育材堂：高强韧高精度一体化激光拼焊技术

育材堂（苏州）材料科技有限公司成立于2017年，研发总部位于苏州，研发总部主要承担新材料、新技术开发以及为客户提供技术许可和技术服务支持工作。育材堂专注先进钢铁材料创新技术研究，针对薄铝硅镀层技术及焊接技术等进行了专利布局。

2024年4月26日，在第四届车身大会上，育材堂（苏州）材料科技有限公司高级主任研究员李峥先介绍，随着行业对车身结构零件一体化的需求增加，传统分体式门环逐渐演变为一体式门环。传统门环需要将每个零件单独成形，再通过点焊方式连接起来。一体式门环技术则可以将板坯提前用激光拼焊形式连接起来，然后门环整体放在加热炉里加热冲压。

李峥先谈到，随着近几年我国新能源汽车的快速发展，行业对于车身安全性和轻量化要求不断提升。与传统分体式门环相比，一体化激光拼焊门环在安全性、轻量化、可制造性成本等方面具有较大优势，未来一体式激光拼焊门环会有更多应用前景。

李峥先｜育材堂（苏州）材料科技有限公司高级主任研究员

以下为演讲内容整理：

育材堂（苏州）材料科技有限公司成立于2017年，我们始终坚守原则，不做逆向工程，不规避或绕过专利，力求实现产学研的完美结合。我们专注于薄铝硅镀层技术的研发，并成为中国唯一一家向海外钢铁企业进行热冲压钢产品专利授权的公司。

作为一家以技术创新为主的研发型公司，专利技术对于我们而言十分重要。针对薄铝硅镀层技术\、一些新材料以及焊接技术，我们都进行了专利布局，目前在国内申请了16项专利，获得了10项授权，国外申请了31项专利，获得了12项授权，近期我们的专利池还会持续扩充。

热成形一体式激光拼焊门环的应用

热成形钢作为一种广为人知的产品，其本质在于将板料加热至易于成形的状态，随后在模具中冲压并冷却，以获取所需的形状。在此过程中，通过快速冷却技术，材料的强度得以显著提升，从而使其在车身上实现最高级别的强度应用。从全球范围来看，热成形钢每年的需求稳定在400万吨左右，在中国市场，这一需求约为100万吨。随着新能源汽车的不断发展，热成形钢的需求量以及中国的热冲压产线数量都在不断增长。

热冲压成形钢已经迭代了几代产品。起初采用的是无镀层的裸板产品，这类产品在冲压完成后，表面会形成较厚的氧化皮，这种氧化皮对后续车身的防腐和焊接工作均会产生不良影响。鉴于此，我们需要对裸板成形材料进行喷丸处理，但这一步骤不可避免的导致零件的整体尺寸精度受损，并且z这一过程还可能对环境造成一定的污染。为了解决上述问题，铝硅镀层产品应运而生，该类产品展现出优异的成形性能，成形后无需再进行喷丸处理，零件尺寸精度较高，还有助于提升零件的防腐性能。

随着车身结构零件一体化需求的出现，传统分体式门环逐渐演变为一体式门环。在制造工艺方面，分体门环与一体式门环存在显著差异。对于分体门环，我们需将每个零件单独成形，随后通过点焊方式实现连接。而在现代一体式门环技术中，我们采用了更为先进的方法，使用激光拼焊技术将板材预先连接，随后将整个一体式门环置于加热炉中进行加热和冲压。这一改进带来了诸多优势。

首先，其连接性能大幅度提升。传统车身上点焊的连接点之间距离约为30毫米，如果采用激光拼焊连接方式替代传统的点焊方式，即把原本的焊点转变为连续的缝焊连接，无论是承受载荷的能力还是抗变形能力都将得到大幅度提升。因此，当我们将点焊连接转化为线连接后，连接性能得到了显著的提升，从而降低了侧碰或小偏置碰撞时焊点开裂的风险。

图源：演讲嘉宾素材

此外，集成化设计能够将两个门环中原本需要的8-10个零件减少到2个，节省模具使用数量及成本。这种集成化设计还能根据车身碰撞安全的需求，在不同位置设计不同的材料。例如，在某些需要吸收能量的位置，我们可以选用强度稍低的材料；而在需要具有较高高强度和较大刚度以保护乘客安全的位置，则选用更高强度材料。这种灵活的材料选择方式不仅大幅提升了车身的安全性，还能够将材料的利用率和轻量化水平提升10%以上。

近年来，我国新能源汽车行业的迅猛发展对车身的安全性和轻量化要求提出了更高的标准。特别是在国家双碳战略的背景下，一体化激光拼焊门环相较于传统的分体式门环，在安全性、轻量化、可制造性成本以及碳排放等方面展现出了显著的优势。无论是从国家政策的导向还是车身技术的发展趋势来看，一体式激光拼焊门环都具有广阔的应用前景。

基于此，我们进行了一定的调研和预测，预计至2025年，全国范围内将有70余款车型选择采用一体式激光拼焊门环的车身结构。面对庞大的市场需求，预计至2025年，一体式激光拼焊门环的市场规模可能达到百亿级别。然而，在这看似繁荣的市场背后，伴随着一系列技术风险和挑战。

热成形钢激光拼焊技术的风险与挑战

冷成形激光拼焊技术自20世纪80年代开始应用，其具备两大显著特点。一是天然的物理优势，焊接过程中速度极快，能量高度集中，且冷却速度极快，通常在短短几秒钟内即可完成材料从熔化到凝固的过程。这种高速冷却速度下，意味着市面上的大多数冷成形材料在焊接后，焊缝位置在如此快的冷却速度下会形成全马氏体组织。

当两个DB780材料焊接在一起时，基材的强度级别仅为780MPa，但焊缝完成后，即使是相同的材料，其强度也能达到1000MPa以上。用该组合在进行拉伸检测时，只要焊接质量不太差，通常都会基材处发生断裂。而冷成形材料的工艺流程相对简单，焊接完成后直接进行冷冲压成形，只需进行简单的杯突检测，确保在冲压过程中焊缝不出现开裂，即可认为冷成形激光拼焊材料是合格的。

在涉及到热成形激光拼焊时，思路应有所转变。在拼焊过程中，热成形与冷成形激光拼焊并无显著区别，关键在于热成形涉及后续的热冲压处理。在此过程中，焊缝需与基材共同加热至特定温度后再冷却，这就消除了冷成形中固有的优势。冷却后，焊缝形成马氏体组织，其强度可达1500MPa，基体的强度和焊缝的强度是一致的。进一步的，在焊接过程中，我们必须遵循物料守恒定律，若不进行特殊处理而直接焊接，焊接过程中必然会有部分材料损失，导致焊缝出现缺陷，那么，焊缝就会变成性能薄弱的区域。因此，热成形工艺对焊缝成形的要求显著提高，直接进行拼焊难以确保最终产品的质量稳定。为使热成形焊缝更加饱满，采用填丝焊技术成为必要条件。关于是否可以直接进行热成形拼焊而不进行填丝这一问题，尽管理论上可行，但在实际工程应用中存在极大风险，为确保热成形钢的质量，必须使用填丝焊技术。

图源：演讲嘉宾素材

随着铝硅镀层技在激光拼焊领域的应用过程中，我们面临着更大的技术风险。从裸板的焊接到铝硅镀层进行拼焊时存在明显物理冶金劣势。焊接过程中，铝元素不可避免地会渗入焊缝之中。铝作为一个铁素体稳定元素，在后续的热冲压过程中，会产生生大量铁素体，从而导致焊缝的组织结构发生显著变化。原本的焊缝与基体具有相近的强度，但现在，焊缝的强度却明显弱于基体，焊缝对于各类缺陷的敏感性也得以保留。

为解决这一问题，当前市场上已存在多种应对方案。其中，最为常见的方案之一是预先对常规厚度的镀层进行预先的剥离消融。这一措施通过去除部分或全部铝元素，降低其在后续拼焊过程中的影响。此外，预留一定间隙也是一种有效策略，鉴于焊缝宽度的固定性，在两块板材拼焊时，适当保留中间间隙，有助于减少铝元素向焊缝中的流入。同时，辅助添加锰、镍等元素的焊丝，能够稳定焊缝组织，削弱铝元素对焊缝性能的负面影响。

此外，为了实现轻量化和提高安全性，我们往往选择多种材料组合使用。然而，并非所有材料都可以随意组合。在尝试差强度、差厚度的材料组合进行拼焊时，我们同样面临着潜在的风险。当两种不同厚度的材料进行拼焊时，若薄板侧的材料强度级别较高（碳含量高），而厚板侧的材料强度级别较低（碳含量低），在连接这两种材料时，焊缝是两种材料的混合成分。。

如果薄板侧的屈服强度乘以板厚小于厚板侧的屈服强度乘以板厚，那么在拉伸过程中，厚板侧承受的抗力将大于薄板侧。理论上，断裂应该发生在薄板侧，但由于焊缝成分的过渡，过渡边缘与薄板侧连接的地方会出现一个特殊区域，这个区域的碳含量低于高碳材料，但厚度与薄板相近，这个区域就成为了一个天然的薄弱区。

一旦选择这种组合方式，焊缝处将形成一个薄弱环节。在后续的拉伸测试中，可以明显观察到该区域存在较大的应力集中现象。此外，我们的抗压强度也无法达到预定标准。最终断裂现象往往发生在焊缝边缘。

为提安全性，更高强度的组合方式不断涌现，如2000焊2000的情况。人们普关注2000基材氢脆风险，其实在焊接2000MPa级别的材料时，焊缝的状态同样值得重视。为确保热成型钢具有良好的焊缝成型能力，我们必须进行填丝操作。填丝过程实质上是对小型钢铁材料的冶炼。由于焊缝添加了不同成分，我们需关注这一过程是否增加了焊缝开裂的风险。

此外，在工程应用层面，我们也面临着巨大的挑战。拼焊生产是一个相对复杂的流程，涉及钢卷的开卷、平整、以及落料等多个环节。每道工序都可能存在工程偏差，这些偏差在后续的拼焊工序中会被显著放大。由于激光拼焊的光斑直径较小，这些偏差最终可能严重影响焊缝质量，出现严重问题。此外，门环的拼焊涉及多条焊缝，可能是四五条甚至更多，如果每条焊缝的生产率为95%，那么五条焊缝的生产率将是95%的n次方，这将直接导致成品率的大幅下降。

正是由于前面所提及的诸多缺陷，我们在最终焊接时可能会遇到错边、焊缝凹陷、l铝偏聚等一系列的问题，这些问题都可能导致冲压板在焊缝区域发生较大变形，增加门环焊缝在冲压过程中开裂的风险。门环的激光拼焊工程挑战重重，当这些问题交织在一起时，解决起来尤为困难。因此，如何妥善应对这些挑战，确保焊接质量，显得尤为重要。

EasyFrame®一体化激光拼焊技术

多材料的使用为我们提供了全强度级别的热冲压产品，其强度范围涵盖了1000MPa至2200MPa。目前，我们已经具备从1000MPa到2000MPa材料的量产能力，这些材料都经过了严格的工程验证，包括焊接性能验证、延时开裂风险验证以及涂状验证等，并已获得国内十余家主机厂的认可。我们的客户可以放心的去选择这些材料。

在解决材料问题后，我们仍需关注铝硅镀层对焊缝可能产生的不良影响。相较于市面上的其他解决方案，薄镀层技术具有显著优势。它无需增加额外的工序去进行镀层的去除，真正做到“不增不减”，即可实现表面镀层中铝含量的精确控制。

图源：演讲嘉宾素材

对比常规镀层与薄铝硅镀层技术在拼焊时焊缝中铝含量的分布，其差异尤为显著。在此技术基础上，仅需适量添加焊丝以确保焊缝成形即可达到质量标准。

前面所提及的2GPa高强度级别材料在焊接时可能存在风险，为解决这一问题，我们自主研发了万能焊丝，确保2000焊2000材料在焊缝位置不会发生断裂，即在拉伸测试时，断裂不应出现在焊缝处。换言之，焊缝的硬度分布应略高于基材，这种硬度差异无需过大，大约20个Hv左右即可满足要求。

由于采用了薄铝硅镀层技术，铝元素不可避免地会融入焊缝中。通过巧妙的元素耦合处理，将铝、碳、锰等元素进行有效结合，实现了焊缝强度的显著提升。经过严格的验证过程，我们发现，将特制焊丝填充至焊缝中，可确保2GPa焊缝在达到100%屈服强度时，在空气环境中历经300小时仍不会开裂。在达到70%屈服强度时，在PH=1的酸性环境中，坚持120小时不开裂。

由于多材料、多厚度、多强度匹配在焊接过程中存在潜在风险，我们在焊丝成分的设计上进行了充分考虑。经过大量验证，我们发现这种焊丝成分能够适用于任意强度级别和任意厚度组合的激光拼焊情况。

为解决工程生产中的关键问题，我们引进了先进的生产线，配备了超柔性智能多功能激光工作头。该工作头能够通过精密系统识别拼焊过程中焊缝间隙的存在及其变化。一旦识别到间隙发生变化，系统会即时反馈并自动调节两个光斑之间的距离，使光斑发生偏转以覆盖变化的间隙范围。同时，系统能够自动进行焊丝填充补偿，确保焊缝的每个位置都能达到最终的质量要求。

对于焊接完成后的产品，我们配备了先进的检测系统。通过在焊缝的正面和背面运用高精度灰度相机，我们能够对焊缝进行全面的检测，确保产品在出厂时焊缝表面成形良好。我们致力于为客户提供质量上乘的产品，确保满足客户的期望和需求。基于对热成形钢激光拼焊的深入理解，我们还梳理了相应的企业规范，以符合多家主机厂的企业标准要求，确保生产过程的标准化和质量控制。

（以上内容来自育材堂（苏州）材料科技有限公司高级主任研究员李峥先于2024年4月25日-26日在第四届车身大会发表的《高强韧高精度一体化激光拼焊技术》主题演讲。）