先进高强度钢板的冲压和焊接

1 冲压技术 在进行钢板的冲裁时，必须克服钢板的剪切强 度；在进行钢板的冲压成形时，必须克服钢板的屈服 强度。高强度钢板的剪切强度和屈服强度比普通软钢 板高很多，必然对其冲裁和冲压成形带来困难。这些 困难大都可以通过改进零件的设计、优化毛坯形状、 优选工模具材料和其表面处理、适当增大模具圆角以 及采用辊压等新成形工艺得到解决。 1.1 折弯 在折弯软钢板时，工件折弯圆角内径由凹模开口 宽度而不是凸模圆角半径决定。与此相反，在折弯高强 度钢板时，工件圆角内径与凹模开口宽度没有大的相关 性。因此，在折弯高强度钢板时，凹模的开口宽度可适 当加大，以减小折弯力和模具磨损，而对工件的折弯圆 角内径没有大的影响。高强度钢板的折弯性能在钢板的 纵向和横向上差别较大，设计折弯工艺时应注意。 1.2 冲压 冲压力随着钢板强度的提高而增大。一般来说， 在冲压高强度钢板时，需要较大的压边力，以防止起 皱。冲压高强度钢板时，模具表面的高应力对模具材 料及其表面处理带来极大挑战，计算机数字模拟技术 对合理选择模具材料及其表面处理有很大帮助。 1.3 辊压成形 先进高强度钢板比较适合辊压成形，采用辊压成 形可以生产出断面和外形更为复杂的零件。为此，专 门开发了辊压成形用高强度钢板。试验表明，采用辊 压工艺可以获得极小的折弯半径。 1.4 扩孔翻边 高强度钢板的扩孔翻边能力比软钢板差，因此尽 可能优化工艺就变得更为重要。例如，为了使冲孔时 的毛刺位于承受拉应力较小的孔内侧，冲孔的方向应 与翻边方向相反；为了得到更高的翻边高度，可以在 冲孔之前预成形；推荐使用比加工低碳钢钢板时更大 的根部半径，一般取板厚的1.5~2.0倍；冲头与外模 间的间隙适当放大。 1.5 减小回弹的措施 高强度钢板的回弹比软钢板大，通常采取以下措 施来补偿： a.过弯； b.增加压边力； c.增加整形工艺； d.采用拉延筋； e.在零件的平面和折弯圆角处增加筋； f.优化板料毛坯形状。 2 冲切技术 2.1 落料与冲孔 采用通常的落料和冲孔方法时，所产生的断面由 圆角带、光亮带、断裂带和毛刺所组成。高强度钢板 冲切断面的光亮带比软钢板的小。随着强度的提高， 毛刺高度减小。为了得到满意的断面质量，对于高强 度钢板的落料与冲孔，应注意以下几点。 (1)模具间隙 模具间隙是指凸模与凹模的径向距离。对于高强 度钢板来说，模具间隙应该比软钢板大一些。较大的 模具间隙对模具的寿命有利且不会像软钢板那样形成 较大的毛刺。建议的落料和冲孔模具间隙如图1所示。 对于强度最高的钢板来说，过大的模具间隙也会 带来问题。一方面是在钢板断面上产生大的折弯或圆 角，使断面质量下降；另一方面在凸模边缘产生过高 的弯曲应力，使模具面临发生崩刃的危险。对于屈强 比高的材料，这一点尤其重要。 (2)落料/冲孔力 需要的落料/冲孔力与钢板强度、钢板厚度以及 冲裁的线长度成正比。一般在用高强度钢板替代软 钢板时，所用板料厚度会减薄，因此不会造成落料 /冲孔力的大幅度提高，在大部分情况下，可以使用 原有设备生产。在对强度最高的钢板进行落料/冲孔 时，应设法减小这种力。当模具冲裁间隙增大时， 落料冲裁力会有所减小，通常减小3%~5%。为了避 免在一道工序中同时对多个孔冲孔，可以将凸模设 计成不同长度，以减小冲孔力。减小落料/冲孔力的 最有效方法是对刀口倒角，最佳倒角方案是如图2所 示的对称倒角，因为对称倒角可以避免刀口上的力 向一边倾斜。倒角刀口不仅减小落料/冲孔力，而且 降低噪声。 图3显示不同凸模对落料/冲孔力的影响。由图3 看出，凸模加涂层并不能降低落料/冲孔力，这是因 为涂层降低了冲头末端与板料之间的摩擦力，摩擦力 的降低使板料分离所需要的起始裂纹更难以形成。 试验表明，在对强度为1 400 MPa的马氏体钢钢 板进行落料/冲孔时，倒角高度为料厚的0.7%即可以 降低落料/冲孔力30%。对于高强度钢板，倒角高度 只需保证在整个凸模顶端表面区域与板料接触之前开 始对板料进行切割即可，过大的倒角存在凸模顶端发 生塑性变形的危险。 2.2 切边与剪切 (1)剪切间隙与剪切角 剪切间隙是指上下刀口之间的水平距离；剪切 角是指上下刀口之间的角度。使用带有剪切角的刀具 时，剪切间隙可以比使用平行刀具时大些。图4给出 剪切高强度钢板时推荐的剪切间隙；图5给出推荐的 剪切角。 (2)剪切断面 剪切断面的形貌与落料冲孔断面相同。剪切参数 改变时，剪切断面形貌也会发生变化。平行刀具较大 的剪切间隙会产生较大的光亮带；带剪切角的刀具较 图1 建议的落料和冲孔模具间隙 （a）落料 （b）冲孔 图2 用于落料和冲孔的倒角刀口 图3 不同凸模对落料/冲孔力的影响 8 汽车工艺与材料 AT&M 2 0 1 0 年第4 期 大的剪切间隙会产生较小的光亮带。 (3)剪切力 需要的剪切力与钢板强度、钢板厚度以及剪切长 度成正比。在对最高强度的钢板进行剪切时，需要的 剪切力可能非常大，避免大剪切力的有效方法是采用 剪切角，剪切间隙对总剪切力没有太大影响。当使用 剪切角时，剪切高强度钢板与剪切普通软钢板所需要 的最大剪切力差别不大。最大剪切力的明显下降发生 在使用1°剪切角时。剪切角进一步增加时，最大剪 切力也进一步有所降低，但是，使用＞1.5°的剪切 角没有什么好处，最大剪切力下降不多，却容易带来 崩刃的危险。 在从软钢板转换到应用先进高强度钢板时，往往会 遇到原有剪切设备的剪切力是否足够的疑问，通过剪切 力的计算可以打消这个顾虑。剪切力的计算公式为 F =KSK·t 2/2tanα （1） 式中，F 为剪切力；KSK为剪切强度，KSK=R m·系数e ， R m为钢板的抗拉强度；t 为板料厚度；α 为剪切角。 系数e 与钢板的强度有关， 对于软钢板， e =0.8，随着钢板抗拉强度的提高，e 不断减小；对 于最高强度的钢板，在不采用剪切角的情况下，e 为 0.55左右。如果采用剪切角，e 可以降低到0.3左右。 系数e 与钢板抗拉强度之间的关系如图6所示。 通过上式的计算可知，只要选择适当的剪切角， 剪切力不会因钢板强度的提高而有很大提高，如果在 用高强度钢板替换软钢板时，适当减薄所用钢板的厚 度，则其剪切力还会下降。 3 焊接技术 先进高强度钢板相对于其高强度来说，合金含量 低，钢材的纯净度高，不易产生裂纹或其他缺陷，焊 接性能不会成为大的问题。先进高强度钢板可以采用 各种传统的焊接工艺，如点焊、MAG焊、TIG焊、等 离子焊、激光焊和高频焊等。 3.1 点焊 点焊是电阻焊的一种，在汽车车身生产中广泛应 用。为了提高焊接结构的强度和疲劳寿命，在进行点 焊工艺设计时，可以采取增大点焊焊核直径和减小焊 点间距的办法。表1是采用宽度为80 mm、不同焊核 直径（d ）、不同焊点间距（l ）的试样进行疲劳试验 （循环基数为1×106次）的结果。 图4 推荐的剪切间隙 图5 推荐的剪切角 图6 系数e 与钢板抗拉强度的关系 表1 相对疲劳寿命 试样相对疲劳寿命/% 点焊l /d =12.9 点焊l /d =6.5 点焊l /d =3.2 点焊+粘接l /d =12.9 连续激光焊接 先进高强度钢板既可以与低碳钢板一起点焊，也可 以与高强度钢板点焊。当先进高强度钢板与低碳钢板一 起点焊时，焊点强度与低碳钢板的强度相同，在进行剥 离试验时产生完全的塞状破坏；当高强度钢板与高强度 钢板一起点焊时，剥离试验的破坏可能发生在焊点，即 出现部分塞状破坏。推荐的点焊工艺参数如表2。 表2 推荐的点焊参数 钢板1 牌号 Docol 钢板2 牌号 Docol （钢板1/ 钢板2） 厚度/ mm 焊接电流/kA 焊接参数 标记 最小值最大值差值 电极直径 电极压力 焊接时间 保压时间 /mm /N /周期 /周期 3.2 熔融焊 由于先进高强度钢板的良好焊接性能，在进行 诸如MAG、TIG或等离子焊接等常规熔融焊接时都不 会出现裂纹等缺陷，在与低碳钢板或同牌号钢板焊接 时都是如此。当与低碳钢板焊接时，焊接接头的强度 取决于低碳钢板的强度；高强度钢板与高强度钢板焊 接时，焊接接头的强度虽然较高，但达不到母材的强 度。这是因为在接头附近存在热影响区，降低了接头 的强度。在进行先进高强度钢板的MAG焊接时，可 以采用为低碳钢板焊接所选择的焊接参数。 3.3 激光焊接与激光切割 先进高强度钢板可以与低碳钢板或同类型钢板进 行激光焊接。激光焊接的优点是焊接接头强度高。对 强度在1 000 MPa或较低的钢板来说，激光焊接接头 的强度与母材强度相同；强度更高的高强度钢板的激 光焊接接头的强度虽然不能完全达到母材的强度，但 比MAG焊接接头的强度高。这是因为激光焊接时输 入的热量远比MAG焊接时少，焊缝很窄，基本上不 存在热影响区，因而维持了接头的高强度。 由高强度钢板制造的汽车车身零件往往有非常 复杂的边缘轮廓，这种复杂的轮廓可以由激光切割 来得到。激光切割是一项高质量的切割工艺，通过 它可以得到高质量的切割表面和高尺寸精度。为达 到高质量，必须保持钢板表面有高的清洁度。对先 进高强度钢板进行激光切割不需要另行选择工艺参 数。德国工业标准DIN 2310中规定了激光切割边缘 的质量要求，对先进高强度钢板的激光切割达到了 此标准中规定的最高质量等级。激光切割的另一个 优点是热影响区很狭窄，以至于在随后的焊接操作 中被消除。 3.4 高频焊接 高频焊接广泛应用于焊接管的焊接，这种工艺也 可以焊接先进高强度钢板，焊缝的强度基本上由其热 影响区的强度来确定。 注：最小值：得到电极直径70%焊核的电流；最大值：不出现飞溅的最大电流。 220 RP为镀锌钢板，镀层厚度10 μm。 点焊由单相AC焊机进行，测量值由十字拉伸试验得到。