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    跟着汽车工业的飞速成长，燃油经济性、更高安全性及更低碳排放量对于汽车车身轻量化需求提出了新的挑战。减轻车身总体重量可以起到降低油耗及晋升机能的作用，是以汽车行业为解决汽车轻量化问题，实现的手腕由材质替换为高强度钢板，推进了进步前辈高强钢于车身设计制造运用的稳步增加[1-2]。跟着强度级另外加年夜，质料塑性急剧降落、回弹变年夜、一次成型性变差，采用通例的冲压工艺很难满意工艺要求，从而使热成型工艺、辊压工艺成了优选工艺。辊压成型技能经由过程利用多个差别外形的轧辊，可以实现对于带材的纵向弯折，从而到达预期的截面外形[3]。这项技能尤其合用在高强度钢材的成型，例如，1500 MPa 的马氏体钢已经经被广泛运用在各类工业范畴。辊压成型是一个繁杂的工艺历程，需要屡次操作及调解。一个辊压出产线可以满意多种产物需求，只要更改轧轮模具，就能够建造出各类差别截面外形的产物。配置的自力节制伺服机电，可以经由过程计较机编程于铁板成型历程中节制横向挪动机架，从而实现截面变化及建造历程的矫捷性，极年夜地拓展了原有单一截面产物的运用规模。

1 进步前辈高强钢质料和其机能

诸如双相钢（DP）、变相引诱塑性钢（TRIP）、复相钢（CP）以和马氏体钢（MS）等都属在重要的强度较高的钢材类型。使用相变构造加固，这些类型的钢材可以或许实现高强度，强度取值规模于500 ～1500 MPa[4]。凡是，将抗拉强度跨越700 MPa 的钢材界说为超高强度钢。高强钢质料与平凡钢材比拟具备更强的刚度及强度，是以，制造不异功效或者布局的车体、车门等零件时，所利用的高强度钢板比平凡钢板更薄，进而有用实现减重。其典型运用包括：（1）运用在保险杠防撞钢梁、门板内梁等部位，有益在提高整车防撞机能；（2）运用在边梁、车轮等部位，能提高局部位置的抗疲惫强度；（3）运用在车顶、车门外板能有用降低车体碰撞后的变形量。

2 海内外辊压成型研究近况

2.1 外洋辊压成型成长近况

于十九世纪时期，外洋的滚动成型技能逐渐取患了显著成长。只管于初期阶段，它缺乏充足的理论依据，但设定工艺规格重要依靠在现实出产的经验。然而，跟着辊压成型技能于多个行业里被广泛运用及成长，列国都已经经预感到了这项技能的成长潜力，以是每一年都投入年夜量的人力及物力来做相干研究[5]。1910年，美国乐成开发出了第一套具备专业尺度的辊压成型装备。1939 年，美国钢铁研究院资助的康奈尔年夜学传授乔治 温特率领试验团队对于辊压成型的理论举行了深度探究，他们的研究重要依靠在Von Karman 及Bryan 的理论方程。只管于研究历程中，年夜量实践数据提供了主要的参考，但他们的理论公式于实践操作层面上，并未给出产带来较着的引导帮忙。于计较机科技快速前进的动员下，辊压成型理论阐发的东西慢慢健全。东京年夜学的传授木内学提出了运用外形函数来诠释辊压历程中形变区域曲面状况的方式，而且经由过程优化形变能量，乐成确定了辊压形变的空间曲面[6]。一种可以猜测质料宽度、残存应力及可能呈现的辊压变形缺陷的要领，由英国粹者King T. E. E.及PowellI J等人提出，这类要领基在塑性增量理论及残存应力理论，并经由过程数学公式来确定成型历程的应力应变设计。于20 世纪时期，辊压成型机的集成性急剧加强，迅速延长到冲压、焊接等多个范畴。跟着21 世纪的到来，为了满意对于高柔韧性及高精准度辊压成型产物的渴求，整合了断面光学检测、工装快速切换等高效装备的辊压成型单位，从而提高了集成化水平。是以，新兴的辊压成型技能如四辊式成型、柔性冷弯成型、CTA 成型以和辊冲孔加工法等应运而生。

2.2 海内辊压成型成长近况

20 世纪末，我国引进了辊压成型技能，这类技能因其高效、简便的特征，迅速于工业界获得广泛运用，特别是于修建、汽车等行业，它的呈现年夜年夜晋升了单一截面成型的效率，也为辊压成型理念的成长提供了强有力的支撑。跟着汽车行业的成长，高强度钢板的运用愈来愈普和，以满意修建行业对于型材的年夜范围需求。然而，因为冲压成型历程中轻易呈现开裂、皱纹等问题，是以，采用辊压成型技能可以有用地节制产物的外貌精度及平滑度，从而使其患上以越发广泛的运用。为了实现节能减排的方针，高强钢及超高强钢于汽车出产中的运用愈来愈普和，尤其是于抗拉强度高达1300 MPa 以上的钢材，辊压成型技能的成长遭到了极年夜的存眷。燕山年夜学的刘才传授将有线层次论运用在辊压工艺，深切研究了其成型历程和应力场，从而为节能减排提供了主要的参考[7]。张乐乐传授使用拉格朗日弹塑性变形理论与辊压实践的联合[8]，深切摸索了带材于辊压成型历程中的应力场及应变场，北京科技年夜学开发出CARD 柔性体系及专家体系[9]，为彩板门窗的计较机辅助制造技能及CAD/CAM 集成技能的成长提供了主要撑持，为海内的技能立异提供了有力的保障。我国研究职员应用弹塑性有限元法对于辊压加工经由过程数字模仿，郑军兴等专家使用ANSYS/LSDYNA 深切探究了辊压加工的反弹机能[10-11]，而刘继英的团队则使用Marc 技能，对于高强度钢板辊压形成的机理举行了深切的研究[12]。当前，我国辊压成型研究的重点已经经从有限元阐发转向了技能流程及理论的深切探究[13]，以期得到更好的成果，从而鞭策辊压成型技能的成长。

汽车市场对于在定制辊压型材的需求极年夜，估计其年度市场范围巨年夜，估值高达800 亿元。详细来看，每一年新能源电池盒框架的需求量到达1000 万套，这将为公司带来可不雅的年发卖额。此外，每一年领先的保险杠需求量也到达了4000 万套，这将为企业带来更多的收益，估算的年发卖额约莫40 亿元。

3 激光焊接技能运用

从20 世纪70 年月最先，很多发财国度便着重研究并器重激光，由于它具备精彩的导向性、高亮度以和良好的单色性等属性。采用高能量密度激光束作为热源的激光焊接，是一项效能高且正确的焊接技能，已经于很多工业出产范畴实现了迅速的推广及成长。可是跟着产物周详度的不停提高，新质料的不停运用，通例的激光光源及焊接要领已经经没法满意产物质量及出产效率的要求，火急需要寻觅新的解决方案。近些年，蓝光激光器、绿光激光器、飞秒激光器等新光源，摆动焊接、ARM（adjustable ringmode）环形可调光斑焊接等新工艺不停被推出，立异性地解决了工业出产中的一些焊接难题。

激光焊接技能及运用不停成长，重要沿4 个标的目的深切成长：（1）向高功率成长，今朝已经有万瓦光纤激光器运用在厚板金属的焊接，以和高反射质料对于在更高功率激光器的需求；（2）更短波长的激光器不停呈现，如绿光、蓝光激光器，跟着成本的不停降低，其运用会越发广泛；（3）更短脉宽的激光器不停运用在新的范畴，从原先的持续焊接到QCW 脉冲焊接（毫秒级），再到纳秒运用在薄板异种金属质料的焊接，今朝已经经呈现飞秒激光运用在玻璃以和陶瓷等质料的焊接；(4)激光及其他传统热源的复合，以和差别波长、脉宽的激光彼此之间的复合；于时间及空间范畴的复合，也是将来研究的标的目的之一，以阐扬差别热源的长处，得到更好的焊接质量或者更高的焊接效率。

汽车行业的成长鞭策了激光焊接技能的遍及运用。一项研究发明，采用激光焊接可以有用地减轻车身重量，进一步降低了全总成本。与电阻焊需要双边接触的方式比拟，激光焊接的单边非接触方式能实现更小的搭接宽度。假如能充实应用激光焊接，单辆汽车就能勤俭利用40 kg 钢材。此外，激光焊接还有具备焊接速率快、焊缝强度高、焊缝和热影响区窄、热变形小等特色[14]。

为了到达减轻汽车质量及提高车身耐腐化的方针，广泛利用了高强度的镀锌双相钢板。可是，于焊接历程中，双相钢的镀锌层对于焊接历程有必然的影响。好比用电阻点焊，锌层会于初期熔化，致使因为锌环的形成，焊接处的电流浓度显著降低，并且锌层与铜电极之间的反映会对于电极造成污染，从而缩短其利用寿命。此外，因为锌层的电阻率较低，接触电阻也较小，是以于焊接历程中轻易呈现飞溅、裂纹及气孔等问题，严峻影响焊接质量及安全性。假如采用激光搭接焊，搭接处的镀锌层蒸发会致使焊接气孔及飞溅等问题[15]。

于激光焊接镀锌板的历程中，由于锌的沸点（906 ℃）比钢的熔点（1300 ℃）要低患上多，镀锌层于遭遇高能激光的照射时会马上气化天生年夜量的锌蒸气，从而会对于焊接历程的不变性孕育发生影响[16]。熔池于固液共熔态时因为高压锌蒸汽反作使劲，导致熔池发生猛烈震荡从而于焊缝外貌形成外部穿孔。同时还有有部门锌蒸汽于焊接历程卷入熔池内部，于熔池凝集前未能和时逸出从而形成焊缝内部气孔。特别当板厚度减小时，熔池深度减小，锌蒸汽越发轻易穿透熔池，焊缝的穿孔缺陷加剧，焊缝成形的节制也变患上越发坚苦。

4 辊压成型镀锌板激光焊接

优化的辊压成型技能改善了产物的横截面设计，既到达了轻量化的要求，又晋升了截面的物理性子。经由过程使用有限元模仿平分析东西，对于产物于现实利用历程中的主要承载点举行了优化，有用解决了因为高强钢减轻可能呈现的刚度问题。辊压成型装备重要包括开卷机、进料及上料机、剪焊装备、冲压机、造型组件、激光焊装备、后期定型装备、切割东西和码垛装备等[17]。采用P 型（上部）及 日 型（下部）定制辊压的构件的布局优化，如图1 所示。从图1 可以看出，传统的辊压成型技能于制造这两种构件时需要举行焊接。然而，定制的辊压成型技能乐成地冲破了传统辊压成型技能与用户需求的距离，使构件实现了一体化，年夜幅晋升了出产效率[18]。

图1 P 形及日形的定制辊压型材

按照消费者的详细需要，辊压成型技巧可以用来制造各式各样的截面外形的辊压型材，如图2 所示。然而，定制化产物的运作效率凡是不高，模具替代的时长是评估定制工艺水平的主要尺度。为了提高出产效率，咱们需要于最初的阶段深切与客户举行设计交流，并调解成型器装备设计规划以加强其矫捷性。假如方针是实现尺度化及高效的辊压定制，就必需实施 三柔 ，即 一台呆板多种产物 一台呆板多种工艺 及 一种模具多种截面 。

图2 定制辊压成型出产线和辊压轮

于出产高强度钢的历程系中，凡是会插手浩繁的合金元素以增长材质的硬度，这致使其碳当量显著高在一般平凡钢材，从而使患上其焊接属性较差。别的，为了满意建造多功效轻量型材的需求，设计上一般会更为繁杂，好比繁杂的断面型材产物，需要应用角焊、对于接焊，叠焊接等多种焊接技能。总的来讲，现有的高频焊接技能已经经不克不及满意出产此类产物的要求。比拟之下，新兴的激光焊接技能，因其高功率密度、小的热影响区、精彩的焊缝机械强度及多样的焊接方式的上风，越发合适切确轧制型材的制程需求。于激光焊接历程中，焊接功率、焊接速率、光斑巨细和核心位置是决议性的技能参数，它们之间有着紧密亲密的瓜葛，调治这些参数可以优化焊缝的品质。基在这个道理，因为激光焊接所触及的加热区域较小，以是于辊压历程中，需要设计出更优异的辊压模具及焊接工装以到达精度要求，而且，激光焊接对于型材边沿的质量也有更高的评判尺度[19]。

高强钢的辊压出产线重要有两部门构成：辊压成型出产线及激光焊接出产装备。高强钢有镀锌板及非镀锌板两种类型。锌的作用是加强钢板的耐腐化机能，但因为锌的添加，辊压成型激光焊接时的锌蒸汽会致使激光焊接焊缝气孔的孕育发生。为相识决锌蒸汽对于在焊缝质量的影响，研究职员对于锌蒸汽的作用机理、对于怎样减小气孔举行了研究。华中科技年夜学陈志春等人研究锌蒸汽的举动对于焊缝成型及焊接质量的影响纪律，经由过程吸气的方式于熔池上方创造负压情况，使患上锌蒸汽于焊接历程中顺遂逸出，从而得到较好的搭接焊接接头质量[20]。可是这类要领，对于负压的形成装配有极高的要求，于辊压出产线因为布局的因素，很难广泛运用。采用激光洗濯的方式可以把镀锌板焊接搭接面的锌层去除了，其基来源根基理是使用激光束的高能量密度及短脉冲宽度，经由过程光热效应来断根金属外貌物资。可是因为激光洗濯装备造价成本较高，很难于企业获得广泛运用。现有技能是采用机械刮刀刮除了锌层，激光焊接时搭接面没有锌蒸汽造成气孔，成本低廉，获得出产企业的广泛运用。可是因为机械接触会造成刮刀毁坏，刮刀毁坏后不克不及把锌层去除了，从而影响后续激光焊接的焊接质量，是以怎样减小锌层对于激光焊接的影响一直是值患上研究的课题。

5 结论

综上所述，激光焊接技能可以或许满意镀锌板高强钢的焊接技能要求，于辊压线出产中的利用具备十分广漠的成长远景。跟着汽车制造业的成长，以和对于激光焊接技能进一步的改良，于新能源电池托架范畴，激光焊接技能的运用远景必然会变患上越发广泛，于激光焊接技能中的研究也会更为深切。当前，辊压成型叠焊、对于接焊对于焊接品质提出了更高的要求，是以必然要器重对于激光焊接技能的研发，并联合制造业的详细状态睁开交流互助，进级激光焊接技能，其实不断增强激光焊接工艺的改良，开拓出一条现代化辊压出产线的焊接技能集成装备成长门路。

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转自：汽车质料网

来历：《设备制造技能》 2023年第9期 P162-165

作者：在一强， 张名贵， 杨琨 单元：南京凯晟质料科技有限公司

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