（材料加工工程专业论文）激光拼焊板冲压成形焊缝移植规律及成形性能研究.pdf

哈尔演理下人学t 学硕 ? 学f 江沦文 激光拼焊板冲压成形焊缝移动规律及成形性能研究 摘要 拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k s ，简称t w b s ) 是指将具有不同厚度、材 料性能或者表面涂层的板料，用焊接的方法拼焊在一起而组成的一种新型复 合板料，它可以满足零件的不同部位对板料不同使用性能的要求。而选择激 光焊接来生产拼焊板，是因为它具有焊接速度快、焊缝较窄、对基体金属的 损坏较小等优点。随着社会上对汽车的驾驶安全、节能和环保等方面的要求 越来越高，拼焊板技术得到了越来越多的重视。但是，由于拼焊板母材存在 机械性能和厚度上的差异以及焊缝的存在，使得它与传统光板相比，更容易 引发起皱、破裂和回弹等问题，并且还会产生焊缝的移动问题，因此研究拼 焊板的冲压成形性能有着十分重要的意义。 本文针对典型的激光拼焊板方盒件，应用有限元分析软件d y n a f o r m 进行数值模拟研究。在对激光拼焊板板坯进行建模时，选择采用刚性连接来 对焊缝建模，而忽略焊缝的类型和热影响区的特性，这样不仅能够准确的模 拟激光拼焊板零件实际的冲压成形过程，并且处理相对简单。研究发现，方 盒件焊缝的移动规律为：底部的焊缝，整体上是向厚板侧偏移；而在侧壁和 法兰部位，焊缝则逐渐转变为向薄板侧偏移，且越靠近零件的外边沿，焊缝 的偏移量就越大。增大拼焊板板坯厚板侧所占的比例、采用分瓣压边圈、对 焊缝施加约束、设置拉深筋等方法，能够有效地抑制焊缝的移动问题。 通过对某型轿车激光拼焊板中立柱，进行冲压成形性能研究，分析了创 建冲压模具型面的一般步骤及注意事项，预测到了该零件在冲压成形过程中 容易发生的缺陷问题。详细介绍了拉深筋的设置方法及原则，并通过设置合 适的拉深筋，使轿车中立柱零件的冲压成形结果得到改善。最后，通过实际 零件的成形加工实验，验证了有限元数值模拟结果的准确性。 关键词数值模拟；冲压成形；焊缝；拉深筋；成形极限 喻尔演理t 人学t 学硕l ! 学位论文 el a wo f ，e l dm o v e m e n ta n df o r m m g p r o p e r t i e s i nt h ed r a w i n gp r o c e s so fl a s e rt a i l o r - w e l d b l a n k s a b s t r a c t t a i l o r - w e l d e db l a n k s ( t w b s ) i san e w c o m p o s i t es h e e tc o m p o s e do ft w oo r m o r es h e e t sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s ，m a t e r i a lp r o p e r t i e so rs u r f a c ec o a t i n g sb y t h ew a yo f w e l d i n g i tc a ns a t i s f yt h ed i f f e r e n ts e r v i c ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o ft h ed i f f e r e n tp a n s l a s e rw e l d i n gi sc h o s e nt op r o d u c et w b s ，b e c a u s et h e l a s e rw e l d i n gs p e e di sq u i c k ，t h ew e l di sn a r r o wa n dt h ed a m a g et ob a s em e t a li s s m a l l w i t ht h er e q u i r e m e n t so fa u t o m o b i l ed r i v i n gs a f e t y , e n e r g yc o n s e r v a t i o n a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r ei n c r e a s i n gi nt h es o c i e t y , m o r ea n dm o r e a t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do nt h et e c h n o l o g yo ft w b s b u tt h eb a s em e t a lo f t w b si sd i f f e r e n ti nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h i c k n e s s ，a n di th a sw e l d ，s ot h e t w b si sm o r ee a s i l yt ow r i n k l e ，r u p t u r ea n ds p r i n g b a c k ，a n dt h e r ei sa l s ot h e w e l dm o v e m e n tp r o b l e mc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls h e e t s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t or e s e a r c ht h es t a m p i n gp r o p e r t i e so ft w b s a c c o r d i n gt ot h et y p i c a ls q u a r eb o xo fl a s e rt w b s ，t h i sa r t i c l eh a sd o n e s o m en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c hb yu s i n go ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ed y n a f o r m a tt h et i m eo fl a s e rt w b ss h e e tm o d e l i n g ，s e l e c tr i g i d c o n n e c t i o nt om o d e lw e l d ，n e g l e c tt h ew e l dt y p ea n dt h ep r o p e r t yo fh e a ta f f e c t e d z o n e ( h a z ) ，i tc a nn o to n l ys i m u l a t et h ep r a c t i c a ls t a m p i n gp r o c e s so fl a s e r t w b sp a n sa c c u r a t e l yb yt h i sw a y , b u tt h et r e a t m e n ti sa l s or e l a t i v e l ys i m p l e s t u d yf o u n dt h a tt h ew e l dm o v e m e n t1 a w so fs q u a r eb o xa r ea sf o l l o w s ：t h ew e l d o ft h eb o xb o t t o mi n t e g r a l l yo f f s e t st ot h et h i c ks h e e t ，t h ew e l do fs i d e w a l la n d f l a n g eg r a d u a l l yo f f s e t st ot h et h i ns h e e t ，t h ec l o s e rt ot h eo u t e re d g et h eg r e a t e r o f f s e to ft h ew e l d i n c r e a s i n gt h ep r o p o r t i o no ft h i c ks h e e to ft h et w b s ，u s i n g s p l i tb l a n kh o l d e r , i m p o s i n gc o n s t r a i n to nt h e , r e i da n ds e t t i n gd r a wb e a d sc a n r e s t r a i nt h em o v e m e n to f w e l de f f e c t i v e l y - l i - 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学化论文 d os o m er e s e a r c h e so nt h es t a m p i n gp r o p e r t i e so ft h el a s e rt w b sc e n t e r p i l l a ro fac a r , a n a l y z et h eu s u a ls t e p sa n ds o m ea t t e n t i o n so fe s t a b l i s h i n gt h e s t a m p i n gd i es u r f a c e ，a n dh a v ep r e d i c t e dt h ed e f e c t sw h i c he a s i l yc o m eo u to ft h e s t a m p i n gp r o c e s s d e s c r i b et h em e t h o d sa n dp r i n c i p l e so fs e t t i n gd r a wb e a d si n d e t a i l ，a n dt h r o u g hs e t t i n gt h es u i t a b l ed r a wb e a d s ，t h es t a m p i n gr e s u l to ft h ep a r t h a si m p r o v e d a tl a s t ，v e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l tb y t h ew a yo f p r o d u c i n gt h ea c t u a lp a r ti nf a c t o r y k e y w o r d sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t a m p i n g ，w e l d ，d r a wb e a d ，f l d i i r - 哈尔滨瑚t 人学t 学硕i j 学位论史 1 1 前言 第l 章绪论 目前对于汽车行业来说，有一个比较大的目标，就是通过应用一些新的技 术和新的材料来达到减轻汽车车身质量的目的，以减少尾气的排放和降低能源 的消槲1 1 。关于这方面，有人做了研究，每减少5 0 k g 汽车的质量，每升燃油所 行驶的距离就可以增加2 k m ，也就是说，每减轻1 汽车的质量，燃油的消耗 量就下降0 缸1 o 【2 3 1 。拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k s ，简称t w b s ) 成形技术 就是一种能有效的减轻汽车车身质量的方法，该技术是通过优化产品部件的结 构来减轻整块拼焊板的质量，进而达到减轻汽车车身的质量和降低燃油的消耗 的目的，这一点对于我们所处的节能环保时代，是十分重要的 4 】。 拼焊板成形技术，是指先将两块或两块以上的板料用焊接的方法拼焊在一 起，然后再进行冲压成形，这些板料可以具有不同的厚度、材料性能和表面涂 层，通常采用的焊接方式有激光焊、离子束焊、感应焊和滚压焊等。目前，拼 焊板已经广泛的应用于汽车制造业中1 5 。7 】，其成形工艺过程，如图l 一1 所示。 一日一 a ) 落料b ) 焊接c ) 冲压 图1 - 1 拼焊板冲压成形i ：艺过程示意图 f i g 1 - 1s t a m p i n gp r o c e s ss c h e m a t i cd i a g r a mo ft a i l o r - w e l d e db l a n k s 在汽车覆盖件成形中，应用拼焊板冲压成形技术的优势如下：提高零件的 强度、精度和安全性；减少零件的数量，降低生产成本；减轻汽车的质量和减 少能源消耗；提高抗腐蚀性能【8 1 。 1 2 拼焊板的应用现状及存在的问题 从上世纪6 0 年代开始，在日本的本田汽车公司，拼焊板技术就得到了应 用，当时的主要目的是利用边角料做车身内侧板。到7 0 年代中期，美国的福 特汽车公司，开始采用激光焊接技术对车身钢板进行拼焊，但是并未商业化。 1 1 w - 。b 滨理t 人学t 学硕一j j 学位论文 发魂争。娄纩；鋈誊蹶i，i爹i二。，f。制敏 体趋 、一5 幽穆 图i - 2 拼焊板在汽车车身零部件中的应用 f i g 1 - 2a p p l i c a t i o n so ft a i l o r - w e l d e db l a n k so na u t o m o b i l eb o d yc o v e rp a n e l 目前，拼焊板的应用不止局限于汽车领域中，在其它行业中的应用也在快 速的拓展中，因此对拼焊板成形问题的研究显得极其重要，拼焊板在成形过程 中主要存在以下几个方面的问题： 1 焊缝移动产生焊缝移动问题的原因是，焊缝两侧基体金属存在负载能 力上的差异，这就导致拼焊板在成形过程中发生不均匀变形【 l 2 1 。 2 起皱由于拼焊板板坯存在厚度上的差异，在冲压成形过程中又存在焊 缝的移动问题，拼焊板的焊缝与压边圈之问不可避免的要出现一定的空隙，这 样就有一部分薄板侧的板料不能充分受压，进而产生起皱现象 1 3 - 1 5 j 。 3 成形性能下降材料经过焊接的方法拼接在一起，焊缝处的材料性质会 发生改变，进而影响拼焊板板料的成形性能。另外，由于拼焊板存在材料性能 或厚度上的差异，在成形时容易产生不均匀变形现象，应变较易在薄( 弱) 板 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学化论文 一侧集中，造成薄( 弱) 板一侧因发生过大变形而破裂，而厚( 强) 板一侧则 无法充分的发生变形 1 6 1 7 】。 1 3 对拼焊板的研究现状 在拼焊板汽车零部件中，焊缝移动是比较常见的一种缺陷问题，对于这个 问题，国内外都做了大量的研究工作。韩国成均馆大学针对深拉深工艺过程， 用数值模拟和试验相结合的方法对激光拼焊板成形过程中焊缝的移动问题做了 深入探讨。上海交通大学针对拼焊板焊缝移动规律，进行数值模拟研究，分析 了在成形过程中拉深筋和焊缝位置对拼焊板焊缝移动的影响。内蒙古工业大学 的朱宝泉等人，重点研究了拼焊板方盒件焊缝的移动规律。不过，拼焊板的成 形比较复杂，以上的研究都具有局限性，对于拼焊板焊缝的移动问题的研究， 还有待于进行深入的探讨。 一般情况下，拼焊板的成形极限跟母材相比，下降幅度在5 0 以上，彭颖 红等人设计了l o o m m 直径的半球形拱顶拉伸试验和单向拉伸试验，评价拼焊 板的拉延成形性能，认为拼焊板的成形能力主要受板材厚度差、焊缝位置、保 护气体、板材表面质量等四种焊接参数的影响【1 8 l 。姜银方等人针对标准尺寸零 件和小尺寸零件，研究如何实现拼焊板最佳成形结果的技术问题，发现焊缝位 置和焊缝两侧板料的强度比对焊缝移动距离的影响比较大，而焊缝宽度以及焊 接方式对其影响不是很大【1 9 l 。童隆长等人通过实验，发现焊缝的移动距离决定 了拼焊板的成形性能，因为焊缝的移动严重影响了板料的变形方式、应力应变 和破裂的位置，而母材性能和边界约束力又决定了焊缝的移动情况，通过计算 作用于母材上的力，就能够得出作用于焊缝上的力1 2 们。 1 4 差厚拼焊板冲压成形的分析方法 在汽车行业中，差厚拼焊板得到了越来越广泛的应用，因为差厚拼焊板在 成形过程中的变形特点和变形行为不同于单一厚度的板料，所以在进行成形分 析时，采用经典理论有时会行不通。目前，对差厚拼焊板冲压成形过程的分 析，主要采用以下两种方法： 1 实验研究和理论分析相结合的方法，先做大量的实验研究，然后总结出 在拼焊板成形过程中的参数设置规律和成形发展趋势。 2 有限元数值模拟仿真的方法。 以上两种方法，各有优缺点，适用于不同的场合。一般情况下，在钢铁企 哈尔f y , n 丁人! 学t 学硕 ：学位论义 业生产钢板时，如果需要成形参数， 力应变关系、优化工艺和模具结构、 限元数值模拟 2 1 - 2 3 】。 就采用第一种方法。如果要深入地揭示应 以及定量地研究成形规律，这就要进行有 在各种数值模拟分析方法中，最具有生命力且应用最广泛的一种方法就是 有限元法。近三十年来，人们在有限元理论、接触模型、材料本构关系、单元 类型和算法上进行了许多研究，使有限元法在会属成形分析中的应用范围越来 越广。在8 0 年代，它还只限于解决轴对称问题和平面问题；到9 0 年代术，已 经能解决较复杂的三维问题；目前，通过不断地提高计算精度和计算效率，有 限元法开启了实用化发展的道路。 有限元法的基本原理，是将待求解未知场变量划分为若干个单元，单元之 间通过节点连接在一起，每个单元内的场变量通过插值函数，由节点值来表 示，单元之间的作用力就通过一系列的节点来传递，再通过能量泛函的变分原 理和虚功原理就可以建立单元的刚度方程和运动方程，然后对各单元进行集 成，就能够得到问题的整体刚度方程和运动方程，最后通过数值求解，就能够 得到基本未知量的节点值，进而就可以得到其他场变量的值【2 4 1 。 1 5 对拼焊板的有限元数值模拟研究 对于模具设计人员来说，在模具的设计阶段对零件进行冲压成形性能评 估，是不能够缺少的步骤。随着计算机技术的应用和发展，以及有限元数值模 拟技术的日渐成熟，应用板料冲压成形数值模拟技术进行板料成形性能试验， 不但可以得出准确的结果，而且还可以节省时间和经费。为此，研究人员在研 究拼焊板成形性能时，越来越多地采用了有限元数值模拟分析的方法【2 5 1 。 关于拼焊板冲压成形有限元数值模拟模型的建立，通常有两种方法：一 是，建立精确的焊缝模型，即充分考虑焊缝的类型，主要包括焊缝的形状和尺 寸、焊缝和h a z 区( 热影响区) 处马氏体的含量等方面。如采用这种方法， 就需要在焊缝附近区域划分密集的有限元网格。二是，只考虑焊缝的位置，忽 略焊缝的类型，即将焊缝和h a z 区用一排粗网格表示，或者干脆忽略。 对焊缝区域的有限元数值模拟，主要有三种单元模型：用梁单元对焊缝区 域建模；用壳单元对焊缝区域建模；在薄板与厚板的相邻节点之间，采用一系 列的刚性连接( 焊点) 来建模。基于这三种模型，许多学者用有限元数值模拟 分析的方法，研究了拼焊板的成形问题【2 6 j 。 n a k a g a w a 、1 w a t a 等人分析了类似拉深类翻边成形的几何零件，所采用的 哈尔演理丁人学t 学硕l ：学f t 论文 模型，考虑到了压边圈的初始压强分布和板料的面内各向异性等情况，准确地 预测了焊缝位置的不同对失稳形式的影响。k m z h a o 等人主要从计算效率和 计算精度出发，比较分析各种有限元模型，建议采用忽略h a z 区的三维壳单 元模型，对拼焊板的成形过程进行有限元数值模拟。u l r i c hd r a u g e l a t e s 等人采 用有限元数值模拟分析的方法，对板料的拉深成彤过程进行分析，发现设定恰 当的边界条件和输入完善的材料性能参数对模拟精度的影响比较大。 要确定比电阻焊拼焊板更窄的激光拼焊板的焊缝的应力和应变关系， s a u n d e r s 等人假设基体金属和焊缝处金属的应变相等，焊缝的宽度为i m m ，采 用硬化准则确定基体金属所承受的载荷，进而得到焊缝处金属所承受的载荷。 焊缝处金属材料遵循v o i e c 硬化准则，即= 仃删i l 一彳e x p l - b e i ，其中，a 和 b 表示曲线的拟合参数，为饱和应力值，通过此关系式，就可以通过拉伸 试验得出焊缝处会属的材料性能参数【2 兀。 1 6 课题的研究意义和研究内容 对拼焊板的冲压成形规律进行研究，在实际生产中的意义是：指导选材， 根据不同冲压件的不同工艺要求和成形特点，选择合适的材料类型；判断分析 在实际生产中出现的，与拼焊板成形性能参数等相关的质量问题，并找出解决 问题的方法；用比较简单的方法，准确地找出拼焊板与某种冲压工艺的适应情 况，保证冲压件生产的j 下常持续进行；针对各拼焊板零件，建立冲压生产工艺 数据库，此数据库应包含各个拼焊板零件冲压成形的工艺要求、成形特点和相 应的材料信息，用于指导汽车企业的冲压零件的生产。 本文通过理论和实验相结合的方法，研究激光拼焊板冲压成形过程中的焊 缝移动规律和冲压成形性能，具体研究内容如下： 1 激光拼焊板冲压成形理论分析研究，主要涉及激光拼焊板焊缝处的机械 特性以及影响激光拼焊板冲压成形性能的几种参数； 2 针对激光拼焊板方盒件，建立有限元数值模型，运用数值模拟仿真分析 的方法，研究激光拼焊板的冲压成形性能，以及拼焊板方盒件的焊缝移动规 律，并总结控制拼焊板焊缝移动的措施； 3 针对某轿车侧围激光拼焊板中立柱零件，通过数值模拟和实验相结合的 方法研究其成形性能，主要分析如何布置合适的拉深筋，能使其成形结果得到 改善。 哈尔滨理t 人学t 学颅l j 学位论文 第2 章激光拼焊板冲压成形基础理论研究 汽车车身各零部件的形状和受力都是不一样的，对其在刚度、强度和塑性 变形上的要求也各不相同，所以要根据各零部件的不同来选择合适的冲压成形 工艺。采用激光拼焊板可以按照汽车不同部位的性能对应采用不同的材料，从 而使汽车零部件更好地发挥作用。 2 1 激光拼焊板焊缝处的机械性能 激光拼焊板焊缝区域的硬度会因焊接后急剧冷却而发生变化，这与拼焊板 母材的强度和含碳量是相关的。研究表明，拼焊板焊缝区域的硬度是随着母材 含碳量的增加而增加的，含碳量较低的钢板的焊接性能较好，当含碳量超过 o 3 时，焊接的难度增加，而且产生冷裂纹的概率也会增加，这就增大了材料 在低温和疲劳情况下的脆断倾向性。根据国际焊接协会推导出的公式f 2 8 , 2 9 1 ，低 合金钢( 含合金元素少于5 ) 焊缝处的含碳量c 舶近似为： c 叼= c + a 办z 6 + ( i 毋+ 如+ y ) 5 + ( m + c k ) 1 5 ( 2 - 1 ) 将不同的钢板拼焊在一起后，再按照要求分别做成标准的拉伸和胀形试 样，进行材料性能测试试验。结果显示，焊缝区域的硬度很明显的比母材的 高，且其抗拉强度和屈服强度都有所增加，但其延伸率和硬化指数则有所降 低。通常情况下，高强钢板在拼焊后其延展性降低的要更多一些，导致其冲压 成形性能非常低【3 0 3 t 1 。 2 2 激光拼焊板的冲压成形性能 2 2 1 抗破裂性能 实际的汽车车身拼焊板零部件在冲压成形时，多在焊缝和低强度母材一侧 发生破裂，如图2 1 所示。关于破裂的种类，可以总结为以下几种情况 3 2 3 3 】： 1 a 破裂这种破裂的产生主要是由于板料所受到的拉应力过大，超过了 材料的强度极限，如图2 1 ( a ) 所示，就是因为焊缝附近区域塑性降低而产生的 q 破裂。 2 b 破裂当板料的伸长类变形过大，超过了板料的局部延伸率时，就会 哈尔滨理t 人学t 学硕j ：学位论文 发生p 破裂。如图2 一l ( b ) 所示，因为拼焊板的二基板强度差别较大，在成形过 程中，变形容易集中在强度较弱的一侧基板上，从而导致焊缝和低强度母材基 板的相邻处发生破裂。 皇：。藏露 a ) 胀形时焊缝处破裂b ) 低强度母材侧破裂c ) 弯曲时焊缝处破裂 幽2 1 汽下车身零部件成形时的破裂示例图 f i g 2 1r u p t u r ed i a g r a m so f a u t o m o b i l eb o d yp a r t s 3 弯曲破裂弯曲破裂是弯曲变形区的外层材料所受的拉应力过大而引起 的破裂，如图2 1 ( c ) 所示，在弯曲变形过程中，当弯曲圆角半径比较小时，焊 缝附近区域因外层受拉而容易发生开裂。 2 2 2 拼焊板冲压成形的起皱和破裂问题 板料先经过裁剪，再用激光焊接的方法拼焊在一起而组成激光拼焊板，因 此普通激光拼焊板由三部分组成：母材、热影响区和焊缝区，如图2 2 所示。 激光拼焊板的这种特点，使得其冲压成形性能不同于单种板坯，更容易产生起 皱和破裂等缺附3 4 1 。 ， 执彤响| 1 父： 母材母材二 焊缝 图2 2 激光拼焊板的组成示意图 f i g 2 2c o m p o s i t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo ft a i l o r - w e l d e db l a n k s 基本上所有的板材冲压件，在成形过程中都要面对起皱问题，由于拼焊板 的特殊特点，在对这个问题进行研究时，要区别于单一金属板材的情况。对于 哈尔滨胖t 人学丁学硕l j 学位论义 形状复杂的冲压零件，在拉深成形过程中，由于在与焊缝相垂直的方向上要承 受交替作用的压应力和拉应力，在低强度一侧母材上就容易产生变形集中，导 致在这个部位发生起皱现象。任何起皱现象在发生和发展的过程中，在与皱纹 长度方向相垂直的方向上必然的存在压应力的作用，因此临界压应力是预测和 防止起皱问题发生的一个重要因素。 在板材冲压成形工艺中的另外一种常见缺陷就是破裂，当在成形过程中板 料所受到的拉应力超过了材料的强度极限时，就会引发破裂而形成裂纹。根据 破裂程度的不同，破裂可以分为宏观破裂与微观破裂。在拉深成形过程中，零 件凸缘区材料的基本变形一般为压缩变形，所以对于金属材料，凸缘区一般不 会发生破裂问题；而由于凸模圆角区和侧壁的材料一般受拉应力的作用，因此 这些部位发生破裂的可能性比较大。对于不同的应力和变形条件来说，所形成 的裂纹的形式也不尽相同，比较常见的破裂情况有：壁裂、底裂和拉深筋破裂 等，如图2 3 所示，为盒形件拉深成形过程中的常见破裂情况。对于纯弯曲零 件来说，破裂比较容易避免，因为可以准确地计算出弯曲变形区所受的最大拉 应变。 a ) 底裂b ) v 形壁裂c ) 横向壁裂d ) 拉深筋破裂 图2 3 盒形件在拉深成形过程中常见的破裂情况 f i g 2 3c o m m o nr u p t u r e so f r e c t a n g u l a rb o xi ns t a m p i n g 2 3 影响激光拼焊板成形性能的参数 影响激光拼焊板冲压成形性能的参数，主要有：母材的不同匹配方式、压 边力大小、焊缝位置和拉深筋等。 2 3 1 母材的不同匹配方式 一般来说，拼焊板母材的匹配方式主要有三种：相同材料不同厚度板料的 匹配；不同材料相同厚度板料的匹配：不同材料不同厚度板料的匹配。其中， 板材厚度的不同对激光拼焊板冲压成形性能的影响是： 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 1 - 对于材料和板厚都相同的拼焊板，焊缝附近界面容易发生失效情况，出 现的裂纹一般与主应变方向相垂直，这都与焊缝附近区域的延伸率下降密切相 关。与单一板材相比，母材的强度和厚度都相同的激光拼焊板，在平行于焊缝 的主应变方向，最大成形高度大概下降3 0 ；而在垂直于焊缝的主应变方向， 最大成形高度大概下降10 1 35 1 。 2 厚度不同材料相同的激光拼焊板与基体母材相比，其极限拱顶高大概下 降4 3 。造成这种变化的主因是，在成形过程中，焊缝与厚板侧发生局部畸变 而引发的诱导变形，这种现象可以用拱顶部位的工程应变分布图来进行分析说 明，在焊缝两侧材料的主应变方向在这时也发生了变化。拉深类翻边零件成形 性能和最大成形高度等是跟拼焊板母材的厚度比值相关的，基本上是随着比值 的降低而增大，当比值超过极限值时，厚板侧将不再发生变形。当拉伸方向跟 焊缝垂直时，焊缝离板料的中心位置越远，成形极限高度就越大，在焊缝接近 冲头时，其成形极限高度开始下降。这种变化的趋势是：当薄板占较大比例 时，拼焊板的成形性能会跟母材越来越接近；而当厚板侧所占的比例较大时， 在变形的过程中，就会因局部的应力分布不均而产生失稳或者是破裂。 3 对于厚度不同的激光拼焊板来说，当焊缝跟主应变的方向平行时，由于 焊缝附近区域的韧性比较差，所以焊缝处经常出项裂纹；而当焊缝跟主应变的 方向垂直时，由于厚薄两侧基体母材的承载能力不同，致使在冲压成形过程 中，焊缝两侧板料的变形和材料的流动不均衡，这就产生了焊缝移动问题，从 而也加剧了薄侧板料的应力应变集中，因此薄板侧会首先发生破裂，从而整块 拼焊板的成形性能降低【3 6 1 。 2 3 2 压边力大小 在激光拼焊板冲压成形过程中，衡量拼焊板零件成形质量的一个非常重要 的标准就是焊缝移动，而压边力的大小又是控制焊缝移动问题的十分重要的工 艺参数。压边力的大小与冲压工件的起皱和破裂等缺陷问题密切相关，由于板 料性能和和板料厚度的不同，当施加较小的压边力时，工件容易产生起皱，同 时焊缝的移动距离也会增加；当压边力太大时，虽然有利于控制焊缝的移动问 题，但是工件也容易被拉裂。另外，在板料上施加不同大小的压边力，对焊缝 移动距离的控制是不一样的，所以要根据板料性能、零件规格和成形特点等因 素选择合适的压边装置，以产生足够的摩擦阻力，进而控制材料流动和增加板 料所受的拉应力，达到控制焊缝移动的目的，以使其成形向着有利的方向发 哈尔演理t 人学t 学硕l j ! 学位论文 展。针对拼焊板的特殊特点，在成形过程中，一般采用分瓣压边方式对板料进 行压边，确定了准确的压边力大小也可以指导对成形设备的选择。 2 3 3 焊缝位置 激光拼焊板冲压成形技术是指将不同厚度和强度的板料通过激光焊接的方 式拼接在一起之后再进行冲压成形，从而满足零件不同部位不同的性能要求， 但这也给激光拼焊板的冲压成形带来了困难【3 7 1 。这种成形上的困难，主要反映 在焊缝两侧板料变形的不协调和不均匀上，进而会导致成形过程中焊缝的移动 问题，而焊缝移动又关乎成形零件的质量，还有可能导致成形不能顺利的进 行。研究表明，焊缝所处的不同位冕影响焊缝的移动情况，研究激光拼焊板在 成形过程中焊缝的移动规律，并减少不均匀变形的发生，是提高激光拼焊板零 件冲压成形质量的关键所在。 2 3 4 拉深筋 在激光拼焊板的冲压成形过程中，拉深筋的地位是非常重要的。因为拼焊 板板坯的冲压成形需要受到沿板坯周边分布的拉应力的作用，这种拉应力主要 由三部分组成，即压料面的作用力、法兰部分毛坯的变形抗力和来自冲压设备 的作用力。其中，压料面所产生的作用力只靠压边力的作用是不够的，而需要 在凹模和压料面上设置能产生较大阻力的拉深筋，来达到板坯塑性变形的条 件。拉深筋还可以较灵活地控制板坯的变形区的分布和变形程度，抑制起皱、 破裂、拉延不充分等多种常见的冲压缺陷问题的产生。从某种程度上说，对拉 深筋设置的合理与否直接决定着激光拼焊板冲压成形的成败【3 8 1 。因此，激光拼 焊板零件冲压模具设计的重要内容之一，就是对拉深筋的设计，在设计冲压工 艺时，必须考虑采用何种形式的拉深筋以及怎么去布置拉深筋。 2 4 本章小结 本章从理论分析的角度，主要研究了激光拼焊板焊缝处机械性能、以及激 光拼焊板的冲压成形性能和影响其冲压成形性能的主要参数，通过对激光拼焊 板的这些特性进行研究分析，为深入的研究其冲压成形规律提供了依据。 哈尔滨理t 人学t 学f 颐i j 学位论文 第3 章激光拼焊板方盒件焊缝移动规律 为了研究激光拼焊板的冲压成形规律，本文选用了较为典型的非轴对称零 件方盒件，运用d y n a f o r m 软件，进行冲压成形有限元数值模拟研究。 因为方盒形件是最具代表性的一类冲压件，它的几何形状比较规则，应用很广 泛。另外，方盒件也是金属板材冲压件中比较不容易成形的零件，而拼焊板方 盒件由于含有圆角区和直边区，所以在变形区内其各处板坯的变形程度是不均 匀的，又由于其板坯中存在焊缝，从而又加剧了这种变形的不均匀性。总之， 对拼焊板方盒件的冲压成形规律展开研究，对以后研究复杂的拼焊板冲压件有 很强的指导意义。 3 1 有限元数值模拟分析软件 金属板材成形c a e 分析技术发展至今，已取得了巨大的发展，涌现出了许 多的c a e 分析软件，目前比较常用的有d y n a f o r m 、d e f o r m 、l s d y n a 、p a m 、a u t o f o r m 、s h e e t f o r m 等。作为板材冲压成形专用的 c a e 分析软件，d y n a f o r m 无论在操作性，还是f j 、后处理和准确度上都表 现出了巨大的优势，因此本文选用d y n a f o r m 软件来进行有限元数值模拟， 分析激光拼焊板的冲压成形过程。 d y n a f o r m 软件是由美国的e t a 公司研制的基于求解器l s d y n a 的板 材冲压成形有限元分析软件，它把l s n i k e 3 d 和l s d y n a 的强大的求解计 算分析功能跟e t a f e m b 的强大的前处理功能完美的结合起来了。该软件用 于求解计算的两个求解器l s - n i k e 3 d 和l s d y n a ，是通用的非线性动态有 限元分析程序，它们分别运用隐式和显式计算分析方法来解决流体和结构问 题，已经被广泛地运用到了板材冲压成形数值模拟中【3 9 1 。 d y n a f o r m 软件既能分析拉深、弯曲、翻边和切边等单个的板材冲压成 形工序，也能进行多工步的成形分析。通过定义工具和冲压工艺参数，再经过 求解器的分析计算，就可以非常直观地预测板坯的成形状态，主要包括起皱、 拉裂、减薄、回弹和应力集中等各种缺陷问题。同时，工程设计人员也可以对 冲压力、模具磨损、拉深筋等多种工艺问题进行预测分析，从而达到优化模具 设计和优化工艺方案的目的。 d y n a f o r m 软件涉及的主要技术内容有：板材冲压成形有限元数值模拟 哈尔演理t 人学t 学硕i ：学位论文 的一般过程；动力显式算法基本原理；材料的屈服准则和本构理论模型；多工 步成形有限元数值模拟技术；网格细划分和自适应技术；接触算法；c a d 绘 图软件和c a e 有限元分析软件接口之间的数据转换技术等。 应用d y n a f o r m 软件进行金属板材冲压成形有限元数值模拟的流程图， 如图3 1 所示。 由c a d 绘图软件导入i g s 格式的零件儿何模 型或由d y n a f o r m 软什直接创建零件模型 j r i 生成各冲压。i ：具和板坯的剪限元模型并进行模型检查 上 定义各冲压上具并赋予其相应的接触和运动参 数，定义板坯并赋予其相应的材料性能参数 上 i ：具定位和冲压成形过科动画预览 上 提交求解器l s d y n a ，进行求解计算 上 在后处理界面中分析求解计算的结果 图3 1 利用d y n a f o r m 软件模拟板材冲压成形的步骤 f i g 3 1s i m u l a t i o ns t e p si ns h e e tm e t a ls t a m p i n gu s i n gd y n a f o r m 3 2 拼焊板方盒件有限元数值模拟模型 3 2 1 拼焊板方盒件和模具仿真模型 本文所设计的方盒件的形状和尺寸，如图3 2 所示，图中所有尺寸的单位 都是m m 。 根据图3 2 中的尺寸，本文选择在绘图软件u g 中创建此方盒件冲压模具的 凹模，如图3 3 所示，然后再通过i g s 接口导入至i j c a e 分析软件d y n a f o r m 中，压边圈和凸模等冲压工具的创建选择在d y n a f o r m 软件中，从凹模上偏 置得到。 1 1 合尔滨理- t 人学t 学硕j j 学位论文 a ) 主视图b ) 俯视图 图3 2 方盒件的形状及尺寸 f i g 3 2s h a p ea n ds i z eo fs q u a r eb o x 图3 3 在u g 中创建的方盒件冲压模具凹模 f i g 3 3t h es t a m p i n gd i eo fs q u a r eb o xe s t a b l i s h e di nu g 对于差厚激光拼焊板板坯，由于厚度差异的存在，再用u g 和 d y n a f o r m 软件进行建模时，要考虑以下几个因素： 1 板坯的厚度差要体现在压边圈上，即在焊缝两侧采用分瓣压边圈形式进 行压边，这样便于根据板坯母材各自的不同特点和冲压成形结果，灵活的控制 和调节压边力大小。如果焊缝处于板坯的中间位置，则分瓣压边圈就如图3 4 ( a ) 所示。 2 凸模一般以凹模为基准来创建，所以对于板厚不同的激光拼焊板，焊缝 两侧的间隙是不一样的，在d y - n a f o r m 软件中从凹模上偏置出的凸模如图 3 - 4 ( b ) 所示。 3 为了尽可能的跟激光拼焊板实际的冲压成形过程相吻合，要采用整体模 型进行有限元数值模拟分析。 可以看出，在研究差厚激光拼焊板的成形时，建模过程是比较费事的，因 哈尔滨理t 人学一f j 学坝i ：学位论文 为每次变动料厚差，都要引发整个模型的改变。 熏浚i ii i i | l i 藜爹爹 羹醭豢爹爹。 二 a ) 分瓣压边罔b ) 凸模 图3 _ 4 从凹模上偏置出的方盒什冲压模具分瓣压边圈和凸模 f i g 3 4s p l i tb l a n kh o l d e ra n dp u n c ho fs t a m p i n gd i eo f f s e t - t e df r o mt h ed i e 3 2 2 板坯形状和几何尺寸的确定 对于此方盒件，本文所采用的拼焊板板坯是由两块钢板焊接而成的。在进 行建模的时候，首先要确定坯料的尺寸，然后分别建立两块板坯的模型，最后 再将它们拼焊在一起而组成拼焊板。此拼焊板板坯采用的是中性层面建模，即 两个板面的高度差为板料厚度差的一半。 冲压件在进行冲压成形时，确定毛坯形状和几何尺寸的基本原则是：在确 保冲压件质量的前提下，应尽可能地节约原材料和提高成形极限。对于拼焊板 方盒件来说，应力应变在变形区周边上的分布不均匀，而且模具结构、材料特 性和零件的几何参数等因素对零件变形的影响很复杂，因此不容易精确地确定 毛坯的形状和尺寸，以使方盒件的边缘部分的变形非常整齐。另外，想要设计 出一种适合于各种几何参数方盒件的理想的毛坯形状也是不科学的，因此，只 能针对零件几何参数的范围，相应的给出比较合理的毛坯形状。 国外的y o u h oc h o i 等人通过数值模拟和试验的方法，分别研究了方形毛 坯和圆形毛坯对拼焊板方盒件冲压成形性能的影响，得出了如下结论：采用圆 形毛坯的拼焊板的厚向应变和焊缝移动量均低于采用方形毛坯的拼焊板。另 外，对于方盒件来说，采用圆形坯料是有助于节省材料的。根据以上分析，本 文将拼焊板的板坯设计成圆形，根据毛坯与盒形件表面积相等的条件，毛坯直 径可由以下公式计算得到： 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 当，。时， 肚去丽而瓦口郦而可可瓯河习( 3 - 1 ) 当名= o 时，d = 睾萨了瓦瓦了= 瓦瓦习= i 茏i 函百五习( 3 - 2 ) 式中：d 是毛坯直径；b 是方盒宽度；h 是拉深深度；r d 是凹模圆角半径；r c 是转角半径。 由图3 - 2 可知，本文所设计的方盒件，凹模圆角半径和转角半径是不相等 的，即厶，因此选择公式( 3 1 ) 来计算毛坯直径，根据方盒件的尺寸，计算 得到毛坯直径为1 9 4 3 m m ，并根据计算结果，确定毛坯直径为2 0 0 m m 。 3 2 3 焊缝模型的选取 本文所设计的拼焊板板坯模型，如图3 5 所示。对于拼焊板的冲压成形来 讲，焊缝的存在加剧了其成形的不均匀性，因此在对其成形过程进行有限元数 值模拟的过程中，首先要选取合理的焊缝模型。在第1 5 节中，已经详细讨论 了在有限元数值模拟过程中关于焊缝和h a z 区建模的几种方法。其中，对焊缝 区域不建模或者采用梁单元进行建模的方法比较简单，但是模拟仿真的结果不 够精确，如果采用壳单元或者是体单元对焊缝区域进行建模，精确度较高，但 是分析计算的过程比较复杂，需要运算的时间也比较长。 一一：，一j j ：t 。：7 ，：。4 ：。+ ，、 一， 麟釜琴瑟黎菱蕊： 0 jr 。一母i 蠢i 毫0 ：，：，j ，：i ：。j ，。弋二一+ ：1 ：，：? 、? ：? ! i ，j 0 ，：，j ? 母材二：- m ，。：喃蠢l 。，曼 、。：一、一 j j ，：0 t - 一：，| ：翌晦西一7 7 、2 。，一，? ? 。? ? ! ? 。，i 。 图3 5 拼焊板的板坯及焊缝模型示意图 f i g 3 - 5s c h e m a d cd i a g r a mo f b l a n ka n dw e l dm o d e l 刚性连接是由一连串的焊点所组成的，其中焊点就是连接一对对节点副的 刚性梁单元，它们没有质量，在同一个焊点，两个节点的运动情况总是保持一 致。本文采用刚性连接来对焊缝建模，虽然忽略了焊缝的形状和h a z 区的特 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 性，导致对焊缝附近区域应力应变的模拟不够精确，但是仍然能够准确的模拟 拼焊板零件实际的冲压成形过程，而且处理相对简单，也可以节约计算时间。 3 2 4 板