0 引言
汽车工业飞速发展，燃油经济性、更高安全性以及更低碳排放量，对汽车车身轻量化需求带来了新挑战，减轻车身整体重量能降低油耗、提升性能，所以汽车行业为解决汽车轻量化问题，实现手段从材质替代成高强度钢板，推动了先进高强钢在车身设计制造应用的稳步增长。随着强度级别不断加大，材料的塑性会急剧下降，回弹会变大，一次成型性会变差，采用常规冲压工艺很难满足工艺要求，于是热成型工艺、辊压工艺成为了优选工艺。辊压成型技术借助多个不同形状的轧辊，能够实现对带材的纵向弯折，进而达到预期的截面形状[3] 。这项技术尤其适合高强度钢材的成型，举例来说，的马氏体钢已在各类工业领域得到广泛运用。辊压成型是个复杂的工艺过程，它需要进行多次操作与调整。一条辊压生产线能够满足多种产品需求，只要对轧轮模具做出更改，就能制作出各种不同截面形状的产品。配置了独立控制的伺服电机，它能够通过计算机编程，在铁板成型时控制横向移动机架，进而实现截面变化，还能让制作过程具备灵活性，这极大地拓展了原有单一截面产品的应用范围。
1 先进高强钢材料及其性能
双相钢（DP）、变相诱导塑性钢（TRIP）、复相钢（CP）以及马氏体钢（MS）等都是主要的钢材类型，它们强度较高。利用相变组织加固，这些钢材能实现高强度，强度取值范围在500～[4]。通常，抗拉强度超过的钢材被定义为超高强度钢。高强钢材料的刚度和强度比普通钢材更强，所以，在制造相同功能或结构的车体、车门等零件时，高强度钢板的使用厚度比普通钢板更薄，从而能有效实现减重。其典型应用包括：应用于保险杠防撞钢梁、门板内梁等部位，这有利于提高整车防撞性能；应用于边梁、车轮等部位，如此能提高局部位置的抗疲劳强度；应用于车顶、车门外板，可有效降低车体碰撞后的变形量。
2 国内外辊压成型研究现状
2.1 国外辊压成型发展现状
在十九世纪时，国外的滚动成型技术渐渐有了明显发展。在早期，它缺乏充分的理论依据，设定工艺规格主要依靠实际生产经验。不过，随着辊压成型技术在多个行业广泛应用与发展，各国都已预见到这项技术的发展潜力，故而每年都投入大量人力、物力进行相关研究[5] 。1910年，美国成功开发出第一套具备专业标准的辊压成型设备。1939年，美国钢铁研究院资助的康奈尔大学教授乔治·温特带领实验团队，对辊压成型的理论展开深度探究，他们的研究主要依靠Von和Bryan的理论方程。在研究过程中，虽有大量实践数据提供重要参考，但其理论公式在实践操作层面，未给生产带来明显指导帮助。计算机科技快速进步，带动辊压成型理论分析工具逐步健全。东京大学教授木内学提出一种方式，该方式应用形状函数诠释辊压过程中形变区域曲面状态，他还通过优化形变能量，成功确定了辊压形变的空间曲面[6]。一种方法可以预测材料宽度、残余应力以及可能出现的辊压变形缺陷，它由英国学者King T. E. E.和J等人提出，这种方法基于塑性增量理论与残余应力理论，借助数学公式确定成型过程的应力应变设计。在20世纪，辊压成型机的集成性急剧增强，快速延伸至冲压、焊接等多个领域。21世纪到来，人们对高柔韧性和高精准度辊压成型产品有渴求，辊压成型单元整合了断面光学检测、工装快速切换等高效设备，提高了集成化程度，于是新兴的辊压成型技术如四辊式成型、柔性冷弯成型、CTA成型以及辊冲孔加工法等产生了。
2.2 国内辊压成型发展现状
20世纪末，我国引进了辊压成型技术，该技术具有高效、简洁的特性，在工业界迅速得到广泛应用，特别是在建筑、汽车等行业，它的出现大幅提升了单一截面成型的效率，还为辊压成型理念的发展提供了有力支撑。随着汽车行业发展，高强度钢板的应用日益普及，以满足建筑行业对型材的大规模需求。然而，冲压成型过程中容易出现开裂、皱纹等问题，采用辊压成型技术能有效控制产品的表面精度和光滑度，使其得以更广泛应用。为实现节能减排目标，高强钢和超高强钢在汽车生产中的应用日益普及，特别是抗拉强度高达1300 MPa以上的钢材，辊压成型技术的发展受到极大关注。燕山大学刘才教授把有线条理论运用到辊压工艺中，对其成型过程展开深入研究，还对其应力场进行深入研究，进而为节能减排提供了重要参考[7] 。张乐乐教授将拉格朗日弹塑性变形理论与辊压实践相结合，深入探索带材在辊压成型过程中的应力场和应变场，北京科技大学开发出CARD柔性系统和专家系统，为彩板门窗的计算机辅助制造技术发展提供重要支持，为CAD/CAM集成技术发展提供重要支持，为国内的技术创新提供有力保障。我国研究人员运用弹塑性有限元法，通过数字模拟对辊压加工进行研究，郑军兴等专家利用ANSYS/深入探究了辊压加工的反弹性能[10 - 11]，刘继英的团队利用Marc技术，对高强度钢板辊压形成的机理进行了深入研究[12]。当前，我国辊压成型研究的重点发生了转变，不再是有限元分析，而是转向了技术流程和理论的深入探究，目的是获得更好的结果，进而推动辊压成型技术的发展[13]。
汽车市场对定制辊压型材需求极大，预计年度市场规模巨大，估值高达800亿元。具体而言，每年新能源电池盒框架需求量达1000万套，这会为公司带来可观年销售额。另外，每年领先的保险杠需求量达4000万套，这会为企业带来更多收益，估算年销售额约40亿元。
3 激光焊接技术应用
从20世纪70年代起，许多发达国家便着重对激光展开研究并予以重视，激光具有出色的导向性、高亮度以及优良的单色性等属性，以高能量密度激光束作为热源的激光焊接，是一项效能高且准确的焊接技术，这项技术已在许多工业生产领域实现了迅速的推广和发展。但是随着产品精密度持续提高，随着新材料不断得到应用，常规的激光光源和焊接方法已无法满足产品质量的要求，也无法满足生产效率的要求，迫切需要寻找新的解决方案。近些年钢材镀锌重量，蓝光激光器被不断推出，绿光激光器被不断推出钢材镀锌重量，飞秒激光器等新光源被不断推出，摆动焊接这种新工艺被不断推出，ARM（ ）环形可调光斑焊接这种新工艺被不断推出，创新性地解决了工业生产中的一些焊接难题 。
激光焊接技术和应用持续发展，主要朝着4个方向深入推进。其一，朝着高功率方向发展，当下已有万瓦光纤激光器用于厚板金属焊接，高反射材料也对更高功率激光器有需求。其二，更短波长的激光器不断涌现，像绿光、蓝光激光器，伴随成本持续降低，其应用会愈发广泛。其三，更短脉宽的激光器不断应用于新领域，从最初的连续焊接到QCW脉冲焊接（毫秒级），再到纳秒级用于薄板异种金属材料焊接，如今已出现飞秒激光用于玻璃及陶瓷等材料焊接。其四，激光与其他传统热源复合，不同波长、脉宽的激光相互之间也复合，在时间和空间领域的复合，同样是未来研究方向之一，目的是发挥不同热源优点，获取更好焊接质量或更高焊接效率。
汽车行业不断发展，这推动了激光焊接技术被普遍应用。有一项研究发现，采用激光焊接能够有效地减轻车身重量，还进一步降低了总成本。和电阻焊需要双边接触的方式不一样，激光焊接的单边非接触方式能够实现更小的搭接宽度。要是能充分运用激光焊接，那么单辆汽车就能节约40 kg钢材的使用。此外，激光焊接具备焊接速度快的特点，其焊缝强度高，焊缝及热影响区窄，热变形小[14]。
为实现减轻汽车质量、提高车身耐腐蚀的目的，高强度镀锌双相钢板被广泛运用。然而，在焊接时，双相钢的镀锌层会对焊接产生一定影响。例如采用电阻点焊，锌层会在早期熔化，致使因锌环形成，焊接处电流浓度大幅降低，并且锌层与铜电极间的反应会污染电极，进而缩短其使用寿命。此外，锌层电阻率低，接触电阻小，所以焊接时易出现飞溅、裂纹和气孔等问题，严重影响焊接质量与安全性。若采用激光搭接焊，搭接处镀锌层蒸发会引发焊接气孔和飞溅等问题[15] 。
在激光焊接镀锌板时，锌的沸点是906℃，钢的熔点是1300℃，锌的沸点比钢的熔点低得多，镀锌层受高能激光照射会立刻气化，生成大量锌蒸气，这会影响焊接过程的稳定性[16]。熔池处于固液共熔态时，因高压锌蒸汽有反作用力，致使熔池剧烈震荡，进而在焊缝表面形成外部穿孔。同时，有部分锌蒸汽在焊接过程中卷入熔池内部，在熔池凝固前未能及时逸出，进而形成焊缝内部气孔。特别是当板厚度减小时，熔池深度减小，锌蒸汽更易穿透熔池，焊缝的穿孔缺陷加重，焊缝成形的控制也变得更困难。
4 辊压成型镀锌板激光焊接
优化的辊压成型技术让产品的横截面设计得到改善，达到了轻量化的要求，还提升了截面的物理性质。利用有限元模拟等分析工具，对产品在实际使用过程中的重要承载点予以优化，有效解决了高强钢减轻可能出现的刚度问题。辊压成型设备主要包含开卷机，进料和上料机，剪焊设备，冲压机，造型组件，激光焊设备，后期定型设备，切割工具以及码垛设备等[17]。采用P型（上部）和“日”型（下部）定制辊压的构件进行结构优化，如图1所示。从图1能够看出，制造这两种构件时传统的辊压成型技术需要进行焊接。然而，定制的辊压成型技术成功突破了传统辊压成型技术和用户需求之间的间隔，让构件达成了一体化，极大地提升了生产效率[18]。
图1 P 形和日形的定制辊压型材
辊压成型技巧能用来制造各式各样截面形状的辊压型材，这是根据消费者的具体需要，如图2所示。然而，定制化产品运作效率通常不高，模具替换时长是评估定制工艺程度的重要标准。为提高生产效率，我们要在最初阶段深入与客户进行设计交流，还要调整成型器设备设计计划以增强其灵活性。若目标是达成标准化与高效的辊压定制，那就得实行“三柔”，这“三柔”分别是“一台机器能生产多种产品”，“一台机器能采用多种工艺”，以及“一种模具能有多种截面”。
图2 定制辊压成型生产线及辊压轮
在生产高强度钢的过程中，通常会加入许多合金元素来增加材质硬度，这致使其碳当量明显高于普通钢材，进而使其焊接属性不佳。此外，为满足制作多功能轻量型材的需求，设计通常会更复杂，如复杂断面型材产品，需运用角焊、对接焊、叠焊接等多种焊接技术。总的来说，现有的高频焊接技术无法满足生产此类产品的要求。相比之下，新兴的激光焊接技术具有优势，它功率密度高，热影响区小，焊缝机械强度出色，焊接方式多样，更适合精确轧制型材的制程需求。在激光焊接时，焊接功率是决定性技术参数，焊接速度是决定性技术参数，光斑大小是决定性技术参数，焦点位置是决定性技术参数，它们相互间关系密切，调节这些参数能够优化焊缝品质。基于这个原理，激光焊接涉及的加热区域较小，在辊压过程中，要设计出更优秀的辊压模具，还要设计出更优秀的焊接工装，以此达到精度要求，并且，激光焊接对型材边缘质量有更高评判标准[19] 。
高强钢的辊压生产线主要由两部分构成，一部分是辊压成型生产线，另一部分是激光焊接生产设备。高强钢包含镀锌板和非镀锌板这两种类型。锌能够增强钢板的耐腐蚀性能，不过因为添加了锌，辊压成型激光焊接时会产生锌蒸汽，而锌蒸汽会致使激光焊接焊缝出现气孔。为解决锌蒸汽对焊缝质量的影响，研究人员针对锌蒸汽的作用机理展开了研究，还研究了如何减小气孔 。华中科技大学陈志春等人研究锌蒸汽行为对焊缝成型的影响规律，研究锌蒸汽行为对焊接质量的影响规律，通过吸气方式在熔池上方创造负压环境，让锌蒸汽在焊接过程中顺利逸出，进而获得较好的搭接焊接接头质量[20]。然而这种方法，对负压形成装置要求极高，在辊压生产线因结构因素，很难广泛应用。采用激光清洗的方式，能够去除镀锌板焊接搭接面的锌层，其基本原理是，利用激光束高能量密度与短脉冲宽度，借助光热效应清除金属表面物质。然而，因激光清洗设备造价成本高，在企业难以广泛应用。现有技术是，采用机械刮刀刮除锌层，激光焊接时搭接面无锌蒸汽导致气孔，成本低廉，获生产企业广泛应用。但是机械接触会造成刮刀损坏，刮刀损坏后无法去除锌层，无法去除锌层会影响后续激光焊接的质量，所以如何减小锌层对激光焊接的影响一直是值得研究的课题。
5 结论
综上所述，激光焊接技术可满足镀锌板高强钢的焊接技术要求，其在辊压线生产中的使用有十分广阔的发展前景。随着汽车制造业发展，以及激光焊接技术进一步改进，在新能源电池托架领域，激光焊接技术的应用前景定会变得更广泛，对激光焊接技术的研究也会更深入。当前，辊压成型叠焊、对接焊对焊接品质提出了更高要求，所以必须重视激光焊接技术的研发，要结合制造业具体状况展开交流合作，要升级激光焊接技术，还要不断加强激光焊接工艺的改进，从而开拓出一条现代化辊压生产线的焊接技术集成设备发展道路。
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来源/作者：ACT激光聚汇汽车材料网《装备制造技术》
