前纵梁激光拼焊板焊缝端部成形后开裂问题的解决

文/乔红军，魏龙·东风模具冲压技术有限公司

前纵梁激光拼焊板焊缝端部成形后开裂问题的解决

文/乔红军，魏龙·东风模具冲压技术有限公司

本文以轿车零件前纵梁为例，阐述了激光拼焊板焊缝端部在零件成形后产生开裂的原因，提出了相应解决方案，并应用于生产实践。

前纵梁是轿车车身结构件中使用激光拼焊板的主要零件之一，通常有至少2种不同强度及料厚的钢板经激光拼焊组成。由于是通过焊缝连接，焊缝区域对于零件冲压成形过程中材料的流动会产生一定的影响，即便是在拼焊焊缝各项指标检验均合格的情况下，在冲压成形过程中，焊缝拼接结合处端头也极易产生开裂。

工艺简介

图1所示零件是一款轿车前纵梁，该零件属于轿车车身结构件中重要的承载部件，零件板材是两种高强度钢板经激光拼焊连接而成，材料牌号分别为DP780（料厚2.0mm）和DP600（料厚1.8mm）。毛坯材料是两种牌号材料分别按工艺设计形状进行落料加工，再进行激光拼焊而成，冲压工艺为：OP10成形→OP20整形→OP30修边冲孔→OP40斜楔修边冲孔+翻边，共4道工序组成，选用工艺设备为31000kN多工位压力机。

该零件属安全法规件，尺寸精度、质量、功能要求都非常高，尤其是开裂问题，会对车身强度造成很大影响，直接影响到整车车体碰撞性能。

缺陷描述及产生原因分析

调试生产过程中，该零件的尺寸及稳定性均可以满足技术要求，但其拼焊焊缝接头处，却存在开裂情况，且发生比例较高。开裂具体部位如图2圆圈区域所示。

图1 前纵梁示意图

图2 开裂具体部位图

经过对原材料、生产设备工装、制造工艺等方面进行调研分析，基本明确造成拼焊缝处成形开裂的原因有以下几种。

拼焊缝处毛坯料形状设计存在应力集中区域

两种板材在焊缝拼接接口处的形状设计，为近似于“直角”台阶形状（图3圆圈部位所示），此处2.0mm料厚材料在成形后，沿直角接口处边线没有修边工艺内容。直角台阶状接口两侧料厚区域，在冲压成形过程中，由于两侧材料流动所受摩擦力不均匀，导致拼焊焊缝两侧不同料厚的板料综合受力不均匀，拼焊焊缝处产生拉应力，在焊缝接头处易形成应力集中区，加之此处是该毛坯材料的应力薄弱点，因此在成形后，焊缝接口处容易产生撕裂。

图3 拼接接口布置图

拼焊缝两侧受力不均

模具设计过程中，由于拼焊板两种板材存在料厚差，通常需要在焊缝处不等厚模面一定范围内设定料厚空开面，空开面向料薄的一侧设计，压料面空开相应较大，凸凹模工作区域对应处相应较小，一般10mm左右。如图4所示。

图4 拼接板凹凸模布置图

该零件冲压首序为成形工艺，没有设计沿周压料面，加之零件毛坯为非对称形状，且模具初定位为沿周的若干个外形定位挡块，故在材料塑性变形过程中，焊缝的位置没有相对严格的约束，往往在塑性变形一开始，拼焊缝就已产生偏移，并且当拼焊缝发生偏移后，作用在板料上的压力就会产生变化，同时导致这两种不同料厚的板料变形时产生不同的摩擦力。在两侧不对称的摩擦力作用下，焊缝内部产生不对等的拉应力，当拉应力超过失稳极限时，导致最易开裂的焊缝端部开裂。

拼焊缝端部焊缝不饱满

两种不同料厚的板材拼焊时，起焊和收尾时，如果工艺处理不当，则形成的焊缝相对就不饱满（图5），甚至属于没有完全完成焊接，导致拼焊缝端部的焊接强度不足，此时，经冲压塑性变形的板材，在端部易产生开裂。

图5 不饱满焊缝示意图

解决措施

优化拼焊缝处毛坯料形状设计

对拼焊板焊缝处毛坯的轮廓外形进行优化，将焊缝结合处“直角”台阶形状优化为圆弧过渡（图6），使得此区域在冲压成形过程中更加有利于不同料厚两侧受力的平衡，降低开裂的风险。同时，优化冲压工艺内容，在后序修边工序的模具上将修边刃口加长，将经过圆弧处理的区域做精修处理，满足最终产品特性要求。

图6 圆弧过渡示意图

优化模具结构，增加精准定位

对毛坯定位进行优化，在毛坯料片上增加2个半圆形缺口，模具相应位置增加2处定位挡销（图7）。这样一来，在新增的2处缺口定位以及原有的外形定位共同作用下，毛坯片料可以进行精准定位，保证了拼焊焊缝在塑性变形初期的位置不发生偏移，同时，也有效地控制了冲压成形后拼焊焊缝的偏移量。

优化拼焊工艺，保证焊缝端部饱满

优化激光拼焊工艺参数，调整拼焊始末时激光焊接的速度、角度，同时增加原有焊缝的实际焊接长度，保证焊缝首、尾端部饱满，保证焊缝首尾的强度，避免在冲压成形的过程中在此薄弱区产生应力集中，超极限而产生开裂。优化后的拼焊焊缝端部如图8圆圈位置所示。

通过以上三项具体措施的实施，并通过实际验证，成功解决了前纵梁激光拼焊板焊缝端部在成形后开裂的问题。

图7 毛坯定位图

图8 优化后的拼接焊缝端部

结束语

本文以采用成形工艺的前纵梁为例，对拼焊板焊缝在成形过程中开裂的原因进行了分析，并提出了切实可行的解决措施。同时通过实践，成功地解决了实际问题，为今后类似零件、类似问题的解决起到了指导作用。