（机械制造及其自动化专业论文）激光拼焊板的焊接及其基本成形性能试验研究.pdf

r 、夕 、一 i 激光拼焊板的焊接及其基本成形性能 试验研究 r e s e a r c ho nw e l d i n ga d nb a s i cf o r m i n gt e s to f l a s e rt a i l o r - 腑l d e db l a n k 姓 2 0 0 6 年4 月 v l【iiii 卜kf 。? 江苏大学硕士学位论文 摘要 拼焊板在汽车覆盖件和结构件上的应用，在生产阶段能够降低制造成本，在 汽车使用运行期间能够减轻汽车的重量，减少废气排放，降低对环境的负担。由 于拼焊板在冲压前需要对板材进行焊接，而且由于焊缝和热影响区的存在，焊缝 两侧材料性质的差异，传统的工艺不足以解决拼焊板生产的所有问题，故各国许 多学者在致力于拼焊板的研究。 本文针对拼焊板的焊接和基本成形试验，对拼焊板的基本成形进行研究。 阐述了拼焊板的发展历史和拼焊板特点l l 介绍了各国学者对拼焊板的研究现 状。对比了激光焊接、氩弧焊和滚压电阻焊等常见的焊接方式，分析了它们各自 的优缺点，最后选用c 0 2 激光作为本实验的焊接方式。选用汽车覆盖件生产常用 的s t l 4 和f e p 0 4 深冲钢板进行研究。为了考察板材的厚度差别对拼焊板焊接和基 本成形性能的影响，实验中选用的s t l 4 钢板板厚为o 8 m m ，f e p 0 4 钢板的厚度为 1 5 m m 。 影响激光焊接的因素有很多，其中焊接的激光功率、焊接速度和保护气体的 流量对焊接成形质量的影响最大，所以本文分别从激光功率的大小、焊接速度的 差异和保护气体流量的大小进行研究，分析了它们的差异对拼焊板焊接的表面成 形质量、焊透和焊缝宽度的影响。利用金相分析技术对焊缝进行显微分析，研究 不同焊接参数对于焊缝微观组织的影响。同时利用金相分析技术，可以观察肉眼 无法准确分辨的热影响区宽度。 以国家标准( ( g b t2 2 - - 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法作为依据，确定 试件的尺寸，对拼焊板进行单向拉伸试验。实验主要分析了拼焊板在焊缝垂直于 试件主轴方向下的破裂形式和抗拉强度的差异对比。以国家标准g b t4 1 5 6 1 9 8 4 金属杯突试验方法( 厚度0 2 2 m m ) 作为依据，确定拼焊板试件的尺寸和试验环 境和参数，对拼焊板进行杯突试验，考察其塑性变形能力。试验结束后，对不同 厚度、不同材料组合的拼焊板的杯突值进行了对比，分析了它们材料性能、厚度 的差异对拼焊板塑性变形能力的影响。试验中同时也对母材进行了杯突试验，并 和拼焊板的试验进行了对比。 关键词：拼焊板，c 0 2 激光焊接，单向拉伸试验，杯突试验 。- r卜 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 k a p p l i c a t i o n so f t a i l o r - w e l d e db l a n k s ( 孙b s ) i na u t o m o t i v eb o d ya n dc o n s t r u c t i o n p a r t , c a nc u td o w nt h em a n u f a c t u r i n gc o s t , d e c r e a s ev e h i c l ew e i g h t , r e d u c ee x h a u s tg a s e m i s s i o n , a n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t t w oo rm o r em e t a ls h e e t sm u s tb ew e l d e dt o g e t h e r p r i o rt os t a m p i n g b e c a u s eo ft h ew e l db e a d ，h e a t - a f f e c t - z o n ea n dt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l so f z w l s ，t h et r a d i t i o n a lc r a f tc a n n o ts o l v ea l lo f t h ep r o b l e m si nt h ep r o d u c t i o no ft w b s s o ， m a n ys c h o l a r sh o m ea n da b r o a dd e d i c a t et ot h et w b sr e s e a r c h 7 i nt h i sp a p e r , w e l d i n ga n db a s i cf o r m a b i l i t yt e s t sa r es h o w e dt oi n v e s t i g a t et h e f o r m i n go f t w b s d e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so ft w b sa r ee x p a t i a t e d a tt h es a l r l et i m e ，t h e r e s e a r c h e so ft w b sb ys c h o l a r sh o m ea n da b r o a da r ea l s od i s p l a y e d 劢ew a y so f w e l d i n g ，s u c ha sl a s e rw e l d i n g 、t i gw e l d i n ga n dm a s hs e a l t lw e l d i n g ，a r ed e s c r i b e da n d c o m p a r e dt h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e c 0 2l a s e rw e l di sa d o p t e da st h ew a yo f w e l d i n gi nt h ee x p e r i m e n t s t 14a n df e p 0 4a r es t u d i e d ，w h i c ha r eu s e dc o m m o n l yi n a u t o m o t i v ei n d u s t r y i no r d e rt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo ft h ew e l d a n db a s i cf o r m a b i l i t y w i t l ld i f f e r e n tt h i c k n e s ss h e e tm e t a li nt w b s ，t h et h i c k n e s so fs t l 4a n df e p 0 4a r e 0 8 m ma n d1 5 m m ，r e s p e c t i v e l y 乃。r e s u l t sa r ev a r i e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r si nt h ec 0 2l a s e r w e l d i n g i nt h o s ep a r a m e t e r s ，l a s e rp o w e r , t h ew e l d i n gs p e e da n dt h ef l u xr a t eo f s h i e l d i n gg a sa r et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s ，w h i c hd e c i d et h eq u a l i t y o fl a s e rw e l d i n g i nt h i sp a p e r , w e l d i n gr e s u l t sa r ed i s p l a y e dw h i l et h ep o w e ro fc 0 2l a s e r , w e l d i n gs p e e d a n dt h ef l u xr a t eo fs h i e l d i n gg a sv a r i e dr e g u l a r l y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，i ti s d i s c u s s e dh o wt h em a i np a r a m e t e r sw o r ko nw e l d i n gr e s u l t ss u c ha ss u p e r f i c i a lf o r m i n g q u a l i t y , t h r o u g hs t u d i n gt h ew e l d i n ga n dt h ew i d t ho ft h ew e l db e a d w i t ht h eu s eo f m e t a l l u r g i c a la n a l y s i st e c h n o l o g y , t h em i c r oo r g a n i z a t i o no ft h ew e l db e a dc a nb e a n a l y s e d t h eh e a t a f f e c t z o n ec a nb er e c o g n i z e dc l e a r l y , t o o t h ef o r m a i l i t yo ft h et w b si sa n a l y s e dw i t ht h ee x p e r i m e n t so ft e n s i l et e s t so ft h e t w bs p e c i m e n s t h et e s t sa r eb a s e do nt h en a t i o n a ls t a n d a r do f g b t2 2 - - 2 0 0 2 m e t a lm a t e r i a l sm e t h o do fs i m p l et e n s i o nt e s t si nr o o mt e m p e r a t u r e ) ) w i t ht h e e x p e r i m e n t ，t h ew a y so f f r a c t u r ea n dt h et e n s i l es t r e n g t ho ft w b sa r ec o m p a r e d b a s e d o nt h en a t i o n a ls t a n d a r do f g b t4 15 6 19 8 4m e t h o do fm e t a lm a t e r i a l sc u p p i n g t e s t ( t h i c k n e s so f0 2 2 m m ) ，t h ec u p p i n gt e s t sa r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ep l a s t i c f o r m a b i l i t yo ft h et w b sa n dt h eb a s em e t a l t h e n ，t h er e s u l t sa r ec o m p a r e d k e y w o r d ：t a i l o r - w e l d e db l a n k s ，c 0 2l a s e rw e l d ，s i m p l et e n s i o nt e s t s ，c u p p i n gt e s t i i 一 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1引言1 1 2 激光拼焊板的概念及应用2 1 2 1 拼焊板的概念和优点2 1 2 2 拼焊板的应用现状和应用领域3 1 3国内外研究现状6 1 3 1 拼焊板的基本成形性能和焊接研究“7 1 3 2 拼焊板冲压成形存在的问题和解决方法1 3 1 4 研究激光拼焊板的焊接和基本成形试验的意义1 4 1 5 主要研究内容_ 1 4 第二章薄板激光焊接理论和冲压塑性成形理论1 5 2 1薄板的激光焊接理论1 5 2 1 1 各种焊接方式的特点：1 5 2 1 2 激光焊接参数对焊接成形质量的影响1 7 2 1 3 热传导焊接和小孔焊接1 9 2 2 薄板的冲压塑性成形理论2 0 2 2 1薄板塑性成形的基本概念2 0 2 2 2 材料试验参数与成形性能的关系2 1 2 2 3屈服准则2 1 2 3单向拉伸中厚度、材料性能对拼焊板成形的影响2 4 2 4 小结“2 6 第三章拼焊板的激光焊接2 7 引言一2 7 3 1母材选择2 7 3 2 焊接板材前期准备工作2 7 3 3 夹具的设计2 9 3 2 焊接设备：c 0 2 激光焊接设备3 0 3 3 焊接工艺试验数据统计及其结果分析3 2 3 3 1激光功率的选定3 2 i i i 江苏大学硕士学位论文 3 4 3 5 3 6 3 7 第四章 4 1 4 2 3 3 2 焊接速度的确定3 2 3 3 - 3 激光焊接保护气体的选用和流量3 3 3 3 4 焊接成形质量和结果分析3 3 激光拼焊板金相组织及其硬度3 8 3 4 1实验设备3 9 3 4 2 金相和硬度分析3 9 焊缝及热影响区硬度”4 2 焊缝形貌及其宽度尺寸4 3 j 、结一4 4 激光拼焊板的成形性能试验w 4 5 激光拼焊板的单向拉伸试验4 5 4 1 1单向拉伸试验的国家标准4 5 4 1 2 试件尺寸和拉伸试验机4 6 4 1 3拉伸结果4 8 激光拼焊板的杯突试验5 l 4 2 1杯突试验的国家标准5 1 4 2 2 试件尺寸5 2 4 2 3 试验结果与分析5 3 4 3 小结“5 6 第五章结论与展望 5 1 结论5 7 5 2 展望5 9 参考文献 致谢” 攻读硕士期间发表论文 ”6 5 1一l叫一0叫 一 一 一二一 f i ， q 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 汽车制造是一个在全球性市场中竞争异常激烈的行业，这导致了汽车制造者 需要不断地提高他们的产品性能。消费者则希望用最低的价钱购买到性能好的汽 车。行业的竞争和消费者的需求促使汽车制造者提出新的制造工艺来降低汽车生 产的成本，提高汽车的性能【l 】。传统的汽车覆盖件生产，需要根据覆盖件的位置、 功能和使用要求等因素，利用不同的模具和工序分别成形单个的零件，然后把各 个零件焊接起来，成为最终的覆盖件。当中零件的焊接工序一般都是使用点焊。 汽车车身的某些特定部位，如铰链位置，因为需要承受较强的载荷和转动，需要 额外加上加强板，才能达到设计使用要求。传统的汽车覆盖件成形特点，产生了 许多弊端。首先大量的零件种类，会直接增加模具的数量，模具制造的投入和后 续的储存和管理，都会使生产的成本急剧上升。再者，单个零件成形后的点焊工 序，会使零件产生热变形，降低了车身的装配精度；点焊需要有零件的重叠部位， 这些重叠部位，会增加汽车的整体重量。 汽车的使用，极大地方便了我们的日常出行，对于运输业的发展起到了关键 性的作用。但汽车排放的尾气对环境的污染却不容乐观。随着我国城市功能的变 化和能源结构的调整，中国大城市的汽车废气排放量超过了工业废气的排放量。 以广州和深圳为例，广州市空气污染的主要污染来源是：机动车尾气占2 2 、工 业污染源占2 0 4 ，而深圳市，大气污染中机动车尾气污染更已占7 0 ，每年 排放的各种有害物质达2 0 多万吨，并且还在以每年超过2 0 的速度上升。控制汽 车污染，需要从燃油和汽车重量方面考虑。有学者研究表明，当汽车的重量减少1 ，燃油的消耗量会减少o 6 1 ，所以减轻车身的重量可以降低汽车的废气 排放。 一个汽车部件可能由几部分组成，且有些部分要求防腐、或高强度、高刚度， 而其它部分则无很高要求。制造这样的部件有的两种方法，即部件分解与部件综 合。拼焊板不但吸收了两种方法的优点，而且可以克服除成形问题外的上述所有 问题。此外，不同强度或厚度的材料应用于一个部件上可以简化车辆的整体结构， 以至可以去除一些结构和固定装置，如加强筋，还减少了部件数量和装配工序。 江苏大学硕士学位论文 所以拼焊板的出现为解决以上的问题提供了一个非常好的契机。 1 2 激光拼焊板的概念及应用 1 2 1 拼焊板的概念和优点 拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k s ) 是指在成形前将不同厚度、不同材质或不同 表面涂层的平板材料焊接在一起而形成的平板坯料 2 ，3 ，4 1 。拼焊板的焊接方式通常有 激光焊接、滚压焊：离子束焊、感应焊、等离子焊和钨极氩弧焊【5 】。其中激光焊适 用于钢板【6 】，而氩弧焊适用于铝板【7 】。利用拼焊板进行冲压成形的特点是在冲压件 的不同部位可以获得不同的使用性能。例如汽车、飞机等运载工具和化工设备， 对板材零件不同部位可能有不同的要求。如果采用拼焊板冲压成形技术，各部分 坯料拼焊后再整体冲压成形，产品整体质量得到提高，还可以明显降低产品重量 和成本【8 1 。图1 1 简略地表示了拼焊板的冲压成形过程。 落料 二 口d 日 二二 激光焊接冲压成形 画日 图1 - 1轿车侧围外板激光拼焊板成形方法的示意图 与传统的成形工艺相比，拼焊板成形有许多优点： 传统上常用两种方式冲压覆盖件：分离成形和整体成形【8 】。分离成形是将多个 简单单元分别进行冲压然后焊接在一起形成一个复杂的目标零件。它的主要优点 是对每一个单元而言增加了板料选择的灵活性( 板料等级、镀层类型、板料厚度等) 。 但是分离成形方法增加了冲压和模具成本( 需要更多数量的模具和压机) 、装配成本 ( 需要焊接单个零件) 、零件形状要求( 零 件装配所需要形状) 和车身质量( 焊接零 件所需搭接边缘) 。整体成形方法是使 用一张同样等级、镀层和厚度的板料一 次同时成形多个简单单元。主要优点是 可以减少模具和压机数量、降低装配成 本、消除多个单元装配所需形状配合。 2 图1 - 2 拼焊板结构示意图 江苏大学硕士学位论文 它的主要缺点是必将从原来简单单元所用板料中选择具有最大厚度和最佳成形性 能的板料，造成某些单元的选材过度并导致车身质量和成本的增加，增加了成形 的难度。应用拼焊板来冲压车身覆盖件兼有分离成形方法和整体成形方法的优点， 同时又能克服两者的缺陷。拼焊板的机构简单示意图如图1 2 所示。 轿车零部件采用激光拼焊板具有以下优点【9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 ： ( 1 ) 减少零件数量。可以一体成型，提高了车身的精度，减少了大量冲压加 工的设备和工序； ( 2 ) 减轻构件重量。由于采用不同钢板的拼接，对易腐蚀的部位可采用涂镀 层钢板以提高使用寿命，对不承受载荷或载荷较小的部位，可采用比原先更薄的 钢板，而对承受载荷的部位也可采用薄的高强度钢板，从而降低钢材消耗和生产 成本，减轻车身重量，最终降低汽车能耗； ( 3 ) 为生产宽体车提供可能。由于受轧机的限制不可能生产太宽的钢板，而 汽车对宽板的要求日趋紧迫，采用激光拼焊，不失为一种有效而经济的工艺方法； ( 4 ) 激光拼焊属于无接触焊接，从而可提高钢材收缩率和降低生产成本； ( 5 ) 减少废料产生并可利用废料，提高板料利用率，降低了生产成本，缩短 设计和开发周期； ( 6 ) 将不同性能、镀层和厚度的板料裁剪在一起，提高覆盖件设计的灵活性； ( 7 ) 由于在冲压变形前已将各部件焊接在一起，焊接残余变形已基本消除， 可以提高部件整体精度和质量； ( 8 ) 激光拼焊属于无接触焊接，从而可提高钢材收得率和降低生产成本。 ( 9 ) 拼焊板的使用，使得车身装配时点焊的数量减少( 以拼焊板的线焊代替 了点焊) ，车身的强度、刚度和碰撞性能大大地提高，增加了汽车驾乘人员的安全 性。 ( 1 0 ) 拼焊板在汽车车身和机构件上的应用，降低了汽车的整体重量，减少 了汽车的油耗，从而降低汽车行驶时的废气排放量，对周围环境的保护起到一定 的作用。 1 2 2 拼焊板的应用现状和应用领域 拼焊板的应用历史可以追溯到1 9 6 0 年，日本本田汽车公司利用边角小料做车 身侧内板而采用的一项技术，2 0 世纪7 0 年代，美国福特汽车公司采用激光焊接技 术进行车身钢板的拼焊，但未走向商业化。但其后的2 0 多年间拼焊板并没有得到 江苏大学硕士学位论文 广泛推广【l ，1 4 1 。 直至2 0 世纪8 0 年代，社会对汽车的性能和功能要求如节能、减少环境污染、 驾驶安全等越来越高，拼焊板的应用才得到越来越多的关注。1 9 8 5 年德国蒂森钢 铁公司生产出第一批宽幅拼焊板，并成功地用于a u d i l 0 0 车底板，激光拼焊板才 进入高速发展阶段【1 5 , 1 6 1 。2 0 世纪9 0 年代，美国钢铁协会和国际钢铁协会组织了一 项由全球1 8 个国家3 5 家钢铁厂参与的超轻钢车身( u l a s b ) 计划，由保时捷工 程公司负责车型设计。1 9 9 8 年3 月生产出第一辆样车，在这个样车上共采用了1 6 个拼焊板冲压件，车身零件数量约减少2 0 ；质量减轻2 5 。同时，德国大众推 出全部采用铝合金材料结构a u d i a 8 型汽车。目前，由拼焊板生产的汽车零部件主 要有位于车门两侧的a 、b 、c 立柱，车门内板、纵梁、地板、轮罩、内后挡板、 横梁缓冲器等，如图1 3 所示【1 7 1 。在国内，如上海大众、一汽大众车都应用了拼 焊板的成形技术。 。 板 图1 - 3 拼焊板在汽车覆盖件上的应用 ( 1 ) 北美 尽管汽车用钢的替代材料使平均家轿用钢材的量由1 7 8 1 磅( 8 0 8 k g ) 降为 1 7 7 5 磅( 8 0 5 k g ) ，但是北美2 0 0 2 款轿车和轻型汽车将使用更多的高强钢、拼焊板 和钢管【1 3 】。而且，北美人明年将赋予新款车“许多第一 ，包括拼焊挡泥板、液压 成型发动机支架、非线性焊接拼焊而成的车门内板，以及轻型卡车用足尺寸液压 成型侧梁。同时，钢制棒和杆也将在铸造曲轴中使用，这种曲轴将在美国当地的 本田、尼桑和丰田汽车的发动机中应用【1 扪。 加拿大国际金属成形公司已经建立了供汽车部件用的管板辊压成形生产线， 4 江苏大学硕士学位论文 它将生产预冲的无规则形状的连续钢板和液压成型钢管，将用于汽车框架部位。 图1 4 拼焊板在美国不同汽车零件上的使用比率 美国汽车冲压及系统提供商s h i l o h 工业公司正在操作工业领域最先进的“激 光拼焊装置 ，为通用汽车公司2 0 0 2 款中等尺寸运动型汽车提供车体侧围板。s h i l o h 工业公司位于俄亥俄州的v a l l e y 城市，该公司生产的拼焊板由4 层不同厚度的热 镀锌板组成，能够保证汽车的关键联接部位如车门铰链支座、拐角以及支柱的结 构强度和刚度。这种拼焊板在两个平行的、同步的生产线上生产，而且成品部件 仅通过一个道次就可以加工出来。s h i l o h 工业公司声称，生产线的布局使生产时间 缩减为常规线的1 3 。最终冲压是在5 4 5 t 的压力下进行。图1 4 表示了拼焊板在 美国不同汽车零件上的使用比率情况。 ( 2 ) 欧洲【1 9 2 0 川 据蒂森子公司t h y s s e nf f i g e t e c h n i k ( t f ) 称，预计今年仅欧洲的拼焊板需求为 6 0 万吨左右，到2 0 0 5 年约1 6 0 万吨，2 0 0 1 年9 月新的拼焊板生产线将在意大利 和墨西哥开始运作。 这两个地方的拼焊线已由t f 建筑，t f 称它将成为世界拼焊板市场的领头羊， 因为它在欧洲的市场份额己超过3 5 。t f 已经在德国建了4 条拼焊板生产线，而 且在美国、巴西和西班牙也都建有拼焊板生产的合资企业。 在意大利都灵新建的拼焊线，将为菲亚特汽车公司和其他汽车制造商提供拼 焊部件；而在墨西哥p u e b l a 新建的拼焊线，将为墨西哥大众汽车公司提供拼焊部 件。上述两地都期望在2 0 0 2 年拥有第二条激光拼焊装置，以便生产出线性和非线 性焊接的拼焊板。 于日美相比，欧洲的汽车制造商更加倾向于电阻焊。欧洲生产的拼焊板大约 有6 0 采用电阻焊方法生产。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 日本 丰田汽车公司自1 9 8 5 年起开始在车身制造中应用拼焊板，每年用于6 0 个冲 压件的拼焊板的消耗量为3 6 0 万张。拼焊板在丰田汽车公司的应用经历了三个阶 段：1 ) 用于内覆盖件以改善板料的成形性合覆盖件的整体性；2 ) 用于外覆盖件 以改善车身外观和装配精度；3 ) 用于骨架件以改善车身防撞性和减轻车身质量 ( 4 ) 中引2 2 】 激光拼焊板主要应用在几家合资轿车厂。一汽奥迪a 6 的前地板、上海大众的 p o l o 轿车中央通道零件、上海通用的前门内板、广州本田o d y s s e y 多功能轿车 的前门内板等使用从国外进口的拼焊板进行冲压。上海宝山钢铁集团公司已经和 a r c e l o r 公司组成了上海宝钢阿赛洛激光拼焊有限公司，专门生产汽车用拼焊板。 他们估计，到2 0 0 6 年，全球拼焊板的生产量将达到2 亿8 千万张。 拼焊板除了运用在汽车覆盖件和结构件上以外，它还可以运用在诸如电子电 器产品，包装行业和建筑市场等行业。其实，任何产品，他们利用金属薄板( 铝 或者钢) 并且在材料性能或厚度上需要过渡或改变，都可以使用拼焊板来提升产 品的性能。就以洗衣机机身来说，使用拼焊板可以在下半部分布置厚的镀锌板来 增强机器的耐腐蚀性能，上半部分就布置成形较好的材料。这样不仅满足了洗衣 机的使用性能，在成形方面也不会遇到问题。 1 3 国内外研究现状 拼焊板的使用尽管带来了许多好处，但也出现了很多冲压成形上难以解决的 问题( 2 3 , 2 4 】。由于拼焊板可以由不同的厚度、不同的镀层或者不同的材料性能的薄 板组合在一起。薄板的焊接方式也因不同的焊接方式而造成焊接后焊缝性能的差 异。尽管采用不同的焊接方式，焊接后的拼焊板的基本上由母材、热影响区和焊 缝组成，见图1 5 所示。对于非高强度钢铁薄板，热影响区和焊缝的强度会比母 材要高，但是延展性会比母材要低，热影响区、焊缝和母材的差异会降低整块拼 焊板的成形性能【2 5 j 。 热影响区和焊缝的存在，使拼焊板的冲压性能产生了几个性能渐变和突变区 域：( 1 ) 母材1 到热影响区的性能渐变区域；( 2 ) 热影响区到焊缝的性能突变区 域；( 3 ) 焊缝到热影响区性能突变区域；( 4 ) 热影响区到母材2 的的性能渐变区 域。母材和热影响区域的性能渐变是由于焊接时的高温对靠近焊接处母材的影响 6 江苏大学硕士学位论文 所造成的。热影响区和焊缝的突变区域是由于组成拼焊板的母材差异和焊接时高 温淬火效应造成的。母材的厚度、材料性能差异直接影响这个突变区域的成形性 能。拼焊板的成形性能随着母材的厚度、材料性能差异的增大而降低。焊接时的 高温淬火效应使焊缝的硬度急剧上升，屈服强度和抗拉强度比母材高，延展性和 拉延性能降低。这个区域的存在，是拼焊板成形性能降低的最主要原因。 热影响区 u 焊缝 图1 5 拼焊板组成示意图 与传统的单一板相比，拼焊板的机械性能和塑性性质均发生了较大变化，从 而使得冲压成形性能降低，与母材相比，拼焊板的屈服强度和抗拉强度增加，n 值 和延伸率减小；拼焊板的成形性取决于焊缝与主应变方向的相互关系：当焊缝平 行于主应变方向时，由于焊缝处的极限应变远低于任意一侧母材，所以焊缝发生 破裂；而当焊缝和主应变方向垂直时，破裂发生在性能较差的材料一侧。拼焊板 变形失效形式见图1 6 所示【2 6 】。 图1 - 6 拼焊板的变形失效形式 1 3 1拼焊板的基本成形性能和焊接研究 拼焊板在国外的研究开始得比较早。f i s 猢d e r s 【2 7 1 对拼焊板的基本成形，包 括单向拉伸、极限拱高和俄亥俄州大学的一个成形试验( 简称o s u ) ，进行了试验 分析。o s u 试验能测试板材在平面应变状态下的成形高度。o s u 试验能测量拼焊 板中焊缝的成形性能。试验的模具结构和尺寸示意图如图1 7 所示。通过不同材 料和不同焊接方式的试验对比，s a u n d e r s 总结了这三个基本成形试验的数据，如表 1 1 所示。 7 “ 、 ，- 一o 江苏大学硕士学位论文 6 m m 图1 7o s u 试验的模具机构尺寸图 表1 - 1 基本成形试验数据 总伸长率 o s t 试验值( m m ) 极限拱高值( r a m ) ，2 1m mh s l a3 9 8 o 4 1 7 7 0 2 一，3 2 7 o 6 1 8m m a k d q 4 4 4 0 6 1 9 o o 33 5 8 o 6 c 0 2 激光焊 2 9 0 6 1 6 0 o 31 4 6 0 5 y a g 激光焊 3 0 o 7 1 6 o 0 32 3 6 o 5 韩国的k b m i n z 8 等学者对由s p c c 材料组成的拼焊板进行了单向拉伸、杯 突试验和拼焊板硬度测试等基本试验。单向拉伸试验结果表明，拼焊板的屈服强 度比母材稍微提高，抗拉强度相似，拼焊板的伸长率明显比母材要低，如图1 8 所示。拼焊板塑性性能的降低，同样体现在杯突试验中。在k b m i n 的杯突试验 结果中，拼焊板的杯突值比母材的杯突值低1 0 - 1 5 。由于焊缝在焊接后迅速 降温，在焊缝的显微组织机构中，晶粒尺寸变得很小。这使焊缝和热影响区在焊 接后硬度要比母材要高5 0 左右，如图1 - 9 所示。k c p a r k e 2 9 】等人曾经测量到焊 缝的硬度比母材增加了1 5 0 。k a b d u l l a h 等人【3 0 】研究了焊缝平行于主应力方向 时候的单向拉伸试验。试验中拼焊板由两种不同材料和不同厚度的母材组成。母 材l 的k 值和r l 值分别为5 6 1 m p a 和o 1 7 5 7 ，母材2 的k 值和n 值为6 8 4 m p a 和 o 1 5 2 。拉伸后试验的结果表明，试件的k 值增加到11 6 5 m p a ，而r l 值则下降到 o 1 1 5 4 。试件的抗拉强度比母材增加了接近一倍。k a b d u l l a h 还研究了不同的焊缝 宽度对于试件拉伸性能的影响。结果显示，随着焊缝宽度增加，试件的抗拉强度 反而有所下降。在相同材料不同厚度比母材组成的的单向拉伸试验中【3 l 】，试件的 破裂位置都出现在薄侧母材处，如图1 1 0 所示。 江苏大学硕士学位论文 应 力 应变应变 图1 8 拼焊板和母材在单向拉伸试验中的应力、应变曲线 冒 o 三 魁 隧 1 0 0 9 0 与焊缝的距离( r a m ) 图l 一9 拼焊板的维氏硬度值 e b a y r a k t a r 3 1 1 等人对巧钢和b h 烘烤硬化钢组成的拼焊板进行了刚性凸模 胀形研究，考察拼焊板的f l d 与母材的差异。从试验结果的f l d 看，由i f 钢组 成的拼焊板，它的成形能力只有母材的9 0 ；由b h 烘烤硬化钢组成的拼焊板， 它的成形能力能达到母材的9 9 之多。可见，尽管拼焊板的成形能力比组成它的 母材要低，但是由不同的材料组成的拼焊板，它的成形能力下降也各有不同，其 中有些下降很小。j t u s e k 3 2 等人利用激光和m i g 两种焊接方式进行焊接，焊接 后发现这两种焊接方式对焊缝和热影响区的硬度改变有所差异，利用激光焊接， 焊缝的硬度与母材差异较大，而利用m i g 进行焊接，接头部分与母材的差异较小 如图1 1 1 所示。 图1 1 0 单向拉伸厚度比为1 2 5 、1 6 5 和2 时候的颈缩现象 长度( m m ) 图1 1 l拼焊板两种不同焊接方式的硬度值 s m c h a n 3 3 3 等人研究了不同厚度比的拼焊板的成形极限。组成拼焊板母材的 厚度比分别为2 ( 厚度为0 5 m m 和1 0 m m ) 、1 6 7 ( 厚度为0 6 r a m 和1 0 m m ) 和 1 2 5 ( 厚度为0 8 n u r t 和1 0 r n m ) 。从图1 1 2 的试验结果可以看到，厚度比为2 的 拼焊板，其f l c 最低，厚度比为1 2 5 的拼焊板，其f l c 最高，所以，当拼焊板的 厚度后，它的成形性能要降低。 9 江苏大学硕士学位论文 图1 - 1 2 不同板厚比的拼焊板成形极限图 由于拼焊板的优越性能和优点，国内许多学者也致力于拼焊板的研究。张士 宏等人【3 4 】对由s p c e 材料组成的拼焊板进行了单向拉伸试验研究。拉伸试件中， 焊缝采用了两种布置方式：焊缝平行于主应力方向和焊缝垂直于主应力方向。试 验的结果于国外学者的成果相似：拼焊板的塑性成形能力都比母材差；当焊缝垂 直于主应力方向时，试件破裂的位置出现在强度弱的母材处，当焊缝平行于主应 力方向，试件破裂的位置出现在焊缝处；当焊缝的布置垂直于主应力方向时，拼 焊板的成形性能，如伸长率等都要比焊缝平行于主应力方向时要好。张士宏等人 对c 0 2 激光焊接和t i g 氩弧焊这两种方式进行了对比。结果表明，对于材料s p c e ， 利用c 0 2 激光进行拼焊板的焊接，拉伸试件的伸长率要比t i g 焊接要好。 王柄德【35 】等人对拼焊板的焊接方式进行了更加深入的研究，不仅分析了各种 焊接方式的特点，还对焊接的试件进行了显微组织分析，最后他认为，激光焊在 钢板的焊接中的优势最为明显。 曹能【3 6 】对比了由不同材料组成和不同焊接方式下，拼焊板的扩孔率、极限拱 高值和弯曲延展率的影响。通过测量极限拱顶高和弯曲延伸，拼焊板的性能下降 2 一3 5 ，如图1 1 3 和图1 1 4 所示。扩孔试验结果表明其下降幅度大于极限拱 顶高和弯曲延伸，达到5 0 - 6 0 ，如图1 1 5 所示。随材料强度的增加，基体材 料和拼焊板的成形性下降。另外，邱晓陬j t 3 7 1 和阎启【3 8 】等人利用印刷圆形网格技术 对拼焊板的成形极限做了研究。 从国内外学者的研究来看，对于拼焊板的基本成形性能研究，主要集中在单 向拉伸、极限拱顶高度、凸模胀形、杯突试验和扩孔率试验。由于拼焊板的焊接 方式多样化，不同的焊接方式也各有其特点，所以在分析其基本成形性能，学者 1 0 江苏大学硕士学位论文 们往往会在试验过程中加入焊接方式的对比，以此研究选用不同的焊接方式对于 拼焊板成形性能的影响。同时，对拼焊板的母材、热影响区和焊缝的金相分析也 是学者研究拼焊板成形性能的常用方法。金相分析技术的运用，能让我们清楚得 看到拼焊板的微观组织，对于解释拼焊板与母材成形性能的差异起到很多作用。 6 0 营5 0 鹤4 0 訾3 0 萄；2 0 譬1 0 0 雾震鋈匡霾蓁 1 3 0 ( d 钢)2 4 0 ( f 钢) 4 0 5 ( g 钢) 图1 1 3 母材和拼焊板的极限拱顶高度对比图 3 0 0 2 5 0 霉2 0 0 堡1 5 0 辐i 0 0 5 0 0 日母材圈激光焊接囵滚压焊 3 5 信3 0 32 5 藿2 0 萼1 5 登i 0 静5 0 1 3 0 ( d 钢)2 4 0 ( f 钢) 4 0 5 ( g 钢) 图1 1 4 母材和拼焊板的弯曲延伸高度对比图 1 3 0 【d 钢)2 4 0 【f 钢) 4 0 5 ( g 钢) 图1 1 5 母材和拼焊板的扩孔率对比 焊接技术的发展是从本世纪初开始的，近年来焊接技术发展甚快，这是由于 它直接受材料科学、微电子科学和能源科学的发展所带动。随着电子技术、计算 机技术、自动控制技术以及信息和软件技术迅速引入焊接领域，有效地实现了焊 接过程的机械化和自动化，将焊接技术提高到一个新的水平。 汽车生产中使用到的焊接方法有许多种，其中比较典型的有电阻焊、电弧焊、 氧乙炔焊、钎焊、摩擦焊、闪光焊、电子束焊和激光焊接等。 激光加工技术近年来在产业界得到广泛应用。目前常用的激光焊接主要有 c 0 2 和y a g 激光。从1 9 9 0 年丰田汽车公司首次将此技犬应月于汽车车体制造以 来，该技术在日本汽车车制造业中得到了广泛地应用，五十铃、日产、大发三菱 等汽车公司纷纷开发激光焊接技术，并改得丁显著的技术经济效益t 3 9 1 。 激光厚接系统如图1 1 6 所示【3 9 】，由激光器、导光系统，喷嘴和焊接台组成。 由激光器产生的激光束经导光系统传递到抛物面镜反射聚焦，在焦点附近达 江苏大学硕士学位论文 5 0 0 0 2 0 0 0 0 k 的高温光束从喷嘴射出照射在金属板接缝处，瞬时将接缝处的金 属材料熔化。激光束向前移动，熔化金属凝固，形成焊缝，将两块分离的金属板 连成为一整体。 激光束抛物面镜 图l 1 6 激光焊接的原理 利用激光焊接，可以达到很深的焊接深度，所以在许多行业，激光焊接的应 用得到非常大的重视，c o s t e 等对厚度达1 0 0 m m 的构件进行了焊接，发现焊接 能够实现【4 0 】。 日本在世界上首次成功开发了将y a g 激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细 管的维修【4 。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日 本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工 艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用的越来越多，根 据美国金属市场统计，至2 0 0 2 年底，激光焊接钢结构的消耗将达到7 万吨，比 1 9 9 8 年增加3 倍。在工艺方面美国s a n d i a 国家实验室与p r a t tw i t n e y 联合进行在 激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所 在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充 金属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰 公司的工厂投入生产【4 2 1 。 在激光焊接的控制方面，j o h n 等人提出了入射激光的逆韧致吸收模型，假定 能量通过传导机制传递给小孔壁，通过解热传导方程，得到了一个最大的理论熔 深 4 3 1 。 1 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 拼焊板冲压成形存在的问题和解决方法 和普通薄板在冲压成形上相比，拼焊板遇到更多的成形问题。破裂和起皱问题 是传统的板材冲压的主要问题，但拼焊板的起皱和破裂现象比传统的板材要严重， 也就是说拼焊板在冲压成形中比传统的薄板更容易产生起皱和破裂【4 4 ，4 5 ：6 1 。 起皱的现象在由不同厚度差的薄板组成的拼焊板中特别严重h 7 4 8 1 。这是因为 在冲压过程中，压边圈和板料的接触地方大部分集中在厚侧的板材，而薄侧板材 与压边圈之间存在着很大的空隙，这样薄侧板材的压料面就会产生严重的起皱。 虽然压料面部分在零件装配使用前会裁去，但成形中压料面起皱的部分材料会随 着直壁部分材料流进凹模，影响零件的外观和使用，甚至造成零件的报废。同理， 固定的凸模和凹模间的间隙，同样会使薄侧板材在凹模内产生起皱。 焊缝的移动也是拼焊板成形中的主要问题之一【4 9 5 0 1 。首先焊缝移动会使材料 的定位不准确，并且可能达不到零件设计使用的要求。例如，零件需要在某一个 特定的部