汽车高强度激光拼焊钢板自动化退火设备的研究
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【摘 要】激光拼焊板直接进行冲压加工，往往会出现焊缝局部开裂问题。经过大量实验，将焊缝进行局部分段退火，既保证了压弯处不开裂又保证了其余部分焊缝的高强度。根据要求对焊缝分段火焰加热后空冷，加热时自动控制分段长度和火焰前进速度，实现自动化退火，达到提高质量减小劳动强度的目的。
【关键词】激光拼焊，开裂，退火，冲压
汽车用高强度钢板具有高的屈服强度和抗拉强度， 延展性强， 冲压成形能力高， 用作汽车钢板可减轻车身自重， 降低油耗， 同时能量吸收的能力强， 能够抵御撞击时的塑性变形显著提升了汽车的安全等级。因而被广泛用于制作汽车零件等。
2012年9月，某型号汽车前地板前横梁在使用TRIP800钢板激光拼焊后，未经退火进行冲压成形，出现开裂的达到70%以上，开裂位置在压弯四个直角处，开裂方式：垂直焊缝，开裂大小：针别大小；焊缝经过气焊枪烧烤加热退火后的板料共冲压20件，没有开裂的。随着高强度钢板的应用，激光拼焊后直接进行冲压，在焊缝处出现开裂问题越来越多。目前，生产上多采用火焰加热然后空冷的方式对焊缝进行热处理，很难实现均匀加热，并且无法实现准确的分段加热。
一、焊后退火工艺
1防止开裂的常用措施
冲压件出现裂纹是拉深和压弯过程中经常出现的问题。激光拼焊板在冲压过程中，由于焊缝组织的原因，在焊缝处也会出现开裂现象。通常，防止开裂采取的措施有改善冲压工艺和改善板材冲压性能两大类，例如：增大模具圆角半径，增大凸、凹模间隙，，退火等。而改善材料冲压性能，提高其塑性是最直接有效的措施。
2.退火工艺方案
为了最大程度保证材料的强度硬度不受影响，应尽量减少退火面积，并采用尽量低的退火温度。基于这种考虑，我们采用火焰分段退火。根据实验，确定弯曲件成形部分在展开料上的位置，也就是焊缝长度方向的区域，仅对这些区域进行加热，并且要控制加热宽度，减小热影响区的范围。研究证明，TRIP800钢板在退火温度为840°C时，延伸率可达27%，表现出优异的综合力学性能。
在试验中，用火焰将焊缝处加热到暗褐色（500-550°C）然后空冷，变色宽度约20mm。采用较低的退火温度，可以尽量减少退火对焊缝强度和硬度的影响。处理20件毛坯，连续进行压弯后，无一开裂。完全达到要求，如图1所示。
3.分段退火方案
如果不经过退火处理，开裂在4个R处，那么我们就可以考虑只加热4个R处，而保证冲压不开裂。将焊缝长度300mm按以下方法分段，只对图5中的4处R部分退火，即可满足后续冲压工序不开裂。
Figure 2. seam segment annealed parts distribution
1.自动化退火设备的原理
基于以上对拼焊板的退火工艺分析和实验，在研究退火设备时，考虑到退火对材料强度的影响，按照图2中的各直线段和圆弧段进行分段退火，也就是只对易开裂的圆弧部位进行局部退火，而直段部分不加热保持其原有的材料强度，尽可能的在不降低或少降低材料强度的情况下达到冲压不开裂的目的；由于分段退火对加热部位、加热速度、加热温度、加热宽度等要素要求严格，因此采用自动化控制。这样既可以保证工艺参数的准确稳定，又可以大大提高生产效率和质量稳定性。需加热的部位要有较为准确的定位，加热部位的长度不宜过长也不宜过短，否则会出现降低焊缝强度或解决不了开裂问题，如出现错位，同样也会造成退火失败问题。关键是如何准确定位，确定加热起始点和终点，控制焊缝加热位置和长度，同时也要控制加热温度，保证焊缝强度尽可能小的降低。
2.自动化退火设备的结构组成
该设备包括固定工作台、火焰加热装置、行走机构和电气控制系统四部分。其中固定工作台用来承载并固定拼焊板，使焊缝方向与工作台上的导轨方向一致；行走机构与导轨采用齿轮齿条传动，它是一根沿着工作台移动的横梁；火焰加热装置安装在横梁上并可以移动，用来对准要加热的焊缝；电气控制系统用来控制行走机构的速度、距离、点火时间和断火时间，通过调节行走速度来调节加热温度。这样就可以实现自动化退火。
参考文献：
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[2]唐小勇，江海涛等.冷轧TRIP800钢的组织性能和形变行为[ J].钢铁研究学报，2009（4）：26-29
[3]张译中，邱伍华.汽车零部件用高强度钢材的进展[ J] .上海金属，2000（ 4） ： 8- 15
作者简介：
闫志波，（1965.7—），男，河北行唐县人，汉族，硕士，工程师，讲师，现从事模具科研和教学。
基金项目：石家庄市科学研究与发展计划课题（121080931）