曲线焊缝差厚拼焊板冲压性能研究

1、第14卷第6期2007年12月塑性工程学报J OU RNAL OF PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 114No 16Dec 12007曲线焊缝差厚拼焊板冲压性能研究(同济大学现代制造技术研究所,上海200092林建平胡巧声(上海大众汽车有限公司,上海201805鲍文华(上海第二工业大学,上海201209田浩彬摘要:目前对于曲线焊缝拼焊板的研究和应用还比较少,对其成形规律还不清楚。文章通过曲线焊缝拼焊板的半球胀形试验及有限元仿真,得出相对于其他类型曲线焊缝拼焊板而言,圆弧焊缝拼焊板有较好的冲压性能的结论;并探索了圆弧焊缝拼焊板的焊缝半径与焊缝移动和成形高度之间的关系

2、,导出了相关的数学表达式,为生产实际提供了理论指导。关键词:拼焊板;曲线焊缝;焊缝移动;成形极限中图分类号:T G 113126+2文献标识码:A 文章编号:100722012(20070620063205 林建平E 2mail :jplin58mail 1tongji 1edu 1cn作者简介:林建平,男,1958年生,福建安溪人,教授,工学博士,主要研究方向为汽车模具及塑性成形技术、制造系统集成与自动化技术收稿日期:2006212226;修订日期:2007207209引言拼焊板(Tailor 2welded blanks ,TWBs 冲压技术是指将两块或两块以上不同厚度的金属板料焊接在一起

3、,然后进行冲压成形,其组成的板料可以具有不同厚度、性能、材质和表面涂层。在生产、制造和设计方面,拼焊板的使用有着巨大的优势1,除可提高零件的装配精度,满足零件各部位对材质、厚度、涂层、性能等不同的要求之外,使用拼焊板还可以在很大程度上降低车身的重量,从而提高燃料的利用率,使汽车的动力性能提高,同时降低汽车尾气的排放,减小对环境的影响。目前,对于拼焊板的研究主要集中于直线焊缝和折线焊缝情况下的差厚拼焊板,且对板厚比也有一些具体的研究。随着对汽车零件要求的提高,折线焊缝差厚拼焊板的应用已越来越多,但在应用方面还存在一些难点,如对折线焊缝转折点的应力集中控制、板料成形的尺寸精度控制、缺陷控制等问题。

4、所以考虑采用曲线焊缝替代原来的折线焊缝,以改善板材的成形质量。本文基于上述问题,对曲线焊缝差厚拼焊板的成形规律进行了初步探索。1曲线焊缝拼焊板成形规律研究111试验模型和有限元模型的建立为研究不同形式曲线焊缝的成形性能,本文首先对折线、抛物线、spline 曲线以及圆弧等4种曲线焊缝进行对比分析。图1试验模具Fig 11Test mould有限元模型的正确性必须先通过实验来验证,这里选用最简单的曲线形式圆弧建立曲线焊缝差厚拼焊板的半球胀形试验及其有限元模拟展开研究。试验模具如图1所示,试验所用板料为GMW2M 2ST 2S (美国产低碳冷轧钢,性能见表1,板料则选用7612mm 和10116m

5、m 两个焊缝半径尺寸。为了验证有限元模拟的正确性,根据试验模具建立的有限元模型如图2所示。模型中拼焊板板料尺寸形状为20312mm ×20312mm ,板厚比为115(薄板厚1117mm 。曲线焊缝位置如图3所示。模拟中选用了多组不同曲线焊缝的尺寸,焊缝半径范 围在7612mm (3inch (直线焊缝之间。单元采用四边形Belyt schko 2Tsa y 壳单元,焊缝采用刚性连接,有限元模拟中的边界条件如表2所示 。表1材料参数Tab 11Material parameter材料名称钢板n 值01195K 值(薄板/厚板595MPa/585MPa 屈服应力(薄板/厚板243MPa

6、/224MPa 抗拉强度(薄板/厚板362MPa/355MPa图4为焊缝半径为10116mm 的差厚拼焊板的半球胀形试验结果和有限元模拟结果。可以看出,拼焊板的失效发生在薄板侧靠近焊缝顶点处。图5给出焊缝半径分别为7612mm 和10116mm 的差厚拼焊板胀形试验后等效应力云图。表 2 边界条件Tab 12Boundary condition摩擦系数011屈服准则Von Mises硬化曲线珋=K 珋n压边力40kN 冲压速度1000mm/s各向异性系数110图6焊缝半径为10116mm 的曲线焊缝移动情况Fig 16The movement of curvilinear 2weld 2lin

7、etailor 2welded blanks at R =10116mm焊缝半径分别为7612mm 和10116mm ,差厚拼焊板在成形后的焊缝移动量的比较如图6、图7所示。可以看出,焊缝半径为10116mm 的焊缝移动量较大,而焊缝半径为7612mm 的焊缝移动量较小,试验值和模拟值均有较好的吻合性。46塑性工程学报第14卷 图7焊缝半径为7612mm 的曲线焊缝移动情况Fig 17Movement of curvilinear 2weld 2line tailor 2weldedblanks at R =7612mm另外,本文还对两种不同曲线半径的拼焊板成形高度进行了比较。图8为不同焊缝情

8、况下的拼焊板成形高度的比较。可以看出,不同焊缝半径下的拼焊板的成形高度都不尽相同。试验值指出,曲线半径为10116mm 的焊缝拼焊板的成形高度略高于曲线半径为7612mm 焊缝的拼焊板。同样地,有限元模型的结果也有着相同的变化趋势 。图8胀形高度比较Fig 18Compare of dome height通过比较发现,有限元的结果数值和试验数值仍然存在着不到2%的差异。这是由于在实际操作中板料本身或者现场的条件的变化会给试验结果带来一定的偏差,这个误差在可以接受的范围之内。112不同形式曲线焊缝的对比分析在验证了有限元模型的正确性基础上,本文建立不同形式曲线焊缝的有限元模型,为了提高对比结果的

9、可参照性,本文将有限元模型统一为板厚比115(薄板厚度1117mm ;圆弧半径为200mm ,抛物线方程为y =-01003875x 2,折线斜率为±411,spline 曲线在相同的区域内取得接近于其他曲线,以最高处为原点,取点(0,0,(±3015,-3100,(±5018,-7173,(±8113,-17141,(±10116,-24173获得。焊缝如图9所示。在拼焊板成形过程中,极限胀形高度是衡量板料成形能力的一个重要指标 ,在板厚等条件确定的图9不同形式的曲线焊缝Fig 19Curvilinear 2weld 2line tailor

10、 2welded blankswith different shapes情况下,它反应了拼焊板成形能力的高低。此外,由于薄厚两侧母材的承载能力不同,导致拉延过程中材料流入和焊缝两侧材料变形不均匀,产生焊缝移动,加剧薄侧材料应变集中,从而降低整块板料的成形性能2。所以,本文针对极限胀形高度与焊缝移动量这两个重要参数,研究曲线焊缝拼焊板的成形性能。通过计算获得各种形式焊缝极限胀形高度以及在胀形高度为20mm 情况下的焊缝移动量的比较,结果如图10、图11 所示。可以看出,圆弧焊缝的极限成形高度最高,且在同一成形高度时,焊缝移动量最小,其成形性能最优。同时圆弧也是最简单的曲线形式之一,并且在激光焊接

11、过程中,圆弧焊缝易于生产实现,所以本文采用圆弧作为焊缝的曲线形式进一步研究曲线焊缝拼焊板的成形性能。56第6期林建平等:曲线焊缝差厚拼焊板冲压性能研究113不同半径圆弧焊缝比较及分析本文在112中提到衡量拼焊板成形性能的两个重要参数,对其研究有很大的意义。本文对于圆弧焊缝拼焊板成形性能的研究是围绕极限胀形高度与焊缝移动量这两个重要参数展开的。11311成形能力的研究图12为板厚比为115,不同焊缝曲线半径的拼焊板的成形高度的比较。通过有限元计算的数据可以看出,整体上拼焊板的成形高度与焊缝半径成非线性关系。在同一板厚比的情况下,随着焊缝半径的增加,在半径小于350mm 时,极限胀形高度有明显增加

12、;在半径大于350mm 后,增加趋缓。这是由于在变形初期阶段,由于薄板相对于厚板容易发生变形3,即变形力达到一定数值时,首先满足了薄板变形的条件,使得薄板开始发生变形;而此时,由于还未达到厚板变形所需的力,厚板暂不发生变形;随着薄板变形的增加,材料发生硬化,使得变形所需的变形力增加,当达到厚板变形所需的条件时,厚板进行塑性变形;如此进行下去,直至板料破裂为止。随着焊缝半径的增大,即厚板参与变形的面积就增大,因此,在相同的边界条件下,厚板面积较大的拼焊板的成形高度比厚板面积小的拼焊板的成形高度高 。图12焊缝半径不同的曲线焊缝的拼焊板极限胀形高度Fig 112Dome height of cur

13、vilinear 2weld 2line tailor 2weldedblanks with different radius可见,拼焊板曲线焊缝半径与其极限胀形高度之间存在函数关系,本文通过解析式对其进行描述。令极限胀形高度为h ,焊缝半径为r ,用最小二乘法对其进行拟合,则存在解析式(1的拟合函数关系。可以看出,极限胀形高度和焊缝半径成指数关系。比较图12可知,解析式(1的拟合曲线与有限元结果具有较好的吻合关系。h =25179-7120e-r100104(1应用统计学方法进行显著性分析,本文采用相关系数检验法,取显著性水平=0105,此时C =01576,计算得检验统计量R =01829

14、3,满足|R |>C ,证明公式(1合理。当r (直线焊缝时,由式(1得h =25179mm ,通过相应的直线焊缝试验结果测量得到的极限胀形高度与其有较好的吻合关系。11312焊缝移动的研究图13为板厚比为115,不同焊缝曲线半径的拼焊板在胀形高度为20mm 情况下的焊缝移动量的比较。通过有限元计算的数据可以看出,在同一板厚比、同一胀形高度的情况下,随着焊缝半径的增大,焊缝的移动有逐渐减小的趋势。总体上来说,拼焊板的焊缝移动量均保持在210mm 215mm 之间。当半径小于110mm 以下时,随着焊缝半径的增大,焊缝的移动距离有明显的减小趋势;当半径大于110mm 时,随着焊缝半径的增大

15、,变形从平面应变状态转向等双拉状态4,变形能力增强,焊缝移动距离逐渐减小。这是由于焊缝两边厚度不均,使得在相同作用力的条件下,焊缝两边金属的变形程度不一致,从而导致了焊缝移动在变形初始阶段,薄板首先满足屈服条件开始塑性变形,而对于厚板而言 ,还未达到其塑性变形条件,薄板和厚板又是一个整体,厚板在一定程度上抑制着薄板在焊缝方向上的变形,而薄板易在厚度方向和垂直于焊缝的方向发生变形,随着焊缝半径的增大,焊缝移动距离就越小。图13焊缝半径不同的曲线焊缝移动形式Fig 113Movement of curvilinear 2weld 2line tailor 2weldedblanks with di

16、fferent radius拼焊板曲线焊缝半径与其焊缝最大移动距离之间也存在函数关系。令焊缝中央移动的最大距离为d ,焊缝半径为r ,用最小二乘法对其进行拟合,得到解析式(2的拟合函数关系。可以看出,焊缝移动的最大值和焊缝半径成指数关系。d =2114+124148e -r12136(266塑性工程学报第14卷应用统计学方法进行显著性分析,本文采用相关系数检验法,取显著性水平=0105,此时C =01576,计算得检验统计量R =-016640,满足|R |>C ,证明公式(2合理。当r (直线焊缝时,由式(2得d =2114mm ,通过相应的直线焊缝试验结果测量得焊缝中央移动的最大距离

17、与其有较好的吻合关系,从而证明了解析式的合理性。2结论1本文通过对不同类型曲线焊缝的成形性能的对比分析,得出相对于其他形式焊缝而言,圆弧焊缝的成形性能较优。由于圆弧是最简单的曲线形式之一,同时在激光焊接过程中,圆弧焊缝易于生产实现。所以,应用圆弧焊缝有实际意义。2在圆弧曲线焊缝拼焊板成形过程中,当板厚比一定的情况下,焊缝半径是影响拼焊板成形性能的主要因素之一。本文研究表明,当焊缝半径达到一定数值后,拼焊板的胀形高度与焊缝移动量趋于定值。另外,本文利用最小二乘法拟合了曲线焊缝半径对差厚拼焊板的成形高度和焊缝移动的曲线,得到了反映相关规律的数学解析式。为生产实际提供了指导,对生产过程中较优焊缝曲线

18、半径的确定提供了帮助。参考文献1Shi M F ,Pickett K M ,Bhatt K K 1Formablity issuesin the application of tailor welded blank sheets J 1SA E paper No 1930278,199313453532杨继昌,陈炜,张福祥,仲志刚,方禾,朱国璋.差厚拼焊板拉延成形工艺研究J .江苏大学学报(自然科学版,2003124(53陈炜,杨继昌,林忠钦1拼焊板覆盖件成形过程中的焊缝移动和成形性能J .机械工程学报,2004140(94童正国,田浩彬,林建平,L S Smith.轿车拼焊板板厚对胀形成形的

19、影响J .锻压技术,2005130(增刊:5558Study of curvilinear 2w eld 2line tailor 2w elded blanks stampingcapability with different thickness ratioL IN Jian 2ping HU Qiao 2sheng(Institute of Advanced Manufacturing Technology ,Tongji University ,Shanghai 200092China BAO Wen 2hua(Shanghai Volkswagen ,Shanghai 201805C

20、hina TIAN Hao 2bin(Shanghai Second Polytechnic University ,Shanghai 201209China Abstract :The research and application of Tailor 2welded blanks with curvilinear 2weld 2line is relatively few and its forming regular 2ity is indistinct in this field 1Through forming the physical dome test models and finite element method (FEM mode