度，连续生产无开裂，后切换卷号代号 4501，生产 6 片，全部开裂；

②开裂区域镶块垫片调整至 2 mm 高度，压边力 650kN 的模具状态下，生产卷号 4701，生产 100 件，开裂 1 件，且该开裂属于焊缝质量问题，与材料无关，开裂率为 1%。后切换卷号代号 4501，在 4701 卷号生产稳定后的情况下试冲，冲压 4 件，开裂 4 件。从整个 2 次试冲可以看出材料性能偏下限（卷号 4501），冲压易开裂，材料性能需严控。其余卷号，在压边力调整及压边圈镶块垫片逐步调整的情况下，冲压后续都能连续稳定生产。对比材 ANG 的使用，通过模具调整，也能满足稳定生产的需求。对于激光拼焊侧围加强板，B 柱下端拐角区域采用 TRIP800 材料，在材料性能屈服、抗拉强度符合要求的情况下，结合目前模具状态，即压边力控制在 650 kN。开裂区域压边圈镶块垫片高度保持约 2 mm，并根据材料性能做适当调整的情况下。材料伸长率≥25%，n 值不低于 0.18 的情况下，能够满足稳定生产要求。

5 结论

1) 从冲压结果可以看出，在 TRIP800 材料屈服、抗拉强度满足要求的情况下，目前的模具状态下，材料伸长率≥25%，n 值不低于 0.18 的情况下，能够满足冲压过程中的稳定生产。

2) 扩孔试验结果表明，通过对比材 ANG 的使用，也能满足稳定生产来看，扩孔率更高的代号 4501卷的生产反而开裂严重，说明在该零件的成形过程中，扩孔率并不是唯一影响开裂的性能指标。为保证冲压稳定，需对材料的延展性以及加工硬化特性进行要求。

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