本論文以AZ80A鎂合金汽車防撞梁為基礎(chǔ)進(jìn)行輕量化探討，重點(diǎn)研究AZ80A鎂合金型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝及表面處理工藝在汽車防撞梁上的應(yīng)用，為鎂合金汽車零件輕量化設(shè)計(jì)及工藝提供參考。

1. 防撞梁技術(shù)要求及材料選擇

產(chǎn)品以輕量化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，重量不大于3.4kg。材料抗拉強(qiáng)度不小于300MPa，屈服強(qiáng)度不小于245MPa。總成由防撞橫梁、吸能盒等組成。表面防護(hù)滿足汽車車身涂裝技術(shù)要求。

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，可以選擇鋁合金6082-T6或鎂合金AZ80A-T5。通過兩者材料性能對(duì)比分析（表1），在CAE分析同等質(zhì)量性能下，AZ80A-T5相對(duì)6082-T6可減重1.0kg，減重率達(dá)30%左右，綜合成本基本相同，因此防撞梁材料選擇AZ80A-T5鎂合金擠壓型材。

2. 防撞梁結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)

防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要考慮汽車在50km/h正面碰撞起始20ms內(nèi)吸能盒的一級(jí)吸能及低速碰撞時(shí)的行人保護(hù)，同時(shí)滿足AZ80A鎂合金型材擠壓工藝的要求。

鎂合金型材的力學(xué)性能與擠壓比和擠壓溫度等因素緊密相關(guān)，而型材斷面設(shè)計(jì)直接影響擠壓比的選擇，同時(shí)也直接影響到擠壓模具壽命、擠壓型材焊合質(zhì)量、型材壁厚的均勻性等質(zhì)量及性能，因此防撞梁斷面設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。[12-13]

表1 AZ80A-T5&6082-T6性能對(duì)比

注：以上數(shù)據(jù)來源于供應(yīng)商材料試驗(yàn)報(bào)告


圖1 斷面結(jié)構(gòu)圖

AZ80A鎂合金防撞梁型材以擠壓溫度360℃、擠壓比20進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)。為了提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防撞梁橫梁斷面采用“目”字型結(jié)構(gòu)，吸能盒斷面采用“日”字型結(jié)構(gòu)（圖1），腔體對(duì)稱且等截面設(shè)計(jì)，腔體壁厚均勻?yàn)?.0mm，最大截面尺寸115mm，保證擠壓時(shí)各個(gè)型材孔腔焊合縫充分熔合且臂厚均勻。通過樣品試擠調(diào)試，當(dāng)擠壓速度4m/min時(shí)，顯微鏡下觀察晶粒細(xì)化均勻，實(shí)測AZ80A抗拉強(qiáng)度達(dá)到315MPa。同時(shí)，按照GB/T4279進(jìn)行低倍試驗(yàn)評(píng)價(jià)（表2），擠壓焊合縫滿足要求。

表2 AZ80A擠壓型材焊合縫低倍試驗(yàn)評(píng)價(jià)


3. 防撞梁工藝設(shè)計(jì)

3.1 成型工藝設(shè)計(jì)

型材彎曲成型工藝有：拉彎、滾彎、沖壓等，防撞橫梁采用滾彎工藝制作。滾彎是利用通用的三輪或多輪滾彎設(shè)備，通過滾輪直徑和彎曲弦高控制產(chǎn)品彎曲半徑，生產(chǎn)效率高，設(shè)備成本低。目前對(duì)鎂合金熱彎曲已經(jīng)有些研究成果，比如朱茜等[14]針對(duì)鎂合金特有的密排六方晶體結(jié)構(gòu),滑移系比較少，相比鋁合金、鐵等在室溫下的塑性變形能力更差的問題進(jìn)行了研究，得出成形溫度加熱至180℃～240℃之間時(shí),鎂合金的塑性得到很大提高。姚啟明等[15]對(duì)鎂合金管材電阻加熱彎曲工藝研究也證明了加熱后成型的必要性。但這些研究也僅是對(duì)某類型材的彎曲，具有局限性。

防撞橫梁的彎曲半徑比較大，結(jié)構(gòu)比較簡單，彎曲相對(duì)簡單，但對(duì)彎曲半徑精度、工作表面質(zhì)量、滾彎效率等要求較高。因滾彎質(zhì)量與預(yù)熱溫度、滾輪轉(zhuǎn)速、彎曲半徑等要素參數(shù)緊密相關(guān)，為了避免型材滾彎后回彈、褶皺、腔體變型等質(zhì)量缺陷，著重從要素參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析研究：


圖2 產(chǎn)品彎曲外觀對(duì)比

首先，將鎂合金型材切割成長度1800mm的半成品，分層放在專用工裝上，通過15m長電阻式隧道加熱爐均勻預(yù)熱。然后，將升溫后的鎂合金型材卡入滾彎設(shè)備，一次性滾彎成型。最后，將滾彎成型后的半成品放入彎曲定型工裝批量存放并自然冷卻。通過調(diào)整不同的預(yù)熱溫度、彎曲半徑、滾輪線速度，得到篩選后的彎曲影響要素?cái)?shù)據(jù)對(duì)比（表3）和產(chǎn)品彎曲外觀對(duì)比（圖2）。從生產(chǎn)能源消耗、生產(chǎn)效率（不小于400pcs/班·機(jī)）、產(chǎn)品尺寸公差等各因素考慮，最終形成適合本產(chǎn)品的彎曲成型設(shè)計(jì)工藝為：220℃預(yù)熱，彎曲半徑R2100，滾輪線速度3m/min～4m/min，靜置回彈量2%～3%。

3.2 焊接工藝設(shè)計(jì)

TIG方法焊接鎂合金薄板時(shí),焊接設(shè)備及工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成型和強(qiáng)度有很大影響。AZ80A鎂合金防撞梁焊接采用水冷式交流鎢極氬弧焊機(jī)(WS-500)，當(dāng)工作在交流電負(fù)半波，即工件為陰極，鎢極為正極時(shí)，可以清除工件熔池表面的氧化膜，提高焊接強(qiáng)度。同時(shí)，焊接時(shí)氬氣從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成保護(hù)層隔絕空氣，以防止其對(duì)鎢極、熔池及鄰近熱區(qū)的氧化，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。

AZ80A鎂合金防撞梁在進(jìn)行直角焊接時(shí)采用手動(dòng)填絲式焊接，焊絲直徑2mm，焊高不小于3mm。焊接電流的調(diào)整是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，通過不同焊接參數(shù)下焊接強(qiáng)度及焊合外觀對(duì)比（圖3）得出，當(dāng)焊接電流太?。?0A～60A）時(shí)，母材熔化不充分熔深不足，易出現(xiàn)焊合不良，焊縫強(qiáng)度不足；當(dāng)焊接電流太大（90A～100A）時(shí)，易出現(xiàn)晶粒過燒，焊縫附近晶粒長大，也會(huì)產(chǎn)生氣孔或裂縫，焊縫及周邊抗拉強(qiáng)度降低；當(dāng)焊接電流為（75～80）A時(shí)，焊縫處晶粒細(xì)化，周邊母材晶粒無變化，焊接縫外觀及焊接強(qiáng)度最優(yōu)，焊縫強(qiáng)度達(dá)到260MPa以上，不低于母材強(qiáng)度80%，滿足設(shè)計(jì)要求。但在焊接過程中要控制焊接速度，以減小熱影響區(qū)晶粒變大對(duì)力學(xué)性能的影響。

表3 彎曲影響要素?cái)?shù)據(jù)對(duì)比



圖3 焊縫外觀示意圖

3.3 表面處理工藝設(shè)計(jì)

鎂合金表面處理工藝很多，比如：陽極氧化、微弧氧化、靜電噴塑等表面處理工藝，需要根據(jù)產(chǎn)品工作環(huán)境不同而選擇適宜的表面處理工藝。通過對(duì)比鎂合金常用的陽極陽化、微弧氧化、靜電噴塑等工藝中性鹽霧試驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能（表4），AZ80A鎂合金防撞梁采用靜電噴塑工藝，中性鹽霧試驗(yàn)大于168h。靜電噴塑原理是將塑粉通過高壓靜電設(shè)備充電，在電場的作用下，將塑粉噴到零件的表面，形成涂層，然后經(jīng)過高溫烘烤固化，塑粉融化成致密的防護(hù)涂層附著在零件表面。[16]

此工藝耐腐蝕耐磨和機(jī)械強(qiáng)度比較高，解決了鎂合金本身耐腐蝕性差的缺點(diǎn)，而且該工藝對(duì)環(huán)境無污染、對(duì)人體無毒害、成本低等。防撞梁靜電噴塑工藝過程流程及參數(shù)如圖4。


圖4 噴塑工藝流程及參數(shù)


表4 表面處理工藝數(shù)據(jù)及性能對(duì)比

4. 結(jié)束語

（1）AZ80A鎂合金材料以低密度高強(qiáng)度性能有利于汽車輕量化設(shè)計(jì)，在部分汽車零件設(shè)計(jì)中可替代鋁合金或鋼材，減重30%～60%，符合汽車輕量化發(fā)展方向。

（2）型材斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮鎂合金的擠壓特性，選擇適宜的擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比有利于提高鎂合金的機(jī)械強(qiáng)度，AZ80A在360℃擠壓時(shí)晶粒排布的力學(xué)性能較好，“目”和“日”字型對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既保證了擠壓焊合性能，又提高了產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度。

（3）TIG焊接參數(shù)的調(diào)整影響焊接的性能，AZ80A焊接電流在（75～80）A時(shí)，焊縫外觀和焊接強(qiáng)度較好。

（4）鎂合金材料的汽車零部件采用靜電噴塑工藝是當(dāng)前表面處理工藝中性能、環(huán)保、成本較好的選擇。