硕士论文-激光拼焊板渐进成形工艺与回弹控制研究

分类号 TG306 单位代码 10618 密 级 公开 学 号 2120990001 专业硕士学位论文激光拼焊板渐进成形工艺与回弹控制研究 研 究 生 姓 名： 郭秋华 导师姓名及职称： 安治国 副教授 申请专业学位类别 工程硕士 学位授予单位 重庆交通大学 论文提交日期 2015 年 6 月 20 日 专 业 领 域 名称 机械工程 论文答辩日期 2015 年 6 月 7 日 2015 年 6 月 20 日 Research on Incremental Forming Process and Springback Control of Laser Tailor-Welded A Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Guo QiuhuaSupervisor：Prof.An Zhiguo Chongqing Jiaotong University, Chongqing, China重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立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，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要渐进成形技术是近些年发展起来的板料成形方法，具有柔性高、成本低、成形力小及成形性能高等优点。将该技术应用到激光拼焊板成形领域的研究还很少见。激光拼焊板的应用和发展为汽车的轻量化、节能减排、降低制造成本、提高整车安全性等方面提供了条件，已得到了广泛的应用。随着激光拼焊板技术和渐进成形的技术越来越成熟，将渐进成形技术应用于激光拼焊板成形领域，对拼焊板的工程应用有着重要的意义。通过研究发现，国内外学者利用数控渐进成形技术对激光拼焊板进行成形的研究还不够成熟，还有很多问题等待解决；板料渐进成形过程中易出现的缺陷主要有：制件超过成形极限、表面质量缺陷和制件成形精度低。因此，本文主要研究激光拼焊板渐进成形的成形极限和成形精度问题。 首先，介绍了国内外关于金属板料渐进成形的研究现状和激光拼焊板的特点以及数值模拟中焊缝模型的建立方法；然后，针对成形极限问题，以变角度椭圆台件为研究对象，建立激光拼焊板渐进成形有限元模型，通过正交试验方法研究渐进成形工艺参数对激光拼焊板渐进成形性能的影响，主要的工艺参数包括工具头直径、下压量、焊缝位置、板厚比；最后，针对圆锥件的回弹问题，通过数值模拟方法研究激光拼焊板渐进成形的回弹问题，通过实验验证有限元模型的有效性并运用神经网络的方法，建立回弹预测模型。 研究结果表明： 1、 渐进成形性能中：焊缝位置对板料成形极限的影响最大，其次为板厚组合、工具头直径和下压量；焊缝布置在与主应变方向垂直的地方，能够保证在焊缝处变形均匀；在保证零件加工精度及满足设备成形能力的前提下，尽量提高下压量不仅有助于提高激光拼焊板成形效率，还能有效提高成形极限。2、 渐进成形精度中：成形高度对板料回弹的影响最大，其次为下压量、半顶角和工具头直径；成形高度越大，板料塑性变形越多，回弹量越小；BP神经网络预测模型可以用来预测不同工艺参数条件下，成形零件最终回弹量的大小。通过研究渐进成形工艺参数对激光拼焊板渐进成形性能和回弹的影响，并结合BP神经网络对渐进成形激光拼焊板回弹进行准确预测，预测不同工艺参数下的回弹量，进而指导工艺参数的选择，达到控制回弹的目的。关键词：渐进成形，激光拼焊板，成形性能，回弹，神经网络ABSTRACTOwing to the advantages of high flexibility, low-cost, low forming force and high form ability, incremental forming becomes one of the new sheet metal forming methods in recent years, which is rarely applied to the research of the forming of laser tailor-welded plate. Laser tailor-welded plate has been widely used everywhere because of the ways it has paved for the automotive lightweight, energy conservation and emissions reduction, manufacturing cost reduction, improvement of vehicle safety, etc. With the increasing mature of laser tailor-welded plate and incremental forming technology, putting the incremental forming technology into the laser tailor-welded sheet has becomes especially vital to the area of engineering.Studies found that both domestic and foreign using the incremental forming technology into the research laser tailor-welded sheet is not mature enough, there are many issues to be resolved. Common defects in sheet metal of incremental forming process are: parts over the forming limit, surface quality defects and the low accuracy. Therefore, this article mainly discusses the forming limit and forming precision of incremental forming in the laser tailor-welded plate.First, this paper introduces the present situation and development of sheet metal incremental forming in the world and the characteristic of the laser tailor-welded plate, as well as a method of weld model in the numerical simulation. Then, with the variable angle ellipse part as the research object, a tailor-welded plate finite element model was built by using FEM in view of the problem of forming limit. The impact on forming properties of laser TWBS is researched by means of orthogonal experiment, what the main process parameters include tool diameter, tool depth, welding seam position and plate thickness. Finally, for the problem of springback during forming cone, researching the rebound problem of laser tailor-welded plate incremental forming by the numerical simulation; verifying the validity of the finite element model through the experiment; using the method of neural network to establish the rebound prediction model.The result shows that:Incremental forming performance: Weld position is the main factors for sheet metal forming limit, followed by combination of thickness, tool diameter and tool depth; Weld perpendicular to the principal strain can ensure uniform deformation; Maximizing tool depth not only helps to improve the forming efficiency of laser tailor welded plate, but also can improve the formed limit effectively on the premise of ensuring the accuracy of the machining parts and meeting the shaping ability of the equipment, to maximize tool depth not only help to improve the forming efficiency of laser tailor welded blanks, but also can improve the formed limit effectively.Incremental forming precision: Forming height is the biggest problems of the rebound of plate, followed by tool depth, half-apex Angle and tool diameter. The higher forming height, the more plastic deformation of sheet metal, the smaller rebound. BP neural network prediction model can be used to predict the rebound of the formed parts under the condition of different process parameters.Through studying forming performance and rebound of the incremental forming process parameters, combining the BP neural network accurately forecast for the rebound in the laser welding plate incremental forming, to predict the springback under different process parameters, and thus to guide the selection of process parameters, to achieve the purpose of control the springback.KEY WORDS: incremental forming, laser tailor-welded, forming properties, springback, neural networkIII目 录第一章 绪论11.1课题背景和意义11.1.1课题研究背景11.1.2课题研究意义11.2 金属板料数控渐进成形技术概况21.2.1金属板料渐进成形原理及技术特点21.2.2国内外数控渐进成形研究现状31.2.3渐进成形技术应用实例与前景71.3 激光拼焊板简介91.3.1激光拼焊板的特点101.3.2拼焊板焊缝模型建立的方法101.3.3影响激光拼焊板成形质量的主要因素121.4本文主要研究内容13第二章 激光拼焊板渐进成形数值模拟152.1有限元模型的建立152.1.1单元类型152.1.2材料模型162.1.3接触处理172.1.4工具头轨迹加载202.1.5网格划分232.1.6求解方法的选取242.2 本章小结25第三章 工艺参数对激光拼焊板渐进成形性能的影响263.1影响激光拼焊板渐进成形性能的工艺参数263.2激光拼焊板渐进成形性能正交试验方案263.2.1试验指标的确定273.2.2因子和水平的确定273.2.3正交表的选定283.2.4进行正交试验283.2.5正交试验结果283.3激光拼焊板渐进成形试验结果及讨论303.3.1极差分析法303.3.2各因素对成形性能影响分析313.4成形过程的模拟结果分析343.4.1成形过程353.4.2应力分析363.4.3应变分析383.4.4板厚分析393.5 本章小结40第四章 激光拼焊板渐进成形回弹研究424.1渐进成形回弹的本质424.2激光拼焊板渐进成形回弹数值模拟及试验验证444.2.1激光拼焊板渐进成形数值模拟444.2.2整体卸载（去除压边力）回弹模拟464.2.3激光拼焊板渐进成形回弹模拟的实验验证484.3基于正交试验的回弹影响因素分析524.3.1正交试验设计524.3.2极差分析534.4 BP神经网络对激光拼焊板渐进成形回弹预测564.4.1 BP神经网络原理564.4.2 BP神经网络模型的建立及回弹控制研究574.5本章小结60第五章 总结和展望625.1 总结625.2 展望62致谢64参考文献65在学期间发表的论文和取得的学术成果68V第一章 绪论第一章 绪论1.1课题背景和意义1.1.1课题研究背景激光拼焊板（Tailored welded blanks，TWBs）是由不同厚度、形状、成分、性能以及不同表面涂层的钢板用激光拼焊在一起的平板板料。激光拼焊板的应用和发展为汽车的轻量化、节能减排、降低制造成本、提高整车安全性等方面提供了条件，目前拼焊板技术及其产品已在美、欧、日各大汽车厂的整车制造中得到了广泛应用。国内外对激光拼焊板进行了大量的研究分析，近年，激光拼焊板的研究主要集中在传统成形工艺及数值模拟分析，但由于板材上存在焊缝，使得传统成形工艺出现了很多质量问题，进而增加了模具的设计难度。随着工业的高速发展，企业对小批量、多品种及新产品试制的需求增大，仅依靠传统成形工艺无法满足。数控渐进成形技术作为一种新的塑性成形技术，能够有效适应现代工业需求1。数控渐进成形与传统的成形相比，具有柔性高、成本低、成形力小及成形性能高等优点，故该技术具有很大的发展前景2。1.1.2课题研究意义目前，国内外学者利用数控渐进成形技术对激光拼焊板进行成形的研究还不够成熟，还有很多问题等待解决。Silva3等创新性地应用数控渐进成形技术成形摩擦搅拌焊板，提高了拼焊板的成形性能，实现了拼焊板新成形工艺可行性的研究。赵秀敏4等通过实验方法，通过对不同润滑条件渐进成形技术进行研究，得出激光拼焊板的成形性能和磨损特性。目前，很少有学者对激光拼焊板渐进成形的回弹进行研究，由于板料板厚、材料性能等的差异，又因存在焊缝，使其成形的回弹问题与普通板有很大区别。拼焊板的回弹来源于不规则的弹性恢复及板材之间差异，拼焊板的厚度差会使弯曲成形过程中存在更多的非线性和非对称性，因此导致变形不均匀。激光拼焊板在成形回弹过程中应力应变的变化状态与单一钢板不同，所以在对其回弹问题进行分析时所采用数值模拟技术也与单一钢板不同。板料渐进成形过程中易出现的缺陷主要有：制件超过成形极限、表面质量缺陷和制件成形精度低。根据研究现状和单点渐进成形易出现的缺陷，本文主要研究激光拼焊板渐进成形性能和回弹，来指导生产小批量的激光拼焊板成形件。一1方面，确定单点渐进成形的各工艺参数对其成形性能的影响程度，利用数值分析方法得到最佳工艺组合，使激光拼焊板的成形极限得以提高，主要的工艺参数包括工具头直径、下压量、焊缝位置、板厚比；另一方面，通过数值模拟方法研究激光拼焊板渐进成形的回弹问题，并运用神经网络的方法，建立回弹预测模型，通过实验验证模型的有效性。 随着激光拼焊板应用的不断推广，研究激光拼焊板渐进成形工艺不仅具有探索价值，而且对拼焊板的工程应用有着重要的意义，尤其是在汽车制造业特别是对新车型的开发有着重要的意义。1.2 金属板料数控渐进成形技术概况渐进成形技术是适用于单件小批量生产的一种柔性加工方法。目前，批量生产正向个性化生产转变，小批量、多样化发展将变成一种新的经济形势。各企业为了适应市场的发展需求，必将大力发展板料数控渐进成形技术。数控渐进成形技术是刚刚兴起的一种将快速原型制造技术和塑性成形技术有机结合的柔性加工技术，涉及力学、塑性成形技术、数控技术等多学科的先进智能化制造技术。目前，数控渐进成形技术得到了塑性加工学者的广泛关注。数控渐进成形技术不用使用专用模具或只要简单的模具，就可以在局部范围内成形出一般成形方法无法成形的较为复杂的曲面形状，同时由于数控渐进成形局部成形力小，设备耗能低，因此数控渐进成形也归属于绿色加工5。1.2.1金属板料渐进成形原理及技术特点金属板料渐进成形技术原理图1-1为板料单点渐进成形原理图。数控渐进成形系统主要包括支撑体、成形工具头、导柱、底板及夹板。通过已经形成的各层刀具轨迹来控制成形工具围绕支撑体运动，使板料在夹板与导柱的相互配合下随成形工具同步运动，逐渐成形出所需零件形状6。图1-1 板料单点渐进成形原理图金属板料渐进成形技术特点渐进成形相比于冲压成形，它主要有以下优点7：1)渐进成形技术不用专用模具或只要简单的模具，就可以在局部范围内成形出一般成形方法无法成形的较为复杂的曲面形状。2)渐进成形仅在工具与材料接触的区域发生变形，因此所需成形力较小、设备的体积小、能耗低。3)由于不需要模具，节省了模具设计开发、加工制造和调试维护的时间，因此对于单件或小批量的产品，从产品的开发到实现往往只需要几天时间。4)渐进成形的成形轨迹是基于CAD模型而产生，可将 CAD、CAE 、CAM 集成，利用CAD模型进行轨迹的生成、成形模拟、零件制造等。5)对于一台数控成形机，只要满足尺寸要求，就可改变成形轨迹来加工多种不同形状的零件，实现一台数控成形机适应多种零件的加工。跟传统板料成形工艺相比，板料数控渐进成形工艺的缺点如下：1）板料数控渐进成形工艺不适合大批量生产。由于拆装次数多，机床加工成形速度低，导致成形时间长，不适合大批量的生产。2）由于板料规格有一定的限制及受现有机床主轴所能承受的成形力限制，板料的厚度不宜过大。1.2.2国内外数控渐进成形研究现状各国学者对数控技术及有限元模拟技术进行了大量研究。国外对渐进成形技术起步较早，已取得了一些有效的研究成果，该成果为国内对这种新兴的加工技术的研究提供了有效的参照。国内外学者的主要研究方向包括成形机理及性能、成形设备开发研制、制件的成形精度、有限元数值模拟技术、成形轨迹优化和多道次渐进成形研究等方面。成形机理及性能丹麦技术大学的Bay等人8对渐进成形的基本理论和成形性等进行了深入分析，总结了应变状态、成形角、减薄、断裂极限、FLD等方面的规律。刘杰等人9从板料拉深减薄的角度出发，将变形过程分为反向弯曲、弹性预拉深、卸载、沿压头球面的弯曲以及回弹，得出渐进成形过程属于变薄拉延类型，并采用计算分析与实验验证相结合的方法得出成形力的计算公式。Kim等人10提出了工具头的旋转引起变形区材料在径向与厚度方向产生剪应变，提出厚度方向的剪应变为主要剪应变。Nishibayashi等人11通过对工业纯铝板材的成形性能研究，得出最大成形极限角作为衡量板料渐进成形性能的标准，最后通过试验验证确定了一种可用于测量成形极限角的新方法。成形设备开发研制国内外学者也都对渐进成形设备进行了开发，其中以日本的AMINO公司的相关研究成果较为突出，AMINO公司最先针对渐进成形技术的特点研究，开发出了专门用于渐进成形的样机，具体样机如图1-2（a）所示。国内对于渐进成形设备的研究开发的工程成就较为突出的是华中科技大学，华中科技大学自主开发了渐进成形系统，然后由三环集团黄石锻压机床有限公司研制开发出了金属板料渐进成形样机，具体样机如图1-2（b）所示，并通过长期地研究及试验，开发了该渐进成形数控设备配套的系统控制软件12。（a）日本AMINO公司研发 （b）华中科技大学研发图1-2 渐进成形样机英国剑桥大学的Allwood等人13根据渐进成形的要求，设计了一套新的成形装置，并对装置的基本功能进行了描述。该装置可以测量成形力，并需要配合大水平载荷，工具可以被动地自由旋转，介绍了装置的原理、组成、搭建，并采用该装置进行了渐进成形加工，取得了不错的效果。南航的周晚林等人14设计了压力可调的渐进成形专用成形工具；南航的高霖等人15设计了采用电加热装置对板料进行预热以提高成形性的装置；西北工大的王永军等人16采用两台机器人进行双点渐进成形；吉林大学的李明哲等人17设计了可以滚动的成形工具，以滚动代替滑动来减小工具与板料的摩擦；华中科技大学的莫建华等人18设计了专门用来渐进成形的多功能数控成形加工机等；上海交通大学的陈军等人19设计开发了拉深渐进复合成形的液压工作台用来提高成形效率和精度。制件的成形精度制件的成形精度对衡量渐进成形技术的有效性具有十分重要作用，其主要包括表面质量和尺寸精度。韩飞等人20利用遗传神经网络技术（GA-BP)，以斜壁方盒件作为研究对象，建立了预测渐进成形回弹的网络模型，通过实验与预测相结合的方法证实了该网络模型的可行性。甘文星等人21提出使用增加成形角度和使用背压板的方法来使板料发生充分的塑性变形，有效地减小了回弹。G.Ambrogio等人22利用自主研发的在线实时测量系统，对零件在成形过程的几何形状进行实时测量，并通过反馈实时修改成形路径，进而提高零件的尺寸精度，减小回弹。意大利的学者对板材渐进成形中的回弹现象进行了数值模拟与实验验证，采用多道次成形的方法实现拟制或消除回弹的目的，并通过逆向工程技术对成形的结果进行相关验证，图1-3为其具体成形过程23。图1-3 意大利学者GAmbiogio等人采用多道次方法减小回弹G .ambrogio等人24对板材渐进成形中的回弹现象进行了研究，通过数值模拟与实验验证的方法，得出较小的工具头直径和较小的下压量可以有效地提高零件的成形精度。 Julian. M. Allwood等人25利用数码照相机对数控渐进成形后的零件进行取样，通过图像识别将取样数据输入到计算机，将其与数模进行对比，得到了渐进成形零件的局部回弹量，并使用特殊设备发出脉冲信号达到在线控制工具头运动目的。有限元数值模拟技术数值模拟技术对单点渐进成形技术有着重要作用，数值模拟技术可以模拟整个加工过程，并可用于分析变形机理以及预测成形过程中可能出现的各种缺陷，也可以对成形工艺参数进行虚拟优化，从而降低了生产成本、缩短研发周期以及提高产品质量。吉林大学的李明哲等人26通过数值模拟对板料渐进成形进行了研究，并将模拟结果与实验结果进行了对比，得出了渐进成形过程的最大等效应力区和最大减薄区等信息。尹长城等人27通过有限元模拟技术对不锈钢板件材料的渐进成形过程进行数值模拟分析，得出该渐进成形过程中板料的应力状态可以简化为平面双向拉应力状态，并得出较大直径的成形工具头可以提高板料的成形性能，但同时也会使成形应力增大，导致板料的破裂和失稳、使得零件无法成形。G .Hirt等人28用两种方法来优化成形工艺，多步成形法和裁剪轧板来控制材料的过度变薄，来克服渐进成形极限与精度的限制，使成形后的零件与目标形状吻合。S .Tanaka等人29通过有限元模拟结合试验的方法对渐进成形零件径向应力的研究，发现成形过程中，板料的上表面的应力状态为受拉伸应力，其下表面则受压缩应力，成形后，板料有明显的回弹现象，同时也得出成形工具的尺寸对板料的回弹影响较大，最后S Tanaka提出了利用并联机构的上下两个工具头同时对板料进行成形可以减小板料的回弹。成形轨迹优化渐进成形技术的原理是基于分层制造的思想，成形轨迹可由软件直接生成，分为等高线和螺旋线。对于并联机构的渐进成形具有上下两个运动的工具头，其加工轨迹较为复杂，故只能通过编程实现。莫建华等人30利用VC+建立轨迹辨识模块与压入点均布模块分得出了压头运动轨迹的优化及压下点分散的问题，解决了复杂零件成形中出现的压痕、破裂等问题, 提高了成形质量。M .Rauch等人31认识到CAM软件直接生成的成形轨迹不能直接用于渐进成形生产，通过对压头轨迹类型以及工艺参数对成形工艺的影响程度进行分析, 提出一种退耦路径优化方法，具体轨迹优化方法如图1-4所示。其中方法（a）是在正成形中成形力很高时，刀具会发生微小振动并缓慢走刀至新的成形轨迹上；方法（b）则需要事先设定好一个阀值，当成形力超出这个阀值时，刀具会自行撤回微小距离，后续又会按照原路径继续加工，最后通过实验验证确定了两种方法的有效性。 (a) (b)图1-4轨迹优化方法R. Malhotra等人32研究了两种截面形状的零件直接生成成形刀路轨迹，主要包括截面为曲线的零件和截面为直线的零件。多道次渐进成形研究随着渐进成形中成形角度增大会使板料减薄严重，这就使零件的成形角度形成一个极限值，从而得到了板料的成形极限。D .Young等人33对于直壁件渐进成形过程进行了相关研究，提出了多道次成形的方法使得成形角度通过各道次逐渐增大最终完成所需零件的成形，在多道次渐进成形过程中需要注意成形中两道次之间成形角的增幅不能太大，否则会导致板料发生反向弯曲使得板料破裂。J .R .Duflou等人34通过对多道次渐进成形进行研究，得出多道次成形可以使零件底部的材料流动进入零件的侧壁，使板料的渐进成形极限提高。M .Skjoedt等人35对成形路径对多道次成形的影响进行了研究，得出了成形路径的优化可以有效地提高板料的成形极限与成形精度，然后利用优化后的成形方法并结合拉伸工序，实现了直壁筒形件的成形，并对成形后的零件进行退火工序去除残余应力，有效地消除了多道次成形零件剪裁之后的回弹现象。1.2.3渐进成形技术应用实例与前景数控渐进成形技术是根据现代社会对产品的要求日益多样化、个性化，产品设计高速创新，更新换代加速发展等特点而发展起来的塑性加工技术，这种成形技术适应了产品的创新设计、多品种、少批量生产、交货时间短，快速响应顾客需要等要求。该技术可以直接应用于汽车、航空、航天、医疗器械等产品的设计开发，为提高国内企业的市场竞争力有着重要的意义。在汽车行业的应用每年国际汽车市场都有大批新车上市，如何短时期、高效率、低成本和高质量地开发出新车型是如今汽车制造业面临的巨大难题。就传统成形工艺而言，在模具加工时，在模具设计和试制过程中耗费大量的时间，这样就造成产品的开发周期长、费用高等问题。在汽车覆盖件的开发中运用板料数控渐进成形技术，节约了在产品开发期间由于模具设计、制造、试制修改等复杂过程所消耗的大量时间和资金，进而缩短了新产品研发的周期及成本。同时该成形技术还可以用于对概念车设计的验证。图1-5给出了通过渐进成形的方法加工出来的汽车零件。 图1-5 渐进成形方法加工汽车零件在医学方面的应用在医学上，大量的矫形器、修补体等医疗器械都具有非常高的个性化特征，这样就使得传统的成形方法难以胜任，然而数控渐进成形技术所具有优秀的柔性加工特征正好适用于该类情况，故在医学领域得到快速发展及应用。 GAmbrogio等人24通过逆向工程技术获取人脚的三维数据并进行了三维建模，由数控渐进成形技术成形出踝足矫形器，成功将渐进成形技术应用在裸足矫形器的制造中，具体流程如图1-6所示。图1-6渐成形技术在踝足矫形器制造中的应用在艺术领域及其他方面的应用数控渐进成形技术同传统成形技术相比，该成形技术可以用来加工曲面更复杂、材料延伸率更高的金属制件，可以快速成形出常规成形工艺难以成形的复杂曲面零件。图1-7为利用渐进成形加工零件。图1-7 渐成形加工零件1.3 激光拼焊板简介拼焊成形指将不同的成分、性能、厚度、性能坯料拼焊在一起形成成形前的毛坯，然后用模具冲压或是渐进成形出所需要的零件。利用拼焊板进行成形的特点是在零件的不同部位可以获得不同的使用性能，从而达到减轻构件的质量、加强构件局部抗腐蚀能力、提高强度和刚度的目的，拼焊成形的原理如图1-8所示36。图1-8激光拼焊板成形原理示意图拼焊成形是近10年兴起的一项成形技术，在汽车工业得到广泛应用，并成为衡量汽车制造技术先进性的标志。以前，要想获得不同板厚或是不同性能的整体零件的方法都是先将其加工成每一个小的零件，然后再将其拼焊起来，这样会产生残余内应力等，会使板材的质量下降，板材在焊接处可能会开裂。而拼焊板的出现可以避免这些问题，产品的质量得到大大的提高。1.3.1激光拼焊板的特点拼焊板的特点是可以使成形零件在不同的部位获得不一样的性能，以下为其具体的优点36：变形前各部件已经焊接在一起，焊接残余变形基本可以被消除，提高了成形部件的整体精度和质量； 在成形前或轧制期间进行焊接，焊接工艺简单； 零件整体化，简化安装程序，减少装配数量； 改善了零部件的抗冲击能力，焊接件的抗冲击能力强于组装件； 减轻了零部件的重量，降低了材料成本。 然而由于拼焊板（管）板厚或材质的不同引起板料的不均匀变形给冲压成形工艺带来一系列问题，如起皱条件改变、压边圈需要改型、焊缝发生不均匀偏移等。1.3.2拼焊板焊缝模型建立的方法用有限元模拟拼焊板成形过程中，焊缝模型的建立一般有两种方法：第一种方法是根据焊缝的真实状况精确地建立焊缝模型。这种情况下，焊缝的类型、焊缝的热影响区及焊缝中的马氏体所占的质量比例应该予以考虑。这种方法需要密分焊缝附近区域的有限元网格。第二种方法将焊缝类型忽略，只考虑焊缝位置。这种方法是用一排粗网格来表示焊缝和热影响区，或者将其忽略不考虑。例如，加拿大Queen大学Scott37在有限元模拟焊缝对模拟的影响时，用两种方法来建立焊缝的模型，一种是考虑了焊缝的形状以及力学性能，用实体单元来构建焊缝，用壳单元来构建母材；另一种方法是忽略焊缝，用壳单元来构建母材，用刚性节点来连接。然后对拼焊板进行单向拉伸试验，平面应变试验，以及极限拱顶高试验进行模拟。研究表明：焊缝对成形模拟会产生很小的影响，这些影响是因为焊缝拥有较高的强度，焊缝沿自身轴向方向会对母材的变形产生约束。目前，在成形模拟过程中第二种方法被经常使用。焊缝区域的建模主要选用以下三种单元：梁单元；壳单元；通过刚性连接焊点建模。美国俄亥俄州立大学的K.M.zhao和B.K.Chun38等人在对拼焊板的冲压成形进行模拟中选用Abaqus/Standard5.7软件。图1-9为3种不同的有限元单元模型来构建热影响区和焊缝：图a）是将母材直接焊接起来不考虑焊缝及热影响区，板料选用三维壳单元；图b）中焊缝及热影响区与母材都选用三维壳单元；图c）用三维实体单元对拼焊板精确建模，差厚拼焊板的平整面向下对着凹模型面。结果表明,三维壳单元计算时间短、精度高。考虑热影响区模拟精度会得到很大的提升，但是对回弹的影响几乎没有。因为焊缝处的高屈服强度和高弹性模量对回弹的作用效果相反。因此，当热影响区相对于板料足够小时，可以将其忽略。图1-9 K.M.Zhao等人对焊缝及热影响区的有限元建模a. 用梁单元构建焊缝建模Nakagawa和Iwata39等人用有限元来模拟拉伸翻边问题，在考虑了材料的面内各向异性以及压边圈的初始压强分布来建立模型，准确的预测了焊缝外置对失稳的影响。建模时工具用实体单元，板材用壳单元，焊缝则采用梁单元。焊缝的塑性区，用硬化后的屈服应力和杨氏模量来线性近似。b. 用壳单元构建焊缝建模A.Buste40等人采用动态显式求解器LS-DYNA，对横向焊缝拼焊板的球面拱顶高试验建立有限元模型。单元选用四节点BT单元，厚度方向有7个积分点，面内有一个1个积分点。板料采用各向异性Barlat本构模型。实际拼焊板材料厚度台阶的模拟用中面偏置一定距离来实现。拼焊板、工具、垫片之间的接触和滑动边界条件用罚函数接触算法来实现。文章中，Buste认为采用壳单元和刚性连接来处理焊缝时结果相似。葡萄牙学者Ana Reis41等人在分析拼焊板成形过程中焊缝对成形性能的影响时，板料采用S4R(四边形缩减壳单元)焊缝采用S3R(三角形缩减壳单元)，模具则是采用刚体单元，研究焊缝对板料成形中制耳现象的影响时，结果与试验趋势相同，但是预测值要比试验真实。Lee42等人针对板料和垫片都使用BT壳单元时，对铝制拼焊板进行了拉深模拟时。由于薄侧和厚侧的节点相同，因此可以采用刚性节点连接，焊缝两侧的母材有相同的平动和转动自由度。c. 用刚性连接焊点对焊缝建模T Mindersd43等人对拼焊板代表性零件门内板的成形过程模拟时，热影响区采用焊接单元。焊接单元如图1-10所示，其长度为4mm，包括8个三角形子单元和10个子节点的两个矩形单元组成，整个热影响区共使用了32个焊接单元。图1-10两种母材焊接单元示意图综上所述，当热影响区相对于板料足够小时，可以将其忽略。因此，在成形模拟过程中，焊缝建模常用的方法为焊缝类型忽略，只考虑焊缝位置。焊缝对成形模拟产生很小的影响是因为焊缝拥有较高的强度，焊缝沿自身轴向方向会对母材的变形产生约束。另外，三维壳单元计算时间短、精度高。所以，本文激光拼焊板渐进成形有限元模型中建立焊缝模型的方法为只考虑焊缝位置，忽略焊缝类型的影响，采用S4R壳单元。1.3.3影响激光拼焊板成形质量的主要因素母材厚度差对成形性能的影响41）拼焊板料厚度和材料相同时，裂纹出现在焊缝处，且总是垂直于焊缝，这与焊缝的延伸性较差有一定的关系。查阅相关文献得知，厚度和强度相同的激光拼焊板与单一板相比，主应变方向平行于焊缝时，杯突试验的极限拱顶高下降了30，而与焊缝垂直时降了10。2）不同厚度的拼焊板，主应变方向平行于焊缝时，因为焊缝的韧性比基体差，所以焊缝首先破裂。当主应变方向与焊缝相互垂直时，因为基体的抗拉强度低于焊缝，使得变形主要发生在基体上，所以基体中较薄的一侧首先破裂。 3）与基材相比强度相同、厚度不同的拼焊板，杯突试验的极限拱顶高下降 43。这是由于焊缝和邻近焊缝较厚一侧局部发生畸变后诱导变形所造成的，在此部位两侧材料的主应变方向发生了变化。当薄板所占比例较大时，拼焊板性能接近母材，当焊缝在板材中心或是厚板占的比例比较大时，变形过程中可能会因为应力的分布不均匀而失稳。 不同力学性能搭配对成形质量的影响 拼焊板一般是由不同力学性能的板材焊接而成的，而性能不同则成形能力也不同。如何使变形协调进行是拼焊板成形的重要因素，因为材料不同则K值，n值也不相同，而k和n对板料的成形性能影响极大。在成形过程中，由于坯料各部分具有不同变形性能，也就有着不同的变形效果。强度比较高的一侧不容易屈服，发生塑性变形，强度低的一侧早已进入了塑性变形并且较早产生塑性流动。结果是，较弱的材料过早的出现变薄和产生破裂的趋势，而强度较高的材料可能还并没有进入塑性变形。因此，选择合理的强度搭配有利于拼焊板的成形。 1.4本文主要研究内容综上所述，激光拼焊板的应用和发展为汽车的轻量化、节能减排，降低制造成本、提高整车安全性等方面提供了条件，将会被越来越重视。数控渐进成形技术作为一种新的塑性成形技术，能够有效适应现代工业需求，具有塑性高、成本低、成形力小及成形性能高等优点。随着激光拼焊板和渐进成形的技术越来越成熟，将渐进成形技术应用于激光拼焊板成形领域，对拼焊板的工程应用有着重要的意义。通过研究发现，国内外学者利用数控渐进成形技术对激光拼焊板进行成形的研究还不够成熟，还有很多问题等待解决；板料渐进成形过程中易出现的缺陷主要有：制件超过成形极限、表面质量缺陷和制件成形精度低。 第1章 ，介绍了国内外关于金属板料渐进成形研究现状和激光拼焊板的特点以及数值模拟中焊缝模型的建立方法。第2章 ，介绍了建立激光拼焊板有限元模型的关键问题，如单元类型的选取、材料模型的建立、工具头轨迹的加载、接触的处理、摩擦模型和求解方法的选取等。第3章 ，针对成形极限问题，建立激光拼焊板渐进成形有限元模型，以变角度椭圆台件为研究对象，应用正交试验的方法研究渐进成形工艺参数，即成形工具直径、下压量、焊缝位置、板厚比等，对激光拼焊板渐进成形性能的影响。以正交试验的最优组合为例，对激光拼焊板渐进成形过程的应力、应变和板厚进行了分析。第4章 ，针对圆锥件的回弹的问题，通过数值模拟方法研究激光拼焊板渐进成形的回弹问题，并运用神经网络的方法，建立回弹预测模型，通过实验验证模型的有效性。13第二章 激光拼焊板渐进成形数值模拟第二章 激光拼焊板渐进成形数值模拟2.1有限元模型的建立板材数控渐进成形的数值模拟不同于常规的冲压成形过程的模拟，因为它涉及空间复杂刀路轨迹的加载以及工具头与板材的动态接触，不存在建模的对称性，因此与传统冲压工艺建模相比，其有限元模型和求解过程相对复杂。渐进成形的工具头不仅具有Z方向的直线运动，还要在X-Y平面内做任意曲线运动，以实现一层层的等高线轮廓的加工。要建立正确的有限元分析模型，较好的反应实际加工过程，获得真实可信的分析结果，并具有较高的计算效率，必须选择合适的处理方法。一方面，需对实际成形过程进行一定的简化处理；另一方面，需解决建模时的关键问题，如单元类型的选取、材料模型的建立、工具头轨迹的加载、接触的处理、摩擦模型和求解方法的选取等问题。2.1.1单元类型目前渐进成形数值模拟选择的单元有三种：膜单元、壳单元和三维实体单元。最早应用于板材渐进成形有限元分析的单元类型是膜单元44。这种单元的优点是构造格式简单、对计算机内存要求低和计算效率高，但由于忽略了弯曲效应，每个节点的自由度数目减少了，体现不出数控渐进成形过程中的弯曲效应；膜单元仅考虑沿厚度方向均匀分布且平行于中性面的应力，也模拟不出渐进成形中板材厚度方向的应力分布，故膜单元不