（机械制造及其自动化专业论文）激光拼焊板成形性及其实验研究.pdf

摘要 摘要 在车身制造中，由于汽车轻量化以及结构上的要求，拼焊板得到了广泛的 应用。由于拼焊板的母材在厚度、材质或涂层上的差异，其表现出的成形性也 会产生不同。在拼焊板的变形过程中，焊缝两侧的母材会产生相互的制约作用， 导致板料的应变路径发生变化，表现出与母材相异的成形性能。而车身制造中 对零件精度及其安全性能的要求越来越高，也相应的对材料提出了更高的要求。 因此，研究拼焊板的成形性，通过改变母材的匹配以及焊缝位置对拼焊板的设 计进行指导，有助于实际零件的设计，因此具有重要的意义。 本文对三组同材差厚的拼焊板进行了研究，其母材分别为d x 5 3 d z l 0 0 m b ， z s t e 2 6 0 z ，d c 5 6 ，用实验与数值模拟相结合的方法对其进行了研究。针对母材 为d x 5 3 d z l 0 0 m b 的拼焊板，进行了关于拼焊角度的有限元分析，建立了拼焊 角度下母材的变形关系，并用实验证实了分析的正确性；针对母材为z s t e 2 6 0 z 的拼焊板，通过实验分析了焊缝位置对于其单向拉伸性能的影响；针对母材为 d c 5 6 的拼焊板，进行了半球胀形实验，获得了其f l d 曲线，并用实验数据对 各个算法下的f l d 曲线进行了对比，随后进行了半球胀形的有限元分析，在经 过实验证实其精确度后，进行了正交实验分析，找到了板厚比为影响成形的最 显著因素，并简要分析了板厚比对母材应变路径的影响。通过上面的工作，对 影响拼焊板成形性的因素进行了分析比较，得到了其影响的初步规律，为工业 上拼焊板的成形评价标准的制定提供了初步参考。 关键词：拼焊板，成形性，单向拉伸，半球胀形，有限元分析，正交实验 a b s t r a c t a b s t r a c t t a i l o r - w e l d e d - b l a n k s ( t w b s ) a r ew i d e l yu s e di n t h ea u t o - b o d ym a n u f a c t u r e d u et ot h er e q u i r e m e n to fl i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l e b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c ei n t h i c k n e s s ，m a t e r i a la n dc o a t i n g ，t h ef o r m a b i l i t yo ft w b ss h o w sd i f f e r e n t l yw i t h i n b a s em a t e r i a l d u r i n gt h ef o r m i n gp r o c e s s ，t h ei n t e r a c t i o no fb a s em e t a lo nt h et w o s i d e sl e a d st ot h ec h a n g e so fs t r a i np a t ha n dt h u sd i f f e r e n tf o r m a b i l i t yc o m p a r i n gt o b a s em a t e r i a l s w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o rp r e c i s i o na n ds a f e t yf r o ma u t o b o d y m a n u f a c t u r e ，t h er e q u i r e m e n t sf o rb a s em a t e r i a la r eg e t t i n gm u c hs t r i c t e r s oi ti so f g r e a tp r a c t i c a li m p o r t a n c et oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho nt h ef o r m a b i l i t yo ft w b sb y c h a n g i n gt h em a t c ho f b a s em a t e r i a la n dl o c a t i o no fw e l dl i n e ，a n da l s oh e l p f u lt ot h e d e s i g no fc o m p o n e n t s mm i sp a p e r , t h r e ek i n d so f t w b sw i t hs a m em a t e r i a la n dd i f f e r e n tt h i c k n e s sa r e s t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e ya l ed x 5 3 d z l0 0 m b ， z s t e 2 6 0 za n dd c 5 6 a c c o r d i n gt ot h ed x 5 3 d z l0 0 m bt w b s ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so nw e l da n g l ei sc a r r i e do u ta n de q u a t i o nf o rd e f o r m a t i o no fb a s e m a t e r i a li s f o u n d e da n dv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h ez s t e 2 6 0 zt w r b s e x p e r i m e n t i sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h el o c a t i o no fw e l dl i n ei nu n i a x i a l t e n s i l e a c c o r d i n gt ot h ed c 5 6t w b s ，d o m eb u l g i n ge x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt og e t t h ef l d c u r v e ，t h e nc o m p a r e sd i f f e r e n tf l d c u r v e sf r o md i f f e r e n ta l g o r i t h m a f t e r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd o m eb u l g i n gi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s ，o r t h o g o n a lt e s t o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sc a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w st h a tt h et h i c k n e s sr a t i oo f b a s em a t e r i a li st h ek e yf a c t o ro ft h ef o r m a b i l i t y , a n dt h e nb d e fa n a l y s i so fi t s i n f l u e n c ei sc a r r i e do u t f r o ma 1 1t h er e s e a r c ha b o v e ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so n f o r m a b i l i t y a r ea n a l y z e da n dt h ep r e l i m i n a r yi n f l u e n c el a wi so b t a i n e d ，w h i c h p r o v i d e ss o m er e f e r e n c ef o rt h ef o r m u l a t i o no ff o r m a b i l i t ye v a l u a t i o ns t a n d a r do f t w b si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：t a i l o rw e l d e db l a n k s ( t w b s ) ，f o r m a b i l i t y , u n i a x i a lt e n s i l e ，d o m eb u l g i n g ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，o r t h o g o n a lt e s t i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 州7 年弓月) 。日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 矽7 年弓月 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车工业是一个具有高度产业关联的工业，对一个国家工业化的程度具有 重要的影响，因此我国早已将汽车工业作为我国的支柱产业之一。近年来，随 着世界能源问题的要求以及对于汽车安全性的考虑，混合动力以及相应的汽车 轻量化越来越得到了人们的关注【1 捌，因此拼焊板也在汽车车身制造上得到了更 加广泛的应用。 由于车身本身结构的复杂性以及安全性的考虑，用整块的单一板料对车身 制造进行成形的方法很难实现，抑或造成成本的激增，并造成车身重量的增加。 现实生产中的一般工序都是先将不同的坯料冲压成不同的零件形状，再经过电 焊或者铆接对不同的零件进行联接，随之而来也就产生了相应的问题，可能产 生焊接变形、焊接残余应力甚至产生焊接缺陷引起强度下降。采用拼焊板成形 技术就可以很好地解决这一问题。 拼焊板( t a i l o r - w e l d e d - b l a n k s ，即t w b s ) 技术是指在进行冲压成形前，先 将不同厚度、不同材质或者不同表面涂层的平板坯料焊接在一起，然后进行成 形的工艺。应用拼焊板技术，可以很好地解决上面的问题，因此拼焊板在车身 制造中得到了广泛的应用。 1 2 拼焊板的制造工艺 焊接工艺是拼焊板制造中的关键工艺，不同焊接工艺下拼焊板表现出来的 力学性能具有较大的差别。目前在实验中所采用的焊接方法有激光焊、滚压焊、 离子束焊、电子束焊、感应焊、点焊、闪光对焊和t i g 焊等，而生产中所采用 的焊接方式则相对较少，主要为激光焊和滚压焊。比较而言，激光焊接为拼焊 板制造中最常用的焊接方式，因其具有以下优点： ( 1 ) 速度快、深度大、变形小。 ( 2 ) 能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通 第l 章绪论 过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并 能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 ( 3 ) 可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 ( 4 ) 激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5 ：1 ， 最高可达1 0 ：1 。 因此，本文中所研究的拼焊板，其焊接方式均为激光焊。 1 3 拼焊板的优点 相比单一板料，拼焊板具有以下的优剧3 4 】： ( 1 ) 降低车身重量，提高燃料的利用率； ( 2 ) 提高汽车的性能，降低尾气的排放，减小对环境的污染； ( 3 ) 由于拼焊板是先焊接然后成形，其工艺特征保证了零件的装配精度； ( 4 ) 节省材料，可以使材料减4 , n 原来的6 0 - - 一7 5 ，并且提高了废料的利 用率，降低了成本； ( 5 ) 提高了车辆的结构上的整体性和安全性，简化了车辆的整体结构； ( 6 ) 减少了模具的数量以及需要装配的零件的数量，精简了模具的安装、调 试以及拆卸过程，极大地提高了生产效率，简化了生产流程； ( 7 ) 有关汽车安全性的实验表明，采用拼焊板的车身在撞击中可以吸收更多 的能力，从而增强了耐撞性能。 1 4 拼焊板国内外研究现状 拼焊板的使用可减少零件的数量、减轻零件的质量、降低生产成本，并且 增加结构的整体性和尺寸精度。因此，在汽车轻量化要求以及拼焊板自身优点 的推动下，拼焊板在汽车和航空航天制造业中得到了广泛的应用。日本本田汽 车公司最早将拼焊板应用于汽车行业，继本田之后，美国、欧洲的汽车制造商 也逐渐采用拼焊板成形技术，其中美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司在 1 9 9 4 , - - 1 9 9 7 年生产的一部分门内板、侧围板、立柱、门框、横梁等都采用了拼焊 板成形，并且门内板采用拼焊板成形的比例占到了4 0 5 , 6 】。 自上个世纪八十年代开始，拼焊板作为新技术已经在美国、欧洲、日本等 2 第1 章绪论 地区得到了广泛的关注，因此对于拼焊板的研究也逐渐发展起来。k m z h a o ，b k c h u n 和j k l e e 对不同的焊缝模型进行了有限元的数值模拟，对于不同的模 拟结果，提出应该选用不同的模型1 7 ；b r a dl e ek i n s e y 利用幂指型的本构关系， 对焊缝的移动以及成形高度进行了分析【8 j ；s i j u nh e 对拼焊板单向拉伸进行了建 模，对焊缝的移动作出了数值计算【9 】，得出了减小厚度、强度、增加材料的n 值 可以使拼焊板的成性能力增强的结论；s a u n d e r s ，f r e d e r i c ki r v i n 对拼焊板的单向 拉伸以及胀形实验作了研究，并做了相应的有限元模拟【l 们，研究了拼焊板的成 形极限以及本构关系；s c o t td a v i dr a y m o n d 对于有限元中的焊缝建模进行了研 究，发现不同的处理方法对于模拟结果存在着差异【l u ；r w d a v i e s ，gj g r a n t ，h e d d i eo l i v e r , m a k h a l e e l ，m t s m i t h 和m g a n j i a n i ，a a s s e m p o u r 通过理论以 及实验对拼焊板的f l d 进行了研究【1 2 , 1 3 1 ；此外，还有很多关于成形性能以及影 响成形的因素，比如焊缝方向的研裂1 抛0 1 。 国内的主要汽车生产商，如上海通用和上海大众以及上海宝钢集团，在广 泛应用拼焊板的同时，进行了很多拼焊板的研究工作【2 1 ，2 2 】，得出了为了得到较高 的成形性能，焊缝应该与主应变方向垂直，提出了数值模拟有助于使复杂车身 覆盖件成形达到最好的效果，而且国内的各大高校也开展了对于拼焊板的研究。 北京航空航天大学的郝长岭和周贤斌研究了厚度比、焊缝方向对成形的影响【2 3 1 ， 并指出理论和实验上对于拼焊板成形性的研究都存在着不足；哈尔滨工业大学 和中国材料研究所的张士宏、程欣等人对不等厚拼焊板的成形变形能力进行了 实验研究【2 4 2 5 ，2 6 2 7 1 ，获得了方盒件拉深的焊缝移动规律；江苏大学的张福祥、陈 炜等人研究了在方盒成形实验中不同焊缝位置对焊缝移动的影响，进行了有限 元数值模拟【2 8 2 9 ，3 0 1 ，认为采用阶梯式压边圈以在模具中增加加紧柱的方法可以有 助于拼焊板拉延成形，同时还有很多考虑其他拉深参数的拼焊板方盒件研究 p 1 3 4 j ；吕盾，陈炜，张家骅，侯波【3 3 】得到了线形渐变压边力在减小焊缝移动、 提高拼焊板的变形均匀性上面有很大作用；此外，国内还有很多对于薄板成形 极限方面的理论分析【3 6 , 3 7 , 3 8 】。 1 5 有限元模拟技术 有限元分析法最早起源于上世纪的5 0 年代，为在航空工程中的飞机结构的 矩阵分析法。不久以后，即在1 9 6 0 年，著名学者c l o u g h 首先提出了“有限单元 3 第1 章绪论 法”( f i m t ee l e m e n tm e t h o d ) 这术语，并将它用于求解弹性力学的平面应力问题。 一些数学家们研究了它的理论基础，揭示了有限单元法是将古典变分法与分段 多项式插值法相结合而形成新的变分法的数学本质，并对该方法的完善和改进 提供了一系列的理论指导。工程界的学者和研究人员则将它广泛应用于结构力 学、弹性力学、流体力学、热传导和电磁场计算等各类问题的求解之中，使之 逐步成为现代数值分析不可缺少的最有效方法之一。 有限元分析法之所以能够迅速而广泛地得到如此大规模的应用，其主要原 因在于其方法本身的三大优点p 9 1 ： ( 1 ) 概念直观，使用方便。有限单元分析法虽然数学基础坚实，但它并不会 给使用它的技术人员造成多大的困难，在具体应用过程中，各个步骤都具有其 明确的物理意义，便于每位使用者在不同的水平层次上，都能建立其自己对该 方法的理解。 ( 2 ) 适应性强，求解面广。有限单元分析法不仅能够成功地处理各种结构的 弹性力学问题，而且还能求解各种非均匀材质材料、非线性应力应变关系等几 乎所有的连续介质和场的分析计算问题。 ( 3 ) 求解方便。有限单元分析法采用矩阵和张量形式来表示，便于编制计算 机运行程序，其大型方程组的求解是在计算机上完成的，避免了人工计算的繁 复，精度也得到保证。通过计算机的运算和记忆能力，有限单元分析法充分发 挥了其巨大的效益。 为了提高冲压生产的制造精度和敏捷度，拼焊板冲压成形有限元模拟分析 技术将会是其中的一大关键技术。在汽车覆盖件的开发过程中，拼焊板成形有 限元模拟分析技术在以下几个方面得到了充分地应用： ( 1 ) 概念设计及车身设计阶段。在这个阶段，模具结构和加工工艺都未完全 确定，不可能进行深入的模拟分析。对数值模拟分析的要求是有快速的响应， 对边界条件的要求也就比较低。 ( 2 ) 工艺和模具设计阶段。数值模拟对缩短产品开发周期、降低开发成本、 提高产品质量均有着决定性作用。 ( 3 ) 生产试验阶段。在此阶段，要求精确模拟设计结果，研究缺陷的形成和 扩展，进一步对工艺参数进行优化。 4 第1 章绪论 1 6 拼焊板成形问题分析 拼焊板在成形过程中，由于其零件尺u 的复杂性以及板料变形过程l l 的差 异性，导致拼焊板在成形过程中可能会出现各种不同的失效形式，见图l l 所示。 邕憋鲤雌 a ) 开裂在焊缝 罔li 巾所示的失效方式是拼焊板成形中垃常见的两种，除此之外还有裂纹 方向垂直于焊缝方向以及裂纹出现在薄板或者厚袄等。拼焊扳焊缝两侧板料的 强度差异、厚度差片以及焊缝布置的位置以及方向都可能导致拼焊板在成形过 程中的失效，因此有必要对拼焊板的成形性进行综合分析，为拼焊板成形性能 评价标准的制定提供参考。 1 7 研究的背景和意义 本文来源于上海汽车工业科技发展基金项目“汽车激光拼焊板成形性能评 价方法及标准化研究”。 j f 如上文所说，汽车轻量化的一个主要方向就是在车身制造中应用拼焊板 技术。但在实际的汽车开发过程中，设计者囚无法知道拼焊扳的成彤性而难以 确定所设计拼焊板零件能雨顺利成彤，也无法预浸4 其生产工艺、装备和成本； 汽车制造商在采购拼焊板时，无法对所提供的拼焊扳是否合格进行验证；出于 严格的质：写 要求和对国内拼焊扳牛产企业的疑虑，上海大众、上海通j ；l j 等围内 汽车制造企业主要依赖从国外进口拼焊扳，既提高成本，也不利于国内拼焊扳 产业的发展。囚此，研究汽车拼焊板成形性能的评价方法。h i 仅能解决企业的 一 第l 章绪论 生产问题，产生很好的经济效益，还能提高企业影响，有重要的社会效益。 1 8 本文研究主要内容 通过以上的分析，本文对汽车车身制造中的常用钢板进行了实验研究，建 立了拼焊板在不同拼焊角度下的变形关系，并用有限元模拟的方法对影响拼焊 板成形的因素进行了综合分析，具体内容如下： ( 1 ) 拼焊板单拉力学性能分析。单向拉伸是测得材料性能的最简单方法， 也可以揭示焊缝两侧不同强度母材的变形规律。本文首先通过有限元仿真和实 验相结合的方法对不同拼焊角度下拼焊板的变形情况做了研究，在此基础上建 立了有关拼焊角度对于成形性影响的数学模型，得到了拼焊焦度也是拼焊板成 形性影响因素之一的结论。随后在之前结论的基础上进行了改变其他单向拉伸 参数的实验，进一步分析了拼焊板的单向拉伸性能。 ( 2 ) 拼焊板成形性分析以及影响因素研究。半球胀形实验是衡量金属板 料成形性的实验之一。设计拼焊板半球胀形模具，并通过改变板料的宽度，得 到了拼焊板的f l d 曲线，随后又通过s w i f t h i l l 理论模型、经验公式以及有限元 仿真对板料的f l d 曲线进行了计算，并和实验结果进行了比较，以期望获得拼 焊板极限应变的预测方法。在前面研究的基础上，将拼焊板的板厚比、焊缝布 置位置以及拼焊角度三个因素进行综合分析，研究对半球胀形高度的影响，并 细化了板厚比对于拼焊板母材单元应变路径的影响。 6 第2 章板料成形理论及其有限元方法 2 1 引言 第2 章板料成形理论及其有限元方法 成形性是指金属薄板适应各种成形加工过程的能力。在加工过程中，金属 发生的主要是塑性变形，即材料在达到屈服极限后发生的变形。金属在产生塑 性变形之前发生的是弹性变形，此时应力盯和占成正比，即 ! ：e 一= 占 其中e 为弹性模量。此阶段金属发生的变形很小，且满足虎克定律。很多 材料弹性阶段和塑性阶段的界限很不明显，如铝和黄铜，工程上规定，当卸载 后残余应变达到0 0 0 1 - - 0 0 3 时，就是工程上的弹性极限，因此在研究材料弹 性变形时，塑性变形可以忽略不计，本文研究的主要阶段即为材料的塑性阶段 【柏1 。 2 2 金属塑性变形基本理论 2 2 1 应力应变关系 根据塑性变形理论的基本理论，金属薄板在发生塑性变形时，其应力、应 变状态可以均可以用三个主应力和三个主应变来表示，分别记为q 、吒、q 和 s i 、乞、8 3 ，并规定其代数值的大小为o i 0 2 0 3 和q 乞8 3 。定义厶、厶和 厶为应力不变量，满足 厶= 吼+ 0 - 2 + o - 3 厶= q c r 2 + c r 2 巳+ q q 32c r l a 2 0 3 令= 吾厶= 三( q + 吒+ 吒) ，表示平均应力。有实验表明，平均应力的数 7 第2 章板料成形理论及其有限元方法 勺= 鲑莩 t = 吉 ( q 一仃：) 2 + ( 一) 2 + ( 吧一仃) 2 织= 警，嵋= 鲁，矗乞= 警 8 o d z 啦乏占7 f 吨啦，一k：二露f 将应变增鲁德三 。竺 f 刀, 4 rz勺a, 噍一荔 将应变增量偏量的不变量雅应五毒d ：j l t2 d x + d s y + d s z g 2 = 芸f d e l d 乞) 2 _ ( 粤，? ，) ：+ ( d 乞一d ) ：1 9 l l 邑丝西懈 n 科 + h z 撕凇僦毫糯 y c 翁 x ， 矿j 响等吨为脚争仉蹴 六 f f ”孰 小 秒以辖 鼢 吩吨搬 勤 一广渡 配 噍哝抛 c玎要曼 脚 噻 期嗾缳 觚引 阮期，：秒 比痧 序 j 6 龇脚蚰 第2 章板料成形理论及其有限元方法 岛= p 毫= 嘶i 百磊i 丽 对于单向拉伸，有d 岛= d e ，同时由塑性变形体积不变原则，有 d 岛= d e 3 = 一o 5 d e ；对于纯剪切，有d 占i = d s ，d 岛= 一d e ，d 岛= 0 。 2 2 2 屈服准则 1 t r e s e a 屈服准则 t r e s c a 屈服准则指出，在一定的变形条件下，金属内的最大剪应力达到一定 值时开始发生塑性变形，而与所处的应力状态无关。该准则也被称为最大剪应 力理