熱沖壓門環(huán)是指將A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁設計成一個封閉的整體式零件，進而進行熱沖壓成形。從2009年起，主要受全球排放法規(guī)的影響，熱沖壓鋼激光拼焊板在現(xiàn)代汽車上的使用開始迅速增長。2013年，首個完全由熱沖壓鋼制成的一體式熱沖壓門環(huán)使用部分消融技術制成。

輕量化門環(huán)的設計與材料機械性能、材料厚度、涂層性質、材料落料利用率、成形方式相關。目前生產的熱沖壓激光拼焊板中，約99%使用鋁硅涂層的鋼。使用部分消融技術對鋁硅涂層板進行激光拼焊，但如果在激光拼焊前沒有去除涂層，涂層中含有的鋁會削弱焊縫，導致零件失效。

而如果采用無涂層鋼板制造熱沖壓激光拼焊件，雖無激光拼焊開裂風險，但由于在一般的氣氛加熱爐內存在大量氧氣，使得無涂層鋼板在加熱過程中容易產生氧化皮，需要進行拋丸，但拋丸易變形，且耐腐蝕性差。本文以真空熱沖壓技術與激光落料、激光拼焊技術相結合，對一體式門環(huán)的輕量化設計開拓思路，對熱沖壓零件的開發(fā)具有指導和借鑒意義。

工藝優(yōu)化對比

以傳統(tǒng)設計的A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁點焊接門環(huán)方案與激光拼焊的無涂層板的方案進行對比分析。

⑴原方案：4個零件是單獨成形，后續(xù)通過點焊裝配；優(yōu)化方案：采用激光拼焊整體成形。

⑵料厚保持原設計數(shù)據(jù)。

⑶原方案每個零件的匹配搭接處取消，改成激光拼焊縫(圖1)，詳細參數(shù)見表1。

圖1 門環(huán)優(yōu)化方案數(shù)模

表1 門環(huán)優(yōu)化方案信息

從上述表格數(shù)據(jù)分析可得，門環(huán)優(yōu)化后減重17.853kg-15.141kg＝2.712kg，減重率約≈17%。

材料利用率對比

目前大部分通用落料線為壓力機與模具落料，壓力機與模具落料是利用壓力機和沖切模具進行金屬板料的落料，壓力機一次開合即完成一次料片的落料。其工作效率較高，但沖切時，為保持沖切順利，每個成品料片間必須有8～10mm的縫隙，并且在更換新產品時，需要重新設計和制造新的模具。因此這種工作方式，其材料利用率偏低，柔性較差，對新產品的響應速度較慢，其材料利用率如圖2所示。

而激光落料是利用激光切割裝置對切割平臺上的板材進行切割加工，從而完成料片的落料。激光切割時，每個成品料片間只需有3mm左右的縫隙，有些特殊的料片甚至可以做到零間隙排布，即共邊切割，同時，在更換新產品時，只需要重新編寫切割程序即可。因此這種工作方式，其材料利用率高，柔性好，對新產品的響應速度也快，其材料利用率如圖3所示，材料利用率對比詳見表2。

圖2 模具落料材料利用率

表2 模具落料與激光落料材料利用率對比

圖3 激光落料材料利用率

現(xiàn)場效果驗證

采用激光切割的落料方式，分別對厚度為1.4mm和1.6mm的22MnB5裸鋼板進行落料，得到厚度為1.4mm的A柱板料和門檻板料，厚度為1.6mm的B柱板料和H柱板料。依次序對A柱板料、門檻板料、B柱板料和H柱板料進行激光拼焊，得到門環(huán)坯料，如圖4所示。

將門環(huán)坯料放入930℃的真空爐內，對真空爐進行抽真空，爐內真空度在1～100Pa之間。將門環(huán)進行加熱，加熱時間為300s。將奧氏體化后的門環(huán)坯料放入模具中進行熱沖壓，其中轉移時間為10s，沖壓壓力為750t，保壓時間12s，門環(huán)熱沖壓件成形，如圖5所示。

圖4 激光拼焊門環(huán)坯料

圖5 真空加熱一體式激光拼焊門環(huán)

另外為增加無涂層門環(huán)的耐腐蝕性能，可對真空加熱后的門環(huán)進行電鍍鋅處理，電鍍鋅門環(huán)如圖6所示。

圖6 真空加熱一體式激光拼焊電鍍鋅門環(huán)

對真空加熱的門環(huán)以及氣氛爐加熱的門環(huán)用金相法進行氧化皮厚度測試，普通爐如不通入氮氣進行氣氛保護，氧化皮厚度一般在10μm以上，而通入氮

圖7 氣氛爐加熱門環(huán)氧化皮厚度

圖8 真空加熱一體式激光拼焊門環(huán)氧化皮厚度

氣進行氣氛保護，氧化皮厚度一般在5μm左右(圖7)。而用真空爐制備的零件，其氧化皮厚度一般小于2μm(圖8)。

結束語

結合真空加熱爐技術與激光拼焊門環(huán)技術，采用無涂層板制備一體式門環(huán)，減重17%左右，且發(fā)現(xiàn)通過真空加熱爐制備的熱沖壓門環(huán)，其氧化皮厚度小于2μm，小于普通氣氛保護爐產生的氧化皮厚度。另外由于激光拼焊處無涂層，可以避免焊接開裂的風險，無涂層激光拼焊需要增加耐腐蝕性能，可在熱成形之后加一道電鍍鋅工序即可。