铝合金车身构件热冲压成形方法与系统、车辆与流程

本申请涉及汽车制造，尤其涉及一种铝合金车身构件热冲压成形方法与系统、车辆。

背景技术：

1、随着全球能源与环境问题的日益凸显以及汽车工业轻量化发展要求的不断升级，轻质铝合金产业正迎来前所未有的快速发展，市场需求也持续攀升。b柱作为汽车乘员舱的核心承力部件，现阶段应用普遍以高强钢为主。高强7xxx系铝合金板材凭借密度低、强度高、成型性好、耐腐蚀性优异等综合性能，正逐步成为汽车结构承力部件的重点备选材料。但截至目前，铝合金在量产汽车b柱上的应用仍处于技术探索阶段，尚未形成成熟的量产应用方案，其核心原因在于铝合金外板、补丁板经点焊连接后会不可避免地产生微裂纹，其在后续热冲压过程中受力导致微裂纹进一步扩展甚至引发零件整体开裂失效，严重威胁整车车身结构安全。

2、现有铝合金板材焊接多采用电阻点焊工艺，然而铝合金外板、补丁板经点焊连接后易产生较大残余应力与内部微裂纹缺陷，其在后续热冲压过程中位于应力集中区的焊点受力导致微裂纹进一步扩展甚至引发零件整体开裂失效，严重威胁铝合金结构件的使用寿命与使用安全性。当前针对铝合金板材在热冲压过程中的焊点开裂问题，现有技术改进方向主要集中在优化焊接工艺参数、调整焊接装置结构等方面：例如通过调控焊接电流、电压及焊接速度控制热输入，以降低残余应力水平；或是通过调整焊接角度保证焊接过程中板材贴合度。但上述改进路径均未从根源上解决应力集中诱发的焊点开裂问题。

3、搅拌摩擦点焊作为典型固相焊接技术，可从根源避免热裂纹生成，同时规避电阻点焊存在的微裂纹以及消除微裂纹对后续热冲压过程带来的不利影响，为解决热成形铝合金b柱等结构件的焊点开裂问题提供了可行方向。但该工艺连接的铝合金板件在后续热冲压过程中，各焊点会承受不均匀剪切力，受力不均仍会导致零件开裂失效。因此，亟需开发一种通过降低热成形铝合金板材焊点开裂风险从而提升产品热冲压成形性的新方法，以推动铝合金在汽车安全结构件领域中的规模化应用。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种铝合金车身构件热冲压成形方法与系统、车辆，用于解决现有技术中铝合金板材在热冲压过程中焊点因受力不均及应力集中而开裂的问题，从而改善b柱等铝合金板件的热冲压成形性。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种铝合金车身构件热冲压成形方法与系统、车辆，包括以下步骤：建立待焊接铝合金板材的三维有限元模型，输入所述待焊接铝合金板材的材质参数和预设的搅拌摩擦点焊焊接工艺参数，模拟焊接过程中的应力场分布，确定应力集中区域的位置和范围；根据所述应力集中区域的位置和范围，按照预设的焊点布置原则，对焊点位置进行布局；基于所述三维有限元模型模拟获取所述初步布局下各焊点在焊接过程中的应力分布结果，迭代优化焊点布局，输出优化后的焊点坐标；在坯料表面标记所述优化后的焊点坐标，按照预设的搅拌摩擦点焊焊接工艺参数，进行焊接；将焊接后的坯料进行固溶处理后，经热冲压成形。

3、本申请实施例中，所述基于所述三维有限元模型模拟获取所述初步布局下各焊点在焊接过程中的应力分布结果，迭代优化焊点布局，包括：根据所述应力分布结果，将焊点布置于应力值低于预设应力阈值的区域；对焊点位置进行迭代调整，直至各焊点处的应力值均低于开裂临界应力值，且各焊点之间的应力偏差不超过预设偏差范围。

4、本申请实施例中，所述在坯料表面标记所述优化后的焊点坐标，按照预设的搅拌摩擦点焊焊接工艺参数，进行焊接，包括：在坯料表面标记所述优化后的焊点坐标，基于所述待焊接铝合金板材的特性选择搅拌摩擦点焊设备和匹配尺寸的搅拌头，按照预设的搅拌摩擦点焊焊接工艺参数，进行焊接；其中，所述待焊接铝合金板材的特性包括板材厚度，基于所述板材厚度选择匹配轴肩直径的搅拌头。

5、本申请实施例中，所述待焊接铝合金板材的材质参数包括弹性模量、泊松比和热导率中的至少一种；和/或，所述搅拌摩擦点焊焊接工艺参数包括搅拌头的压紧力、旋转速度、下压速度、下压深度、下压停留时间、回抽速度和轴肩压入量中的至少一种。

6、本申请实施例中，所述焊点布置原则包括以下要求（1）至（4）中的至少一项：（1）所有焊点均避开所述应力集中区域；（2）焊点距离板材边缘的距离控制在第一预设距离内；（3）拼接坯料的焊点对称布置在拼接缝两侧，且距离拼接缝的距离控制在第二预设距离内；（4）相邻焊点间距控制在第三预设距离内。

7、本申请实施例中，在热冲压成形步骤之后，还包括：热冲压完成后，对工件进行清洁，干燥，切割，时效处理；时效处理完成后，冷却至室温，进行检测。

8、本申请实施例中，采用双级人工时效处理对工件进行时效处理，包括：将切割完成后的工件进行双级人工时效处理，第一级时效温度设置在125℃~135℃，保温时间为4h~6h；第二级时效温度设置在160℃~170℃，保温时间为10h~12h。

9、本申请实施例中，所述铝合金车身构件包括汽车的a柱和/或b柱；和/或，所述待焊接铝合金板材为7xxx系铝合金板材。

10、本申请还提供一种铝合金车身构件热冲压成形系统，包括：

11、焊点布局优化单元，用于建立待焊接铝合金板材的三维有限元模型，输入所述待焊接铝合金板材的材质参数和预设的搅拌摩擦点焊焊接工艺参数，模拟焊接过程中的应力场分布，确定应力集中区域的位置和范围；以及根据所述应力集中区域的位置和范围，按照预设的焊点布置原则，对焊点位置进行布局；基于所述三维有限元模型模拟获取所述初步布局下各焊点在焊接过程中的应力分布结果，迭代优化焊点布局，输出优化后的焊点坐标；

12、焊接单元，用于在坯料表面标记所述优化后的焊点坐标，以及按照预设的搅拌摩擦点焊焊接工艺参数，进行焊接；

13、固溶处理单元，用于对焊接后的坯料进行固溶处理；

14、热冲压单元，用于对固溶处理后的坯料进行热冲压成形。

15、本申请还提供一种车辆，所述车辆含有采用如上所述的铝合金车身构件热冲压成形方法加工而成的铝合金车身构件。

16、本申请的有益效果：

17、本申请实施例中，通过cae有限元模拟焊接过程中的应力场分布，精准确定应力集中区域的位置和范围，并据此优化搅拌摩擦点焊的焊点位置布局，使所有焊点避开应力集中区域，同时通过焊点距离板材边缘和拼接缝的距离以及相邻焊点间距的协同控制，实现了热冲压过程中各焊点受力的均匀化。相比于相关技术中仅通过调整焊接工艺参数来控制焊接质量的方法，本申请从焊点空间布局的维度出发，结合cae仿真预测，从根本上改善了焊点受力不均的问题，降低了热冲压过程中焊点开裂的风险，提升了铝合金车身构件的热冲压成形性，为铝合金在汽车安全结构件领域的规模化应用提供了有力支撑。

1.一种铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于，所述基于所述三维有限元模型模拟获取所述初步布局下各焊点在焊接过程中的应力分布结果，迭代优化焊点布局，包括：

3.根据权利要求1所述的铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于，所述在坯料表面标记所述优化后的焊点坐标，按照预设的搅拌摩擦点焊焊接工艺参数，进行焊接，包括：

4.根据权利要求1所述的铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于，所述焊点布置原则包括以下要求（1）至（4）中的至少一项：

6.根据权利要求1所述的铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于，在热冲压成形步骤之后，还包括：

7.根据权利要求6所述的铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于，采用双级人工时效处理对工件进行时效处理，包括：将切割完成后的工件进行双级人工时效处理，第一级时效温度设置在125℃~135℃，保温时间为4h~6h；第二级时效温度设置在160℃~170℃，保温时间为10h~12h。

8.根据权利要求1~7任一项所述的铝合金车身构件热冲压成形方法，其特征在于：

9.一种铝合金车身构件热冲压成形系统，其特征在于，包括：

10.一种车辆，其特征在于：所述车辆含有采用权利要求1~8任一项所述的铝合金车身构件热冲压成形方法加工而成的铝合金车身构件。