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摘要
引言
自2014 年本田讴歌MDX首次采用热成形门环，其后2016年克莱斯勒Pacifica再次采用相同技术开始［1］，热成形门环技术越来越受到关注。目前，国内多家汽车制造商也已开始研究设计并量产热成形门环，推动该技术快速发展的主要原因如下：（1）车身轻量化需求。热成形门环能够降低整车重量，实现轻量化的目标。这不仅可以提升燃油经济性、车辆操作性及加速性能，还能够减小制动距离、发动机冷却系统需求和轮胎滚动阻力， 降低碰撞时车辆结构能量；（2）车身结构安全要求。因25%小偏置碰撞法规、可变形移动避障侧面碰撞试验和新能源汽车试验项目侧面柱碰试验等的实施［2］，传统的车身结构在不断升级的安全法规要求下存在不足。一体式热成形激光拼焊门环结构可以实现车身结构的一体化设计，使整车更加稳定坚固。这种结构设计能够有效地分散碰撞能量，可以承受更高的碰撞冲击力，减少车身变形量和钣金开裂风险，保护乘员安全；（3）热成形技术的进步。随着TWB拼焊不等厚板、TRB柔性轧制板、TTP软区工艺和PB补丁板等技术在车身上的应用［3］，融合了这些新技术的一体式热成形激光拼焊门环得到了进一步发展。门环技术的应用不仅提高汽车制造效率和整车质量稳定性，也可以降低生产成本。综上所述，一体式热成形门环的应用在近年的整车车身结构设计中尤其重要。本文基于某三厢轿车的前门环设计方案，研究一体式热成形激光拼焊门环优化方案，为后续新车型开发设计提供参考。
相关技术与理论
1.1激光拼焊板材技术
1.2 热成形冲压成形技术 热成形冲压成形技术是一种利用热作用对金属材料进行塑性变形的方法。它结合了热处理和冲压成形的特点，通过加热金属材料使其达到可塑性状态，然后通过冲压工艺对其进行成形。具体工艺是，将板料放入加热炉中加热到 900 ℃左右，使其完全奥氏体化，然后通过机械手放到带有冷却水道的冲压模具上进行快速冲压成形，成形后保压、冷却淬火成马氏体钢。 热成形冲压成形技术具有以下优点：（1）热成形技术解决了超高强度成形问题，与高强度钢的冷冲压相比，不易出现起皱和开裂问题；（2）热成形之后，制件的回弹小，零件尺寸精度高，减少模具调试整改周期；（3）变成马氏体后，材料的抗拉强度可以达到1 600 MPa左右，显著地提升车身的刚度和强度；（4）超高强度钢的使用，在保证车身安全性能的前提下，可以降低钣金厚度，从而降低零件重量，实现整车轻量化目标。近年来，随着热成形冲压成形技术的成熟，越来越多地被应用到车身结构件中，如A柱、B柱及铰链柱内外板、雪撬板、门槛内外板和前后纵梁等。 1.3 一体式热成形激光拼焊门环的应用 在传统的门环制造过程中，通常需要将多个钣金零件通过点焊组合成完整的门环结构，这样会导致板材利用率低下，造成材料的浪费，增加材料成本。一体式门环解决了传统门环制造过程中多处重叠点焊导致的板材利用率较低和多层板焊接工艺问题。一体式门环主要技术路线有两种：一种是等料厚一体热成形，该技术减重效果较差，材料利用率低，性能变化不灵活；另一种是不等料厚激光拼焊热成形，即一体式热成形激光拼焊门环。它将激光拼焊技术和热成形冲压技术有效结合，实现车身安全性能、整车轻量化和生产制造之间的巧妙平衡，提高材料利用率，减少材料的浪费。一体式热成形激光拼焊门环主要工艺流程包括：落料、激光拼焊、热冲压成形和激光切割，如图2所示。
设计方案优化
图3 一体式热成形激光拼焊门环各成本要素占比
该三厢轿车的前门环现有的结构设计方案是传统工艺结构设计方案，分成6个部分（见图4），各部分具体结构信息如表1所示。本文依托此base方案将前门环设计成一体式热成形激光拼焊门环结构，同时综合考虑门环性能、减重和成本，对分片数量、分片位置等方面进行优化设计。
图4 现有的结构设计方案
2.1 分片数量优化 本文分别设计出3道焊缝、4道焊缝和5道焊缝的方案进行分析对比，如图5所示。不同分片数量方案的零件重量和成本对比如表2所示。与原始方案对比，3道焊缝设计方案在单片成本方面表现最优，但该方案存在材料利用率低、减重效果欠佳且后期性能调整料厚不灵活等缺点。5道焊缝便于落料排样设计，材料利用率最高，但该方案焊缝长度长，使单片成本大幅增大。4 道焊缝减重效果最佳，材料利用率与原始方案相比仅有小幅增加。综合考虑减重、成本和性能调整灵活度3个方面，4道焊缝方案为此前门环的分片数量最优解。
图5 不同分片数量的门环方案对比
2.2 分片位置优化 确定分片数量之后，需继续对分片位置进行微调优化。焊缝需要避开材料流动剧烈的地方， 保证焊缝距离R角50 mm以上，避免出现影响激光拼焊质量和成形性问题。同时，通过优化焊缝位置来进一步减少激光焊缝长度，降低激光拼焊费用，从而有效节约门环单片成本。
表2 不同分片数量的门环方案成本对比
拼焊质量和成形性问题。同时，通过优化焊缝位置来进一步减少激光焊缝长度，降低激光拼焊费用，从而有效节约门环单片成本。本文在上诉4道焊缝设计方案的基础上，设计 了3种优化分片位置方案，如图6所示。3种优化方案与原始方案的零件重量和成本对比，如表3所示。通过对比发现，优化方案3的减重效果最好，焊缝长度最短，单片成本和模具成本相对最低。因此，本文最后选择优化方案3作为该车前门环的结构设计方案，将A柱加强板、铰链柱加强板、门槛加强板及B柱加强板等部分通过激光拼焊的方式组合成一个整体，然后进行热成形和激光切割得到所需零件。门环结构设计完成之后，再经模拟CAE碰撞性能试验 ，进一步验证其结构的合理性。
图6 不同分片位置的门环优化方案对比 2.3 成形分析优化 一体式门环相比于原传统的单件热成形，体积较大、型面更复杂，一次成形后，成形性会有变化，容易在铰链柱前端上部和下部的尖角处等区域出现钣金开裂、过度减薄和局部起皱叠料等成形性问题。虽然采用热成形工艺，成形性会比高强度钣金的冷冲压好，但在个别位置仍然需要调整，产品数模设计时要避免尖角、负角、小圆角等不利于成形的特征。图7显示了几处一体式门环容易出现钣金开裂、过度减薄和起皱叠料的位置。
图7 成形性问题 为应对以上典型的开裂和起皱问题，需要有针对性地局部优化。图8给出了部分更改建议和解决方案。数模优化后该门环成形状态如图9所示，可以看出成形问题有明显改善。 表3 3种优化方案与原始方案的零件质量和成本对比
图8 成形性问题解决方案
优化结果对比
3.1 成本对比分析 经过成本对比，优化后一体式热成形激光拼焊门环单片成本略高于传统工艺方案门环，整车成本增加约28元（单车2片），如表4所示。此外，一体式热成形激光拼焊门环的模具成本可与传统工艺方案模具成本几乎持平。
3.2 重量对比分析 经过重量对比，优化后一体式热成形激光拼焊门环较传统工艺方案门环单侧减重2.82kg，如表5所示，整车减重5. 64 kg，减重超18. 6%。优化后一体式热成形激光拼焊门环明显具有更优的减重优势，更容易达到轻量化目标。
3.3 性能对比分析 对传统工艺门环和优化后一体式热成形激光拼焊门环分别进行SOF碰撞模拟分析，碰撞结果如图10及表6所示。从对比图和表中数据可以看出，一体式热成形激光拼焊门环相比于传统工艺门环，大部分区域的钣金变形和侵入量都更小。A柱上铰链位置的侵入量下降15.6mm，上仪表板位置的侵入量下降32.8mm，优化后满足碰撞性能目标值。
图10 SOF碰撞结果对比图 表6 SOF碰撞结果侵入量/mm
经过SOF碰撞模拟分析对比，一体式热成形激光拼焊门环对驾驶舱的侵入量更小，特别是对于车体上部的侵入量的优化尤为显著，表现出更优异的安全性能。 结语
本文针对某三厢轿车的侧围前门环结构设计方案进行研究，介绍了结合激光拼焊技术和热成形冲压技术的一体式热成形激光拼焊门环技术。综合考虑成本、重量及性能要求，提出了几种不同分片设计的门环结构方案，并针对成形性进行数模设计优化。围绕成本、重量和性能三方面的对比分析，最终确定前门环的结构方案，进一步提升一体式热成形激光拼焊门环在成本、轻量化和安全性能方面上的优势。最后，研究结果不仅解决了该项目的门环结构设计问题，也为后续车型的前门环提供了设计参考。
［1］覃显峰，谢国文，刘伟，等. 激光焊接在热成形门环中的应用研究［J］. 热加工工艺，2022，51（9）：52-55，59. ［2］刘江波，赵震，张羽，等. 整体式热成形门环技术在轻量化车身上的应用［J］. 汽车实用技术，2023，48（5）：138-142. ［3］周槿枫，孔娇龙，耿娟. 应用热成形技术实现白车身轻量化实践案例［J］. 时代汽车，2021（15）：130-131. ［4］YAN Q，CAO N. Research on the Properties of TWB for Automobiles［J］. Proc. SPIE，2022，4915：117-123. ［5］YAN Q，CAO N，YU N F. Research on the Properties of Laser Welded Joints of Aluminum Killed Cold Rolled Steel［J］. China Welding，2002，11（2）：143-147.
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