引言 汽車用激光拼焊板是近年來發展很快的一項技術，目前已經共有100多條拼焊板生產線分布于世界各地，其應用范圍也從單純解決板材寬度不足問題，而逐漸趨向于對不同厚度、不同材質以及不同表面處理鋼板的拼焊。即將原來由幾塊不同厚度和不同強度板材分別沖壓成零部件，然后焊接成整體件的工序，改成先將不同強度和不同厚度的板材沖裁、焊接成整體毛坯，然后進行整體沖壓成型。這對減輕汽車重量、減少加工工序、降低成本，提高生產效率、減少材料消耗都有十分重要的作用。通過激光拼焊的方法減少了原先沖壓工序次數，現改為一次沖壓成形，對控制板材沖壓成形廢品率起到一定的作用，但同時由于激光焊縫部位的硬化，給沖壓過程也帶來了一定的挑戰。其中在沖壓過程中焊縫的流動便是其中問題之一。這就需要在模具設計時考慮焊縫可能的流動現象，從而使其設計結構合理。圖1所示為由于模具設計未考慮到焊縫流動現象而導致的零件沖壓開裂現象。 圖1 焊縫流動導致的開裂從圖1可以看出，由于焊縫的流動導致了焊縫的開裂。由此可見，對激光焊縫在沖壓時的流動現象進行研究有十分重要的意義。 1、實驗材料 本次實驗所采用的材料為冷軋鋼板，其化學成分見下表1所示。實驗材料的厚度為0.8mm 與1.2mm 的激光拼接。表1 實驗材料的化學成分 2、實驗方法 2.1 激光焊接 對上述0.8 與1.2mm 的差厚材料進行激光焊接，由于試驗采用的激光束光斑直徑小和待焊鋼板較薄，在本研究中采用激光切割對其邊部進行準備，經研究表明采用激光切割準備的邊部可以滿足激光拼焊時對邊部質量的要求。在本次試驗中采用PRC CO2 激光器對實驗材料進行激光焊接。激光焊接功率采用4000W，焊接保護氣體為氦氣，試樣激光焊接速度為3400mm/min，聚焦焦距為220mm。圖2 為激光焊接后的試樣尺寸和試件圖。 (a)拼焊板尺寸 (b)實驗用激光拼焊板 圖2 數值模擬和實驗用拼焊板2.2 數值模擬和試驗方案 對激光拼焊板進行沖壓的拉延深度定為90mm，其成形相對高度可用h/r來表示（其中h 為成形高度，r為零件的拐角半徑），其h/r 值近似等于2。運用DynaForm 軟件，采用方案1：普通壓邊圈和方案2：厚度變化式壓邊圈這兩種方案來模擬研究激光拼焊零件沖壓過程中的焊縫移動、厚度變化及應力應變等，同時通過實際激光拼焊板零件的實沖試驗來與模擬分析結果作比較分析。 3、討論 3.1 最大焊縫移動和材料流動 以垂直于初始焊縫的方向（X-X 方向）為參考方向，材料流動、焊縫移動均指沿此方向，若材料流動或焊縫移動與此方向相反，則以“－”號表示。圖3 為采用兩種方案成形仿真模擬后的材料流動分布示意圖。圖中左側為0.8mm 厚度板料，右側為1.2mm 厚度板料。 (a)方案1下的材料流動分布圖(b)方案2下的材料流動分布圖 圖3 方案1和方案2的材料流動分布圖從圖中可以看出，方案1所導致的厚側材料流入最少，薄側材料也以方案1流入最多，由此相應地導致焊縫移動量也是以方案1為最多。表2為兩種方案下數值模擬與實沖試驗后焊縫上測量的各點移動值。表2 兩種方案下的焊縫移動量實驗值和數值模擬值 從表中可以看出，采用方案1：實沖試驗值與數值模擬值之間的誤差較大，而方案2：實沖試驗值與數值模擬值之間的誤差較小，數值模擬能夠較為精確的預測焊縫移動量的大? ? 3.2 薄側板料最大增厚率 激光拼焊板在沖壓過程中，起皺一般容易發生在薄側材料，因而對在本研究中兩種方案下的薄側材料最大增厚率進行數值模擬計算，如表3所示，以求得不同方案對激光拼焊板起皺趨勢的影響程度。表3 兩種方案下薄側材料的最大增厚率 從數值結果可以看到，采用方案2 沖壓，拼焊板的最大增厚率小于方案1。這表明方案1的起皺趨勢最大，而方案2則有助于減輕起皺趨勢。 3.3 板料最大拉應力 表4、表5分別表示在不同方案成形后激光拼焊板的最大徑向拉應力和最大切向拉應力。從數值結果可以看出，方案2的最大徑向拉應力和最大切向拉應力均小于方案1，從而可見方案2對改善焊縫流動有一定的效果。表4 兩種方案下的最大徑向拉應力 表5 兩種方案下的最大切向拉應力 4、結論 (1) 數值模擬可以預測激光拼焊板沖壓過程中焊縫流動現象。 (2) 對于激光拼焊板在沖壓過程中，通過對壓邊圈進行特殊處理，能夠減少激光拼焊板板成形過程中的焊縫移動數量，從而減輕薄側材料的起皺，減少最大拉應力和危險點的應變，最終提高激光拼焊板的成形性能。