（机械制造及其自动化专业论文）基于综合强度比的拼焊板冲压成形性能研究.pdf

摘要摘要拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k ，t w b ) 是将两块或两块以上平板料焊接成一块整体板，再经过落料、拉延、冲孔、整形等工序而形成冲压件，且其组成板料可以具有不同厚度、性能、材质和表面涂层，以满足不同部位零件的强度和刚度等性能要求。其优点在于：由于在冲压成形前已将各部件焊接在一起，焊接残余变形基本消除，可以提高部件整体精度和质量；改善部件局部抗冲击的能力；降低部件重量，使材料充分发挥其作用。然而，已有基础实验研究表明：由于拼焊板焊缝两侧母板材料( 母材) 板厚、材料性能等差异性，以及焊缝的存在，其成形性能较单一板有所下降，其成形过程中弱侧母材提前开裂与焊缝移动等问题也影响了拼焊板的成形能力。虽然目前对提高拼焊板成形能力以及控制焊缝移动等进行了大量的研究，并发现母材的板厚差异、材料性能差异等是影响拼焊板成形能力的重要因素，但对拼焊板冲压成形机理的研究还不够深入。本文立足拼焊板冲压成形过程中的科学问题母材之间的应力应变关系、强度比的动态变化规律及其对拼焊板成形性能的影响，采用理论分析、实验研究与数值模拟相结合的方法研究了影响拼焊板母材之间强度比的主要因素对其影响规律，以及它们对拼焊板冲压成形性能的影响。在分析拼焊板成形特征的基础上提出了三个基本理论假设，建立了其平面应力状态力学模型，根据金属板料塑性成形理论推导出拼焊板成形过程中强、弱母材实时应变状态相互依赖关系的隐式方程，结合塑性成形理论的三个关系式构建了拼焊板在平面应力状态下的本构关系方程。通过该本构关系，可实现对拼焊板母材应力、应变分布的定量描述和预测，为合理控制拼焊板冲压成形中出现的焊缝移动提供相关理论参考。采用实验和有限元仿真相结合的方法验证了该本构关系的可靠性。基于强度系数k 值与抗拉强度o 。和硬化指数r l 值之间的解析关系讨论了k 值与n 值和o 。在评价板料成形性能方面的内在矛盾统一性，并通过实验证明了解析关系的正确性及其工程适用性，为研究拼焊板母材强度系数k 值差异对其强度比以及拼焊板冲压成形性能的影响提供了理论依据。考虑到成形过程中母材板厚变化以及材料硬化能力随变形程度增大而改变会造成其成形能力差异的实时变化，提出了拼焊板综合强度比理论模型并建立摘要了其显式关系式用于分析母材成形能力差异的变化规律及其主要影响因素。基于对拼焊板平面应力状态本构关系和母材强度系数k 值的理论研究，探讨了母材初始板厚t 。和材料性能参数( k 值、n 值和厚向异性指数r 值) 等单一因素差异在三种典型变形状态下对拼焊板综合强度比的动态变化和弱侧母材应变路径的影响规律，揭示了拼焊板母材强度差异的变化规律及其影响因素，为进一步研究这些因素对拼焊板冲压成形性能的影响提供了理论参考。由于胀形是拼焊板冲压成形的典型方式之一，而且可以通过改变坯料的尺寸形状，获得拼焊板在不同变形状态下的极限成形高度和焊缝移动量。为研究母材初始板厚t 。和材料性能参数等单一因素差异对拼焊板冲压成形性能的影响规律，同时探讨成形性能与综合强度比之间的内在关系，建立了拼焊板胀形有限元模型。采用此模型研究了母材初始板厚t 。和材料性能参数等单一因素差异在三种典型变形状态下对拼焊板极限成形高度和焊缝移动量的影响规律，初步确立了这些因素对拼焊板成形能力的影响大小以及影响规律，并结合前面对拼焊板综合强度比动态变化的理论研究，探讨了综合强度比对拼焊板冲压成形性能的影响，为促进拼焊板成形技术实用化研究起到了积极作用。基于母材初始板厚t 。和材料性能参数等单一因素差异对拼焊板综合强度比及其冲压形性能影响规律的研究，深入探讨了不同初始板厚t 。差异下，母材单一材料性能参数差异在双向等拉变形状态中对拼焊板综合强度比的影响规律。固定拼焊板母材性能参数的情况下，从初始板厚比对拼焊板综合强度比及其极限成形高度的影响规律，以及它对拼焊板变形非均匀性的影响等三个方面研究了母材性能参数与其板厚的综合匹配关系。据此发现，母材初始板厚t 。与其性能参数的合理匹配能降低拼焊板综合强度比，减小其成形过程中的变形不均匀性，进而提高其冲压成形性能。这为合理的拼焊板零件设计和冲压工艺制定提供了一定的理论依据，为提高拼焊板制件的质量提供了有利的条件。关键词：拼焊板，本构关系，综合强度比，成形性能a b s t r a c ta b s t r a c tt a i l o r - w e l d e db l a n k ( t w b ) c o n s i s t so ft w oo rm o r eb a s em e t a ls h e e t sw e l d e dt o g e t h e ri n t oas i n g l ep l a t ep r i o rt of o r m i n ga n db e c o m e sas t a m p i n gp a r ta f t e rt h ef o l l o w e dp r o c e s s e sl i k eb l a n k i n g ，d r a w i n g , p u n c h i n ga n ds h a p i n g t h ed i f f e r e n c ei nt h eb a s em e t a l sw i t h i nat w bc a nb et h et h i c k n e s s ，g r a d eo rc o a t i n go ft h em a t e r i a l ，i no r d e rt os a t i s f yt h es t r e n g t ho rs t i f f n e s sr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tp a r t s t w bo f f e r ss e v e r a ln o t a b l eb e n e f i t s ，i n c l u d i n gi m p r o v e ds t r u c t u r ei n t e g r i t yp r e c i s i o na n dq u a l i t yw i t hb a s i c a l l ye l i m i n a t e dw e l d i n gr e s i d u a ld e f o r m a t i o nf o r t h ew e l d i n gp r o c e s sp r i o rt of o r m i n g , i m p r o v e dc a p a b i l i t yo fl o c a ls h o c kr e s i s t a n c e , d e c r e a s e dp a r tw e i g h ta n dt h u si n c r e a s e du t i l i z a t i o no fm a t e r i a l h o w e v e r , d u et og a u g eo rm a t e r i a ld i f f e r e n c eo fb a s em e t a l ，a n da l s ot h ee x i s t e n c eo ft h ew e l dl i n e , t w bh a sp o o r e rf o r m a b i l i t yt h a ni t sb a s em e t a l t h ea h e a dc r a c kp r o b l e mo ft h ew e a kb a s em e t a la n dm o v e m e n to ft h ew e l dl i n ei nt h ef o r m i n gp r o c e s sh a v ea l s oc a u s e dt h ep o o rf o r m i n gp e r f o r m a n c eo ft w b l o t so fr e s e a r c hh a sb e e nd o n ea b o u tt h ef o r m a b i l i t yi m p r o v e m e n ta n dt h ec o n t r o lo ft h ew e l dl i n em o v e m e n t , a n di th a sb e e nf o u n dt h a tt h eg a u g ea n dm a t e r i a ld i f f e r e n c e si nb a s em e t a la r ei m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h et w b sf o r m a b i l i t y h o w e v e r , t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo ft a i l o r - w e l d e db l a n kh a sn o tb e e ns t u d i e dd e e pe n o u g h t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es c i e n t i f i cp r o b l e md u r i n gt h ef o r m i n gp r o c e s so ft w b ，t h ed y n a m i cc h a n g el a wo fs t r e s so rs t r a i nr e l a t i o n s h i p ，t h es t r e n g t hr a t i oo fb a s em e t a la n di t si n f l u e n c eo nt w b sf o r m a b i l i t y t h ek e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t r e n g t hr a t i oo fb a s em e t a l ，i t si n f l u e n c i n gl a w sa n da l s oi t si m p a c to nf o r m a b i l i t yo ft w ba r es t u d i e db yt h ec o m b i n e dm e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h r e eb a s i ct h e o r e t i c a la s s u m p t i o n sa r ep u tf o r w a r db a s e do na n a l y s i so ft h ef o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft w ba n dt h em e c h a n i c a lm o d e li np l a n es t r e s ss t a t ei se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h ei m p l i c i te q u a t i o na b o u ti n t e r d e p e n d e n tr e l a t i o n s h i po fr e a l - 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t i m et h i c k n e s sa n dh a r d e n i n ga b i l i t yo fs h e e tm e t a l 嬲t h ed e f o r m a t i o nb e c o m e ss e v e r ew i l lc a u s et h er e a l t i m ec h a n g eo ft h ef o r m a b i l i t yd i f f e r e n c eo fb a s em e t a li nt h ef o r m i n gp r o c e s s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fi n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i oi sp r o p o s e d , a n di t se x p l i c i te x p r e s s i o nh a sb e e nu s e dt os t u d yt h ec h a n g el a wo ft h eb a s em e t a l sf o r m a b i l i t yd i f f e r e n c ea n di t sk e yi n f l u e n c i n gf a c t o r s o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so ft w bi np l a n es t r a i ns t a t ea n dt h es t r e n g t hc o e f f i c i e n t , ko fb a s em e t a l ，t h ee f f e c t so fs i n g l ef a c t o rd i f f e r e n c e ，l i k ei n i t i a lt h i c k n e s so fb a s em e t a l ，a n dm a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r s ( kr t , r ) ，o nd y n a m i cc h a n g el a wo ft h ei n t e g r a t e dd e f o r m a t i o nr a t i oa n ds t r a i np a t ho ft h ew e a kb a s em e t a la r es t u d i e di nt h r e et y p i c a lf o r m i n gs t a t e s ，w h i c hh a sp r o v i d e dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o rt h e f u r t h e rr e s e a r c ho ft h e i re f f e c t so nt h ef o r m a b i l i t yo ft w b a so n eo ft h et y p i c a lf o r m i n gm o d e so ft w b ，b u l g i n gc a no b t a i nf o r m i n gl i m i th e i g h ta n dw e l dl i n em o v e m e n ti nd i f f e r e n td e f o r m a t i o ns t a t ew i t hd i f f e r e n tb l a n ks h a p e s i nt h i sp a p e r , t os t u d yt h ei n f l u e n c i n gl a w so fs i n g l ef a c t o rd i f f e r e n c el i k ei n i t i a lb l a n kt h i c k n e s st oo rm a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so nf o r m a b i l i t ya n dt h ei n n e rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf o r m a b i l i t ya n di n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i o ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft w bb u l g i n gi se s t a b l i s h e da n dt h ee f f e c t so fs i n g l ef a c t o rd i f f e r e n c el i k em a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r sa n di n i t i a lb l a n kt h i c k n e s so ni n f l u e n c i n gl a wo fb u g l ei va b s t r a c tf o r m i n gl i m i ta n dw e l dl i n em o v e m e n ta r ea n a l y z e di nt h r e et y p i c a ld e f o r m a t i o ns t a t e sa n dt h ei n f l u e n c el e v e la n di n f l u e n c i n gl a w s o ft h e s ef a c t o r sh a v eb e e np r e l i m i n a r i l ye s t a b l i s h e d c o m b i n i n gt h ef o r m e rt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha b o u ti n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i o ，i t si n f l u e n c eo nf o r m a b i l i t yo ft w bh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，w h i c hp l a y sap o s i t i v er o l ei nt h es t u d yo np r a c t i c a l i t yo f t w bt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fs t u d yo nt h ee f f e c t so fs i n g l ef a c t o rd i f f e r e n c el i k ei n i t i a lb l a n kt h i c k n e s st oo rm a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so ni n f l u e n c i n gl a wo fi n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i oa n df o r m a b i l i t y , t h i sp a p e rt h o r o u g h l ya n a l y s e st h ei n f l u e n c i n gl a w so fs i n g l em a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e ro ni n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i od u r i n ge q u a lb i a x i a ls t r e t c h i n gd e f o r m a t i o ns t a t eo fw i t l ld i f f e r e n ti n i t i a lb l a n kt h i c k n e s sr a t i o t h ei n f l u e n c i n gl a w so fd i f f e r e n c eo fi n i t i a lb l a n kt h i c k n e s st oo ni n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i o ，f o r m i n gl i m i ta n da l s od e f o r m a t i o nn o n u n i f o r m i t yo ft w bw i t hf i x e dm a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r sa r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tr a t i o n a lm a t c h i n go fi n i t i a lb l a n kt h i c k n e s st oa n dm a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r sc a i ld e c r e a s et h ei n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i oa n dd e f o r m a t i o nn o n - u n i f o r m i t yo fn 糯，a n dt h u sc 觚i m p r o v ei t sf o r m a b i l i t yi nt w bs t a m p i n g t h i sc o u l dp r o v i d ec e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep a r td e s i g na n ds t a m p i n gp r o c e s sf o r m u l a t i o na n da l s op r o v i d ea d v a n t a g ef o rt h eq u a l i t yi m p r o v e m e n to f t w b k e yw o r d s ：t a i l o r - w e l d e db l a n kc o n s t i t u t i v em o d e li n t e g r a t e ds t r e n g t hr a t i of o r m a b i l i t yv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：n 彳、继劢。7 年岁月7 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：孙系组为吨年3 其7 日第1 章绪论。第1 章绪论1 1 引言随着社会的不断向前发展，能源、环保、安全性等方面也对汽车工业提出了的越来越高的要求，除了发动机性能和汽车车身空气动力学特性的改善外，节能、减重、降低排放和提高安全性已经成为现代汽车的重要发展方向【l 弓】。为了应对这种挑战，世界主要汽车大国都积极应对，如美国1 9 9 3 年9 月启动的新一代汽车伙伴项目( p n g v ) ，其目标是通过提高热效率、降低汽车重量和实现再生等技术战略开发出三倍燃料效率的先进轿车。此外，欧洲和日本也相继制定了自己的环境友好型汽车发展计划。在降低油耗、减少排放的诸多措施当中，减轻汽车重量已越来越得到汽车行业的重视【制，而实现该目标的重要手段之一就是在不损失车身结构强度的情况下实现其轻量化【5 9 】。围绕车身轻量化，国际钢铁协会成立了由1 8 个国家3 5 家钢铁公司组成的“超轻钢汽车车身”( u l s a b ，u l t r a l i g h ts t e e la u t ob o d y ) 项目组。项目的主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本【8 l 州3 1 。与u l s a b 相关的项目u l s a c ( u l t r al i g h ts t e e la u t oc l o s u r e ) 和u l s a s ( u l t r a l i g h ts t e e la u t os u s p e n s i o n ) 分别围绕车门等覆盖件与悬挂件开展轻量化项目研究。在以上开展的项目中，采用新材料以及新的成形方法( 如拼焊板成形、液压成形等) 是降低车身重量的重要途径【l 引。之后，u l s a b 项目组又提出u l s a b a v c ( u l t r a l i g h ts t e e la u t ob o d y - a d v a n c ev e h i c l ec o n c e p t ) 项目，目的是研究开发新一代钢铁材料汽车结构( 车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件) 来获得轻量化的潜能，在成形工艺方面，其中有3 0 以上的零部件采用拼焊板成形【l3 1 。由此可以看出，拼焊板成形是降低车身重量，实现汽车车身轻量化的重要手段之一。拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k ，t w b ) 成形是指在冲压成形前首先将不同厚度、不同材质或不同表面涂层的平板坯料焊接在一起，而后进行冲压成形的一种工型1 5 1 6 】。过去传统生产中是先将不同坯料冲压成若干零件后，再点焊或铆焊成一整体零件，这种情况容易产生焊接变形和焊接残余应力，产品整体刚度不好，质量难以保证。为了改善整体零件的质量和性能，人们曾采用整板成形法( o n e第1 章绪论一s h e e t f o r m i n g ) ，这种方式虽然能明显提高零件质量，但在设计过程中出于对零件某些局部的结构性能要求，整个部件都用同样高性能的材料，既是浪费，又增加重量，已基本不太适应时代的发展需要【1 7 】。若采用拼焊板成形技术，即先将各部分坯料进行拼焊后再进行整体冲压成形，则可避免上述问题，而且还可以提高产品的整体质量，目前已被证明是一种非常行之有效的成形方法【i k1 9 】o拼焊板的应用可以追溯到上世纪六十年代，日本本田汽车采用拼焊板成形其汽车侧板零件，但在其后的二十多年间该技术并没有得到足够的重视和推广。一直到八十年代中期，随着社会对节能、减少环境污染、驾驶安全等汽车性能和功能要求的越来越高，拼焊板因其诸多技术优势而在汽车行业逐渐得到了关注。在国外，德国大众汽车公司( v o l k s w a g e n ) 从1 9 8 5 年开始在其a u d i 车型上将拼焊板用于汽车前地板成形【2 0 j ，t h y s s e ns t a h l a g 公司此时也开始使用拼焊板成形轿车零件和卡车车头覆盖件；日本的本田( h o n d a ) 、日产( n i s s a n ) 、丰田( t o y o t a ) 等汽车公司开始将部分部件的生产采用拼焊板成形；美国通用汽车公司( g m ) 在部分c a d i l l a c 和中巴上用拼焊板做门内侧板和侧面板；瑞典v o l v o 汽车公司应用拼焊板成形零件也有十几年的历史。而在航空航天领域，拼焊板于九十年代开始逐渐在先进国家的飞机制造业中得到应用【7 ，2 l 】。在国内，部分汽车生产企业如上海大众、一汽大众、上海通用等公司近期也相继采用了拼焊板技术。长春一汽的a u d ia 6 前地板使用了从德国v o l k s w a g e n 原厂进口的拼焊板冲压成形件，目前已发展到了使用非均厚拼焊板和非均质拼焊板进行汽车零部件生产；上海大众公司的s a n t a n a 车前梁也使用了德国原厂进口的拼焊板冲压件，目的是增加载人部位的强度和刚度；上海通用的b u i c k 等车型的前门内板，广州本田的o d y s s e y 多功能轿车的前门内板等也使用了从国外进口的拼焊板进行冲压成形【2 2 】。目前使用拼焊板冲压件的厂家还有b w m 、c h r y s l e r 、d a e w o o 、f i a t 、f o r d ，h y u n d a i ，k i a ，m a z d a ，m e r c e d e s ，m i t s u b i s i ，p e u g e o t ，p o r s c h e ，r e n a u l t 、r o v e r 等公司【2 3 1 。拼焊板在汽车上的应用部件主要包括：前纵梁、立柱、顶盖加固板、行李箱盖、发动机隔梁、保险杠、地板、车轮罩、侧围骨架、后车门内板、前车门内板等【2 4 1 ，如图1 1 。2第1 章绪论a 柱b 柱顶盖加固板图1 1 拼焊板在车身零件上的典型应用由于温室气体排放对环境造成的不良影响日益严重，2 0 0 8 年7 月8 日举行的八国峰会上，八国集团( g 8 ) 国家一直认为，到2 0 5 0 年全球温室气体必须减排5 0 ，以缓解全球变暖。研究也表明，整车重量每降低1 0 ，能源消耗降低6 8 ，排放也同比例降低【25 。如何减轻车重，降低油耗从而减少尾气排放量己成为刻不容缓的问题。虽然电能和氢能汽车己出现在市场，但大量使用目前还不太可能。有益于环境的新技术如激光切割、激光焊接、拼焊板冲压成形和管板零件液压成形工艺目前得到空前的发展，而拼焊板的应用是其中一个重要方面【6 】o然而，拼焊板焊缝两边母材板厚、材料性能等差异性，以及焊缝的存在，使其成形性能与单一板有很大区别，成形过程中的弱侧母材提前开裂与焊缝移动等问题，影响了拼焊板的成形能力。但目前拼焊板研究多集中在对其冲压成形技术的研究上，而对其冲压成形机理的理论研究还比较少，对其冲压成形性能的研究也很不透彻，尤其在如何定量分析其冲压成形能力等方面做得不够多，其研究成果也不能对拼焊板的设计、制造起到基础性的指导作用。究其缘由，目前的研究多立足于拼焊板冲压成形是一个工程技术问题，将拼焊板的母板材料之间的强度比视为固定不变的，研究拼焊板的材料性能、板厚比、冲压成形参数等每个参数变量与成形性能之间的关系，对隐含在拼焊板冲压成形技术中的科学问题研究不够。因此，本文将从拼焊板母材强度之间的动态变化关系出发，重点研究初始板厚比、材料性能以及母板变形状态对其强度差异的影响规3第1 章绪论律，综合分析它们与冲压成形性能之间的关系，将为合理的拼焊板零件设计和冲压工艺制定提供一定的理论依据，并为提高拼焊板制件的质量提供有利的条件。这对于提高拼焊板车身零件的成形质量、实现汽车轻量化、节约能源和环境保护具有重要的战略意义及可持续发展意义。1 2 拼焊板国内外研究进展拼焊板已被广泛地应用在汽车车身覆盖件中，然而，拼焊板中母材板厚或强度差异等因素致使其成形性能下降，因此，国内外一些研究机构，如超轻钢汽车车身( u l s a b ) 项目组、美国西北大学、德国斯图加特大学、国内江苏大学等对拼焊板成形相关技术进行了研究，并取得一系列成果【1 9 , 2 6 - 3 5 】。1 2 1 成形性能影响因素研究作为一种结构材料( 两种或两种以上材料组合而成) ，拼焊板的成形性能与单一板材相比有很大不同，如母材板厚或材质不同引起坯料发生不均匀变形而使其成形能力下降，焊缝发生不均匀移动或扭曲使起皱条件改变等。因此，拼焊板成形性能的各种影响因素及其影响规律就成为拼焊板研究和应用的首要内容。目前关于拼焊板成形性能影响因素的研究主要集中在板料焊接、母材厚度或强度差异等几个方耐2 8 , 3 6 - 5 0 】。1 焊接影响板料焊接是拼焊板应用要解决的首要问题，也是影响其成形能力的重要因素。首先，焊接方式和参数影响拼焊板成形能 3 9 , 5 1 - 5 8 】。已有研究工作注重对比不同焊接方式、焊接参数对拼焊板成形性能的影响，如焊接方式采用激光焊还是采用滚压焊，激光焊的焊速和功率的优化值，滚压焊是否采用焊后冷辗或热辗，焊接各参数如何影响拼焊板成形性能。对激光焊和滚压焊两种不同焊接方式下的焊道性能测试发现：激光焊道硬度比母材高，而滚压焊道硬度与母材相近【5 9 1 。s h i 等人【2 0 】公布了激光焊和滚压焊的焊接参数( 如焊接电流、压力、材料搭边、辗压焊接功率、焊接速度等) 对拼焊板成形性能的影响规律。文献 6 0 】的研究表明：对于厚为1 5m m 板的激光拼焊，焊接速度由2 2 m m i n 提高为2 8 m m i n ，从而加快冷却速度，有利于焊缝生成细小的针状铁素体组织，可提高4第1 章绪论焊缝成形性能；对于厚为0 8m m 板进行激光拼焊，则生成晶粒细小且硬度较软的粒状贝氏体组织，焊缝成形性能接近母材。其次，焊接生成的焊缝及热影响区使拼焊板力学性能发生较大变化【6 m 3 1 。拼焊试样“等应变法”力学性能测定实验结果( 如表1 1 ) 表明：母材均采用钢板的拼焊板与单一钢板相比，强度系数增大，硬化指数减小。研究同时表明其屈服强度和抗拉强度增加，而延伸率则减小畔】。而对于铝合金这种轻质拼焊板来说，由于母材性能的特殊性，焊缝与热影响区发生软化现象，使得铝合金拼焊板的屈服强度较母材稍高，而抗拉强度和伸长率较低，同时其硬化指数和强度系数下降6 5 】。表1 1 单向拉伸试验结果数据m 1最后，焊缝及热影响区存在造成拼焊板沿焊缝不同方向的成形能力呈现差异性。在拉伸成形( s t r e t c hf o r m i n g ) 标准实验中，主应变方向与焊缝平行( 纵向变形) 时，焊缝强度是决定拼焊板成形能力的主要因素，变形失效形式是焊缝破裂；而当主应变方向与焊缝垂直( 横向变形) 时，拼焊板成形能力取决于性能较差的母材，相应的失效形式是弱侧母材破裂。为研究焊缝对拼焊板胀形成形能力的影响，s a u n d e r s 等人做了单一板和拼焊板的半球胀形对比实验，结果发现：同材等厚拼焊板纵向变形时的极限胀形高度较单一板下降了3 0 ；横向变形时的极限胀形高度下降较小，为1 0 左右忡】。2 母材厚度或强度差异影响不同厚度或强度板料焊接而成的拼焊板，其母材的厚度或强度差异对成形能力影响较大4 5 , 4 7 , 6 7 - 7 0 。对于同材差厚拼焊板，其极限成形高度较母材大幅降低，且随着板厚比增大，薄侧母材承受的应力、应变随之增大，破裂的危险性也相应增加，而厚侧母材的应力、应变却随之而减小，导致其成形能力得不到发挥。如图1 2 所示的差厚激光拼焊汽车门内板实冲零件，其母板厚度差使得成形过程中焊缝发生较5第1 章绪论太移动导致变形集中在薄板侧，破裂危险相应增加。这与该拼焊板零件的数值模拟结果致【”i 。霆图i2 激光拼焊板成形的汽车门内扳零f l ”拼焊板的伸k 类翻边成形能力，随其母材强度比或厚度比的增大而下降，并且这个比值超过某个极限变形丰要集中在较弱母材侧，而较强母材侧几乎币发生变形，其相应成形能力得不到发挥”。为此s h i 提出了极限厚度比和极限强度比的概念来防i h 性能较弱母材的应变超出失效极限值m 】。文献 7 2 1 x , 拼焊板汽车覆盖件的胀形成形特征深入研究后认为：拼焊板成形能力随板厚比增大而减弱的主要原因是扳厚差异影响变形的历史应变路径。板厚比越大，变形路径越偏向甲面应变状态，即拼焊板的成形能力越弱反之办然。故提出通过改变焊缝的形状来改变危险变形处的历史应变路径的新思路，并通过胀形实验验证了其正确性，有效提高了拼焊板的成形极限。3 其它园素除扳料焊接和拼焊板母材板厚或强度差异对其成形性能有重要影响外，焊缝初始布置、板料各向异性及其轧制方向也是其成形性能的影响因素唧，3 8 ，7 j i 。s h i 在研究r 焊缝位置对拼焊板横向成彤能力的影响后发现：弱侧母材占较大比例的情况下，焊缝离板抖中心越大，其成形性能越好，且成形性能越接近于弱侧母材；在焊缝处于板料中心或强侧母材占较大比例时，变形过程中会发生局部应力分布不均而导致弱侧母材破裂失效口。第1 章绪论文献 3 8 】的研究表明：拼焊板母材的各向异性对其极限拉深成形有很大影响。有限元分析结果发现各向同性母材拼焊而成的拼焊板拉深成形后，沿焊缝方向上的变薄量较各向异性母材拼焊板大。故选择轧制方向合理的拼焊母材来控制拼焊板的各向异性，能明显提高其成形能力。1 2 2 成形工艺研究对于不同厚度或强度母材组成的拼焊板，冲压过程中不可避免地存在焊缝移动【7 6 。8 1 1 。有学者认为拼焊板的成形性能主要取决于焊缝移动量【8 2 】。由于焊缝移动不但影响拼焊板母材的变形方式和主应变方向，而且会影响其破坏的位置，故拼焊板成形过程缺陷的发生直接或间接与焊缝移动相关。因此，汽车拼焊板零件的成形工艺研究大都从控制焊缝移动出发，增加厚侧或强侧母材在成形过程中的塑性流动量，从而提高拼焊板的整体成形能力。目前，工艺方面控制焊缝移动的方法主要有：改变压边圈形式、在拼焊板成形中设置拉延筋、合理布置焊缝初始位置、设计特殊装置控制焊缝在成形中的移动以及采用先进成形工艺。1 压边圈形式改进传统的刚性平压边圈因无法对拼焊板焊缝两侧母材单独施加压边力，故不能抑制拼焊板深拉深成形中因压边间隙过大而造成的薄侧母材起皱缺陷。而可变形压边圈虽然可以阻止薄侧母材起皱缺陷的发生，但由于其对厚侧母材和薄侧母材施加的压边力一致，致使较弱金属因变形量大而过早进入塑性失稳发生拉裂失效。针对上述问题，s ij u n h e 等人设计了自适应压边圈对拼焊板不同母材侧分别施加合适的压边力，达到控制焊缝移动的目的哺3 1 。