（材料学专业论文）汽车铝板、拼焊镀锌板成形性研究.pdf

摘要 基于保护环境和节约能源方面的考虑，降低车身质量已成为汽车制造业的一个基本 发展目标。目前汽车车身轻量化的最重要的方法就是采用新材料以及新的成形方法。由 于铝合金板具有密度小，比强度高，耐锈蚀等优点，能满足汽车轻量化的特殊要求，已 成为汽车轻量化技术中替代钢板的主要材料。同时在新的成形方法中，拼焊板技术可以 优化工件结构，减少材料消耗，对于汽车轻量化起着重要作用，在汽车制造中得到了广 泛应用。 本文对等厚拼焊镀锌板s g c c 的单向拉伸性能进行了研究。针对焊缝处于拉伸试样 的不同方位进行了试验，并与母材s g c c 的拉伸性能进行了比较，分析了不同焊缝方位 对拼焊板拉伸性能的影响。研究表明：当焊缝平行于拉伸方向时，材料在变形过程中容 易失稳，同时与母材相比，其断后伸长率较低，板材的拉伸变形能力较差；当焊缝垂直 于拉伸方向时，材料在变形过程中不容易失稳，且形状稳定不容易回弹。 通过对拼焊镀锌板s g c c 拉伸试样断口的测试，分析了拼焊板拉伸试样的断裂机 制。研究表明：当焊缝垂直于拉伸方向时，焊缝的断口形貌与母材基本一致，但是其韧 窝呈现出不同于母材韧窝的方向性；当焊缝平行于拉伸方向时，焊缝的断口形貌为韧性 断裂与解理断裂的混合断裂。 通过杯突试验对拼焊镀锌板s g c c 的胀形性能进行了测试，并与母材进行了比较， 研究了焊缝的移动规律及焊缝对杯突值的影响。试验表明：拼焊镀锌板s g c c 的杯突值 要低于母材的杯突值；拼焊镀锌板焊缝两侧的材料变形一致，焊缝没有发生偏移：焊缝 基本上没有发生变形，仍保持直线型，焊缝的加强筋作用明显。 本文还对6 0 6 1 铝合金板的单向拉伸性能、成形性能进行了研究，研究表明：6 0 6 1 铝 合金板材具有一定的成形性能，这种板材在单向拉伸过程中受到了双向非均匀应力，容 易产生应力集中，但是在胀形过程中为双向应力均匀扩展，成形性能较好；6 0 6 1 铝合金 板材在拉伸过程中的强化段会产生锯齿形屈服，导致试件表面上形成类似滑移带的形变 花纹而损害产品的外观，所以采用该材料作汽车表面件时，必须避免产生锯齿形屈服； 在铝合金板材塑性变形过程中随着变形量逐渐加大时，硬度相应地增加，这一现象可以 用位错增殖机理来解释。 本文分析了铝合金板材冲压成形过程中有限元模拟的关键技术：利用d ”a f o 蛐软件 分析了铝合金覆盖件在成形过程中的厚度变化、应力和应变分布情况；通过铝合金冲压 件的数值模拟结果和实物冲压结果进一步说明了铝合金汽车覆盖件数值模拟的有效性 和可行性，也为铝合金板的冲压成形工艺设计提供了科学依据。 关键词：铝合金板；拼焊板；汽车覆盖件；焊缝移动；成形性能；d y n a f o n n ； a b s t r a c t b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n , l o w e r i n g t h ea u t ob o d yw e i g h tb e c o m e st h eb a s i cd e v e l o p m e n tg o a l so fa u t o m o t i v ei n d u s t r y , n o w a d a y s t h em a i nm e t h o d so fl i g h tw e i g h t i n go fa u t o m o t i v ea r et h ea d o p t i o no fn e wm a t e r i a l sa n d f o r m i n gm e t h o d s a sa l u m i n u ma l l o ys h e e t s 、 ，i ms m a l ld e n s i t y , h i g hs t r e n g t h , c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，e t c ，w h i c hm e e tt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fl i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l e ，i th a s b e c o m et h em a i na l t e r n a t i v et os t e e lm a t e r i a l si nt h et e c h n o l o g yo fl i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l e a n dt w b ( t a i l o rw e l db l a n k ) t e c h n o l o g yc a l lo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ew o r k p i e c e sa n d r e d u c em a t e r i a lc o n s u m p t i o n ，s ot h et w b t e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nl i g h t w e i g h t o fa u t o m o b i l e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di na u t o m o t i v ei n d u s t r y i nt h i sp a p e rt h et e n s i l ep r o p e r t i e so ft w bf o rs g c cg a l v a n i z e ds h e e t 、砘t 1 1s a l t l e t h i c k n e s s j o i n t e d w e r er e s e a r c h e d t h et e n s i l et e s t sw e r ec a r r i e do u t 谢u ld i f f e r e n tl o c a t i o n so f w e l dl i n e si nt h es p e c i m e n s c o m p a r e d 诵t l lt h et e n s i l ep r o p e r t i e so fo r i g i n a lm a t e r i a l s ，t h e i n f l u e n c eo fw e l dl i n el o c m i o no nf o r m a b i l i t yo ft h et w bw a ss t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t s w e r es h o w nt h a tw h e nt h ew e l dl i n ew a sp a r a l l e l e dt ot e n s i l ea x i s ，t h ed e f o r m a t i o no ft h e t w bw a su n e v e n , t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nw a sp o o r c o m p a r e d 、析mi t so fo r i g i n a lm a t e r i a l s ， e l o n g a t i o na f t e rf r a c t u r ew a sp o o r e r w h e nt h ew e l dl i n ew a sp e r p e n d i c u l a rt ot e n s i l ea x i a l ，t h e f o r m i n gp r o c e s so ft h et w b w a ss t a b l e ，t h es h a p eo fm a t e r i a l sa f t e rd r a w i n gw a sn o te a s yt o b er e b o u n d e d ，t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h eb l a n kw a s v e r yg o o d b yt h ef r a c t u r es u r f a c es c a n n i n gt e s lt h er e s e a r c hr e s u l t sw e r es h o w nt h a tt h ef r a c t u r e s u r f a c ew a st h es a m ea st h o s eo fw e l d i n gm a t e r i a l ss g c c ，b u tt h ed i r e c t i o n so fd i m p l e sw e r e d i f f e r e n t , w h e nt h ew e l dl i n ew a sp e r p e n d i c u l a rt ot e n s i l ea x i a l t h ef r a c t u r ew a sd u c t i l e f r a c t u r ea n dc l e a v a g ef r a c t u r e ，w h e nt h ew e l dl i n ew a sp a r a l l e l e dt ot e n s i l ea x i a l t h ec u p p i n gt e s t sw e r ec a r r i e do u tt ot e s tt h eb u l g i n gf o r m a b i l i t yo ft h et w b ，w h i c h c o m p a r e d 、析t l lb a s em a t e r i a l e v e n t u a l l yt h ep h e n o m e n o no fw e l dm o v e m e n td u r i n gt h ec u p t e s tw a sd i s c u s s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sw e r es h o w nt h a tc u p p i n gt e s tv a l u er i e ) o ft h et w b w a ss m a l l e rt h a nt h a to ft h eb a s em a t e r i a l s ，m a t e r i a ld e f o r m a t i o no nb o t hs i d e so ft h ew e l d l i n ew a ss a m e ，t h ew e l dl i n ed i d n tm o v e ，t h ew e l dl i n ed i d n td e f o r ma n dw a ss t i l ls t r a i g h t l i n e ，t h ew e l dl i n eh a da p p a r e n te f f e c ta st h er e b a r i nt h i sp a p e rt e n s i l ep r o p e r t i e sa n df o r m i n gp r o p e r t i e so f6 0 61a l u m i n u ma l l o ys h e e t w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c hr e s u l t sw e r es h o w nt h a t6 0 61a l u m i n u ma l l o yh a dc e i l a i n f o r m i n gc a p a b i l i t y w h e nt h i ss h e e tw a ss u b j e c t e dt on o n u n i f o r mb i a x i a ls t r e s si nu n i l a t e r a l s t r e t c h i n g ，t h i ss h e e te a s i l yo c c u r r e ds t r e s sc o n c e n t r a t i o na n db r i t t l er u p t u r e ，b u tw h e nt h i s s h e e tw a ss u b j e c t e dt ob i a x i a ls t r e s sa n ds p r e a de v e ni nc u pd r a w i n g ，i ta p p e a r e de x c e l l e n t f o r m a b i l i t y w h e n6 0 6 1a l u m i n u ma l l o yi st ob ep r o c e s s e d ，i ts h o u l db ea v o i d e dt oa p p e a r b i d i r e c t i o n a ln o n u n i f o r ms t r e s s b e c a u s e6 0 61a l u m i n u ma l l o ya p p e a r e df l u c t u a t i o nl o a di n s t r a i nh a r d e n i n gs t a g eo fs t r e t c h i n g ，i t e a s i l yb r o u g h to nt r a c e r yt h a tc o m eo ns u r f a c ea sa r e s u l to fs l i pb a n d ，i tw o u l dd a m a g ep r o d u c ta p p e a r a n c e s ow h e n6 0 61a l u m i n u ma l l o yw e r e m a d eo na u t o m o t i v ep a n e l ，f l u c t u a t i o no fl o a dm u s tb ea u g m e n t e dt oa v o i d g r a i ns i z e g r a d u a l l yd e c r e a s e da l o n gw i t hd e f o r m a t i o ni n c r e a s ei nt h ep r o c e s so fp l a s t i cd e f o r m a t i o no f a l u m i n u ma l l o ys h e e t ，a c c o r d i n g l ym i c r o h a r d n e s sw i l lb ei n c r e a s e da sar e s u l to fd i s l o c a t i o n m u l t i p l i c a t i o n t h ek e yt e c h n o l o g i e so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f6 0 61a l u m i n u ma l l o yw e r eu s e dt o a n a l y z es h e e ts t r e s s ，p l a s t i cs t r a i n ，t h i c kv a r i e t ya n a l y z e d ，a n dt h ew r i n k l i n ga n dc r a c k i n g p r o n ea r e a s t h e r e f o r e ，t h ee f f e c t i v er e f e r e n c ec a nb ep r o v i d e df o rt h ef o r m i n gp r o c e s so f 6 x x xb a s e da l l o ya u t op a n e l k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o ys h e e t ；t w b ；a u t o m o t i v ep a n e l ；w e l dm o v e m e n t ；f o r m a b i l i t y ； d y n a f o r m ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：渤本材 签字日期： 帅乎年，2 月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘至有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰盘望可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：玉本卞分、 签字日期：朋年1 月f - 7 日 导师签名：乡啦雹 签字日期：降砌，日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的趋势，尤其节能和环保更 是关系到人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃油消耗、减少向大气排放c 0 2 和有 害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题l 】j 。国内外研究机构和专家学者对减轻汽车 自重与降低燃油消耗之间的关系作了不少相应的对比研究。研究数据表明，若汽车整车 质量降低1 0 ，燃油效率可提高6 8 ，排放也同比例降低。图1 1 为车重与燃油利 用率的关系1 2 】。由此可见，汽车轻量化最突出的优点就是油耗的显著降低。同时，汽车 轻量化还将带来车辆操控的稳定性和冲撞安全性的提升：因为车辆行驶时的颠簸会因底 盘重量减轻而减轻，整个车身会更加稳定；轻量化材料对冲撞能量的吸收，又可以有效 提高冲撞安全性。因此汽车轻量化已成为汽车发展产业中的一项关键性研究课题【3 j 。 霎 蠢 2 至 车重他 图1 1 车重与燃油利用率的关系1 2 1 f i 9 1 1t h er e l a t i o n ，e t 、e e nt h ew e i g h ta n d f u e lu t i l i z a t i o n 汽车轻量化技术主要包含两个方面：一是新型高强度或( 和) 低密度轻质材料的开发 和轻质零件的制备，用其取代传统钢铁零部件，可以大大减轻汽车自重，如高强度钢、 铝合金、镁合金等金属材料以及高分子材料和复合材料等；其二是采用新的成形工艺实 现零件及车身部件结构的简化和轻型化，节约生产材料、提高工作性能，如剪裁毛坯、 液压成形、零件轧制、发泡铝成形、激光焊接等1 4 。 与汽车用钢铁材料相比，铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、弹性好、抗冲 击性能好和相当高的再回收率等一系列优良特征，因此受到了人们的普遍关注。目前， 使用铝合金代替钢铁是各国汽车制造商的主要减重措施。研究表明：达到同样的力学性 第一章绪论 能指标，铝比钢轻6 0 。仅在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使整车减重大 约4 7 。承受同样冲击，铝板比钢板多吸收冲击能5 0 。铝合金汽车也以其节能降耗， 利于环保，零部件回收率高，安全舒适，工序少，装配效率高，燃油效率高，相对载重 能力大等优点而倍受青睐【5 1 。表1 1 n 出了以铝制汽车前悬挂系统代替钢质后所减少的质 量统计1 4 1 。 表1 1 汽车前悬挂系统零件以铝代钢后减重效果( 曲 t a b l e1 1w e i g h tr e d u c t i o ne f f e c tu s i n ga l u m i n u mi n s t e a d o fs t e e lf o ra u t of r o n th a n g i n gs y s t e mp a r t s ( 曲 汽车车身约占汽车总质量的3 0 ，对汽车本身来说，约7 0 的油耗是用在车身质量 上的，所以汽车车身铝化对提高整车燃料经济性至关重要。 在新的成形工艺中，拼焊板技术在汽车制造中得到了广泛应用，它可以优化工件结 构，充分发挥材料的作用，对于汽车轻量化起着重要作用。其方法是将不同厚度、强度 或不同表面涂层( 如镀锌) 的剪裁钢板焊在一起，然后再进行冲压成形，这样根据轿车 车身的复杂形状制成的面板结构，可使不同形状、不同材质、不同厚度或不同涂层的剪 裁钢板在生产线中实现成形的工艺性能和结构强度的最佳组合【6 j 。拼焊板的优点已在通 用汽车公司凯迪拉克轿车和沃尔沃8 5 0 车型上得到了最好的体现。1 9 9 8 年3 月，在日内瓦 汽车展览会上展出的超轻型车身( u l s a b ) ，使用了1 8 张拼焊板一相当于当前普通车型 使用量的四倍，与当前普通四门中型轿车相比，车身重量降低了2 5 ，抗扭刚度提高了 6 5 ，振动特性改善了3 5 ，并且增加了弯曲刚度【7 驯。目前，由拼焊板生产的汽车零部 件已被成功用于车身骨架件、外覆盖件、内覆盖件、车门两侧的a 、b 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 2 所示i l o j 。 第一章绪论 豳12 可采用拼焊板的汽车部件 f i g l2 a u t o m o b i l ep a r t su s e d w i t h t a i l o r w e l d b l a n k 总体说来，我国在汽车轻量化技术方面与国际先进水平还有很大的差距，必须大力 开展对轻质材料的品种开发和成形应用技术的研究，并与汽车的结构设计和选材优化紧 密结合，促进我国汽车业的轻量化发展。 1 t2 国内外的研究现状 1 2 1 汽车用铝合金的研究现状 随着汽车产业的发展铝材在汽车上的用量也一直在迅速增加，从2 0 世纪末开始， 全球各大铝业公司与汽车制造商联合研究，不断提高单车用铝量。1 9 9 1 年欧美轿车上铝 合金的使用量为7 26 k g ，2 0 0 1 年铝合金的使用量达1 1 11 k g ；日本2 0 0 0 年单车用铝量为 2 7 0 k g ( 3 18 ) 】。与2 0 年前相比，国外汽车质量减轻2 0 2 6 。未来汽车不管选用何 种动力设备，轻量化、节能降耗和降低排放污染都是汽车发展的三项战略性课题，轻量 化尤其关键。世界各国纷纷制定出中长远轿车减少质量的目标：欧洲为9 0 0 k g 以下；美 国为1 0 0 0 k g 以下，预计在2 0 1 0 年轿车平均自身质量为1 2 2 0 k g ”】。 用于汽车上的铝台金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用 量最多，主要应用于发动机和底盘部件( 见表i2 ) 。变形铝合金包括锻造铝台金和铝合 金袄材等，主要应用于车身和热交换系统部件( 见表13 ) 。2 0 0 0 年铸造铝合金的质量占 整车质量的4 ，2 0 0 6 年这一比蜘已上升到了8 ；锻造铝合金的这一比例由原来的2 上升至8 ，而铝合金扳村由1 7 上升到了4 l l ”。可见铝合金在汽车上的应用具有极 大的潜力和发展前途。 第一章绪论 表1 2 汽车用铸造铝合金的主要部件系统 t a b l e l 2t h em a i nc o m p o n e n t so f t h ev e h i c l e s y s t e m sm a d ei nc a s t i n ga l u m i n u ma l l o y 部件系统零件名称 发动机缸体、缸盖、活塞、进气管、水 泵壳、发动机壳、启动机壳、摇臂、摇 发动机系统 臂盖、滤清器底座、发动机托架、正时 链轮盖、发动机支架、分电器座等 变速箱壳、离合器壳、连接过渡板、换 底盘传动系统 挡拨又等 底盘行驶和控制横梁、上臂、下臂、转向器壳、制动分 系统泵壳、制动钳、车轮、操纵叉等 离合器踏板、制动踏板、方向盘、转向 其他系统部件 节、发动机框架、a b s 系统部件 表1 3 汽车用变形铝合金的主要部件系统 t a b l e l 3t h em a i nc o m p o n e n t so f t h ev e h i c l e s y s t e m sm a d ei nt r a n s f o r m e da l u m i n u ma l l o y 部件系统零件名称 发动机罩、车顶蓬、车门、翼子板、行李 车身系统部件 箱盖、地板、车身骨架及覆盖件等 热交换器系统部发动机散热器、机油散热器、空调冷凝器 件和蒸发器等 冲压车轮、座椅、保险杠、车厢底板及装 其他系统部件 饰件等 轿车车身是轿车中重量较大的部件，约占汽车重量的3 0 。所以车身的铝化举足轻 重，而车身板材的开发是关键。用于轿车车身的铝合金板材主要有灿c u - m g ( 2 0 0 0 系) 、 a 1 m g ( 5 0 0 0 系) 和a i m g s i ( 6 0 0 0 系) 三大系列。 2 0 0 0 系合金是一种可热处理强化的铝合金，以c u 和m g 为主要的添加元素，其强化 相为c u a l 2 或c u m g a l 2 。该系合金表现出良好的锻造性，而且具有较高的强度和一定的 烤漆硬化性，不过2 0 0 0 系铝合金的抗蚀性比其他系列的铝合金差。目前2 0 3 6 和2 0 2 2 合金 已部分用于汽车车身板材，如法国贝西内公司2 0 0 0 系的a u 2 g t 4 ，美国雷伊路菲公司的 2 0 3 6 t 4 等 。 5 0 0 0 系合金中m g 是主要的合金元素，固溶于铝基体中，形成固溶强化效应，是一 种热处理不可强化的铝合金。a 1 2 m g 合金具有良好的抗腐蚀性和焊接性能，但退火状态 的a 1 2 m g 合金在加工变形时可能产生吕德斯线和延迟屈服，因此主要用于车身内板等形 状复杂的部位。目前，h a n v 金属公司开发的h a n v 5 1 8 2 o 材料、美国a l c o a 公司开发 的x 5 0 8 5 o 及5 1 8 2 o 等材料已用于汽车车身内板 1 5 j ；日本开发的具有代表性的5 1 8 2 - 0 和 第一章绪论 5 1 8 2 s s f 合金板材特别适合于要求用延展方法成形的零部件，如车盖、后行李箱盖、负 载底板和空气过滤器等i lo j 。 6 0 0 0 系合金中主要的合金元素是m g 和s i ，并形成m 9 2 s i 相，属于热处理可强化铝合 金。a 1 m g s i 合金具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性。与钢板相比，6 0 0 0 系t 4 态板材的屈服强度和抗拉强度相近，硬化系数n 值甚至超过钢板【1 7 】。其最大的特点是 能在固溶处理淬火后具有较低屈服强度的状态下供货，具有良好的冲压成形能力，并能 在最终的烤漆处理过程中获得进一步强化【l 引。目前，6 0 0 9 、6 0 1 0 和6 0 1 6 铝合金由于其塑 性好，并在成形后的喷漆烘烤过程中可实现人工时效而获得较高强度等特征，被用于汽 车车身外板和内板。a u d i a 8 的车身板，即采用了本系铝合金。另外为增强汽车的缓冲能 力和增强抗疲劳强度，德国v a w 、日本k o k 、中国西南铝加工集团均以此系合金为基 础，研制和开发了高性能的汽车用铝板和铝型材。这种复杂断面形状的铝合金型材，不 仅具有质量轻、强度高和抗冲击性好等特点，而且具有很好的挤压成形性能，容易加工， 所以在汽车上将得到广泛应用l l 引。目前，欧美国家主要以6 0 0 0 系合金为基础开发铝合金 车身板，如车盖、后行李箱盖以及车门等车身构件。 表1 4 给出了上述6 0 0 0 系的部分合金t 4 状态下的力学性能以及成形后进行模拟烤 漆时其力学性能的变化1 1 6 】。可见该系合金具有一定的烘烤硬化能力。 表1 4 几种典型铝合金汽车板的t 4 及烤漆后的性能 t a b l el 。4p r o p e r t i e so ft 4a n dp a i n tb a k i n go fs o m et y p i c a l a l l o y sf o ra u t o m o t i v eb o d ys h e e t s 目前，关于这三大系列的铝合金，国外从8 0 年代起就已开始逐步应用。其中用于汽 车板的部分铝合金的化学成分如表i 5 所示f 阚。 表1 6 列出y 2 0 0 0 系、5 0 0 0 系和6 0 0 0 系中常用的合金与冷轧钢板的力学性能和成形 性能特征【1 2 】。数据表明：铝合金的冲压性能与钢相比已基本接近，某些方面甚至已超过 钢材，可以替代钢板用于汽车车身板。 第一章绪论 表1 5 国外部分汽车板铝合金的成分范围 t a b l e1 5c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ff o r e i g ns o m ea l u m i n i u m a l l o y sf o ra u t o m o t i v eb o d ys h e e ta p p l i c a t i o n ( m a s s ) 表1 6 汽车车身用铝合金的力学性能和成形特性 t a b l e1 6m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds h a p i n gc h a r a c t e r i s t i c o f t h ea l u m i n i u mf o ra u t ob o d ys h e e t s 国内汽车工业的发展促使研究人员对轿车车身用铝合金板的性能进行了广泛研究。 哈尔滨工业大学蒋大鸣教授研究了铝合金6 0 6 3 在不同时效状态的硬度、强度和疲劳性 能，并对合金的拉伸和疲劳断口进行了研究，结果表明，合金的疲劳强度随着拉伸强度 的增加而增加，但疲劳强度与拉伸强度的比值则随着拉伸强度的增加而下降1 捌。上海交 通大学于忠奇教授分析了汽车用铝合金板单向拉伸性能参数与其拉深性能、胀形性能之 第一章绪论 间的对应关系。研究表明，在单向拉伸性能参数中，硬化指数n 对汽车用铝合金的拉深 极限凸模行程的相关性最为显著；而总延伸率6 对胀形极限凸模行程的相关性最为显著。 n 值和6 值分别是评估汽车用铝合金板材拉深性能和胀形性能的最佳参到2 0 j 。 西北工大李敬勇对5 种铝合金( 6 0 0 5 、6 0 6 1 、6 0 6 3 、7 0 0 5 、7 a 0 5 ) 通过静载拉伸试验 法测定了材料的应力一应变曲线和若干重要力学性能参数，通过数据分析与处理获取了 目前国产铝合金的状态信息。试验及分析结果表明：严格执行变形和热处理制度生产的 t 6 态5 种铝合金，其力学性能的稳定性较好，但处理工艺不当可造成组织的不均匀性， 并影响强化相的析出从而使其性能降低；5 种铝合金泊松比基本一致，而弹性模量则波 动较大；t 6 状态下，铝合金板材的各项异性不明显【2 1 1 。上海交大林忠钦教授在由塑性成 形理论和能量法建立的临界破裂和临界起皱模型基础上，构建了变压边力情况下汽车用 铝合金板的成形区域，并分析了拉深比、材料参数和模具参数对成形区域的影响规律。 对比实验表明：在整个有效压边力范围内，数学模型构建的成形窗口能够与实验相吻合， 且铝合金6 1 11 - t 4 和5 0 5 2 o 的成形窗口明显小于钢板s t l 4 的。而影响因素分析显示：随着 拉深比降低、厚向异性系数( r ) 增加和凹模圆角半径( r 曲) 增大，成形窗1 2 1 明显扩大； n 值增加，成形窗e l 虽然有所扩大，但是效果并不明显l z z j 。 1 2 2 拼焊板成形性的研究现状 拼焊板是2 0 世纪6 0 年代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。2 0 世纪8 0 年代，社会对节能、环境、驾驶安全等要求越来越高，拼 焊板的应用才得到越来越多的关注。在2 0 世纪8 0 年代早期，欧洲( 德国) 开始大批量地 应用拼焊板。从此以后拼焊板的实际应用迅速在世界范围内展开。日本丰田汽车公司自 1 9 8 5 年起开始在汽车制造中应用拼焊板，每年用于6 0 个冲压件的拼焊板的消耗量为3 6 0 万张。美国通用汽车公司是北美最大的拼焊板用户，己经成功地将拼焊板应用于几条汽 车生产线底盘上层覆盖件的生产中，其中包括b u i c k ，c a d i l l a c 和o l d s m o b i l e 等车型。 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 年间使用拼焊板的情况见图1 3 。 1 9 9 5 年，德国宝马公司开始大规模使用拼焊板，使德国的拼焊板产量骤升至1 0 0 万张。 1 9 9 3 年在欧洲大约有3 0 0 万张拼焊板被用于车身制造，2 0 0 0 年拼焊板使用量已经达到 5 0 0 0 万张，欧洲各汽车公司使用拼焊板制造车身的情况如表1 7 所示。根据v i l 公司的 预测，目前世界范围内每年汽车生产量大约5 0 0 0 , - 一6 0 0 0 万辆，若每辆车包含3 - 5 块拼 焊板，在接下来的5 1 0 年里每年拼焊板的需求量将达到1 5 亿张l l 叫。 第一章绪论 1 1 车型名称应用场合 j | | j | | j | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 3 组件无镀锌层的横梁( 2 3 1 5 咖) 大众高尔夫车型2 组件后立柱( 1 5 1 2 m m ) 带篷运输货车：加强板( 1 2 2 5 m ) 沃尔沃8 5 0 车型1 1 个冲压件包括梁、前围板等 加强板i ( 1 2 2 1 5 m m ) 菲亚特轿车 加强板i i ( 1 8 1 2 1 8 m ) 货车驾驶室前端 奔驰 轿车悬架后横梁、门内板、前立柱和横梁 欧宝轿车5 组件侧围 宝马一7 系列后轴支架、车门( 1 8 0 7 ) 奥迪轿车地板( 等厚镀锌，0 。7 5 r a m ) 第一章绪论 拼焊板成形性的研究始于上世纪九十年代初。s a u n d e r s 等人针对拼焊板的特殊性首 先提出了三种标准成形性能试验：拉伸成形( s t r e t c hf o r m i n g ) 、拉伸凸缘成形能力( s t r e t c h f l a n g ea b i l i t y ) 和深拉深能力( d e e pd r a wa b i l i t y ) 。作为这项工作的扩展，w i n t e r 和w a n g 等人用有限元法分析了相似拉伸边缘集合形状( s i m i l a rs t r e t c h f l a n g eg e o m e t r y ) 。b r a u n e 和a o t t o 用直径1 0 0 r a m 的半球拉深评估了焊缝在成形中的作用和双向等拉伸试验。 k i n s e y 等人研究了拼焊板的成形性，发现焊缝不在主拉伸方向才有较好的效果，当焊缝 位于主拉伸方向时，由于承载能力的不同将导致焊缝向较强侧的金属移动，因此在较弱 侧会产生应变集中。b r d a k i n s e y 等人利用了分瓣压边圈施加不同的压边力的方法，有效 地控制了不同板厚成形过程中的起皱，研究还发现通过对不同厚度板料上施加不同的压 边力，还可以控制拼焊板在成形中的焊缝移动等影响成形质量的因素。y o u n g m o oh e o 和h o n g j o n gk i m 等人，在研究拉延筋对成形性的影响过程中，发现焊缝的移动大小不 仅与是否施加拉延筋有关，而且还和焊缝相对于拉延筋的初始位置有关。w a n g 等人采 用激光焊和滚压焊对不同厚度及不同强度的拼焊板测试了实际焊缝的应力应变性能，激 光焊的焊缝硬度明显比母材高，而滚压焊的焊缝硬度与母材相似| 1 0 , 2 3 j 。 成形极限图广泛应用于板材成形性的确认以及冲压工艺可行性分析。成形极限图代 表了发生形变时主应变的分布状态。s i e g e r t 和k n a b e 通过拉伸试验和液压拉深试验获得 了电阻焊拼焊板的成形极限图。结果表明：当焊缝垂直于主应变方向时，其成形极限曲 线与单一板重合。c a y s s i a l s 对冲压过程中拼焊板的两种金属的界面进行了仔细的分析， 提出了专门应用于拼焊板的成形极限曲线，这是在塑性失稳理论的基础上提出的一种新 的准则【2 3 1 。 国内的一些科研院所也在拼焊板成形性研究方面作了一些工作。其中中科院沈阳金 属研究所的张士宏从焊接工艺方面探讨了拼焊板的成形性能。通过实验比较了焊接线处 于拉伸试样不同位置时拼焊板与母材的拉伸试验结果。分析了焊接线分布对拼焊板塑性 变形性能的影响，以及如何优化焊接线位置以提高拼焊板的整体塑性变形能力。香港科 技大学的s m c h n a ，l c c h a r t 近年来就拼焊板的板厚差率对f l c 图的影响进行了研究。 江苏大学的张福祥、陈炜等人研究了在方盒成型试验中不同焊缝位置对焊缝移动的影 响，并且通过试验验证了有限元分析的准确性。另外，上海交通大学和宝钢集团也利用 有限元法研究了拉延筋控制焊缝移动的方法。国内的一些钢铁公司如：上海宝钢，武钢 等对汽车用激光焊接钢板的成形性能进行了试验，对被焊钢板厚度差异和强度差异所引 起的成形性能改变进行了探讨l l 。 1 3 选题的目的和意义 本文选题来自于天津理工大学与天津汽车模具有限公司的合作项目“汽车轻量化板 材冲压工艺及模具开发技术 。 为了满足汽车轻量化的要求，各种轻量化材料得到了迅猛的发展。与汽车用钢板相 比，铝合金板具有密度小，强度高，耐锈蚀等优点，能满足汽车轻量化的特殊要求，已 成为汽车轻量化技术中替代钢板的主要材料。但由于两者晶体结构上的差异，在轻量化 第一章绪论 的车身中所使用的铝合金板材的性能与钢板相比有很大的差别，传统钢板的成形理论和 技术不能直接用到铝合金板上，需要探索出适合汽车用铝合金板本身的冲压成形理论和 技术。同样拼焊板技术也给冲压成形工艺带来了一系列新的挑战，板厚不同或材质不同 会引起坯料发生不均匀变形，给冲压工序带来了诸多问题。当前，采用实验研究、理论 研究、模拟计算及工业验证相结合的方法，系统、深入地研究轻质车身冲压成形工艺与 技术。开发高水平、低成本的轻型材料汽车车身，成为各发达国家汽车界的热点。 本项目针对“铝合金板材和拼焊板的成形性能进行研究，不仅为轻型材料的成型 工艺理论与技术发展提供重要的理论基础及试验依据，具有重要的学术意义；而且在建 立可持续发展的、有创新能力的我国汽车产业以及建立独立、自主、创新、跨越式发展 的汽车工业方面具有重要的工程应用前景。 1 4 主要研究内容 目前各国都在普遍采用铝合金板材和拼焊板技术来减少汽车的自重，但是其成形理 论和技术仍然存在大量问题有待于解决。本论文的研究内容主要是针对铝合金板材和拼 焊板的成形特性展开研究，研究铝合金板材和拼焊板的成形性能及其成形规律，具有重 要的理论和工程意义。 具体研究内容如下： ( 1 ) 拼焊镀锌板s g c c 的焊缝组织及成形性能研究。 ( 2 ) 6 0 6 1 铝合金板材成形性能研究。 ( 3 ) 铝合金冲压件的有限元模拟及实物冲压试验。 第二章镀锌板拼焊后焊缝组织及成形性能研究 第二章拼焊镀锌板s g c c 的焊缝组织及成形性能研究 2 1 引言 消费者对汽车使用寿命日益苛刻的要求是推动汽车板材不断发展的源动力之一。目 前国内外高速公路上化雪盐的普遍使用，更推动了汽车外覆盖件由冷轧板向各类镀层钢 板的转化。从腐蚀电化学原理上来看，由于镀锌钢板作为大范围的锌阳极，腐蚀一般不 会发生在狭窄的焊缝上，故其能较好地满足车身的抗腐蚀性能 2 4 j 。为此，高强度镀锌钢 板成为汽车车身“安全件 的首选材料。 汽车的裁剪拼焊板( t a i l o r e db l a n k 或t a i l o r - w e l d e db l a n k ) 是指在成形前将两块或两块 以上不同厚度、不同材质或不同表面涂层的板材，采用焊接方法拼在一起，而形成的冲 压用平板坯料。汽车壳体的许多部件，冲压后还要挖空，挖空部分将成为损耗。另外， 壳体的不同部位所需的强度和防锈性均不相同，如果用整张原板冲压，则钢板的材质、 厚度和镀层厚度都必须按照受力和防锈要求最高的部位选定，结果成本变得非常昂贵。 如果将不同材质、厚度和镀层种类的钢板切成小块，根据受力和防锈需要，排放在相应 位置，多层复合焊接成一块部件板( 激光焊接或压焊法) ，然后冲压成型即成部件成品。 这项划时代的汽车制造新技术，大大降低了制造成本，已经广泛应用于日本和欧美的汽 车i l l 2 5 】 拼焊板技术应用于汽车车身主要是通过冲压成形，将拼焊板冲压成形状大小不同的 各种零件，因此拼焊板的冲压成形性能决定了最终产品零件质量的好坏。而拼焊板焊缝 接头性能的好坏，又将影响到整个拼焊板的使用性能。为了能够清楚地了解拼焊板的焊 接质量是否可以满足后序冲压成形的需要，一般都通过基本成形性能试验来检验拼焊板 的成形性能。目前提出的冲压成形性能的参数达3 0 多个，鉴定成形性能的方法也