拼焊板成形極限圖特征研究

胡巧聲 倪 鋒 林建平

1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站，上海，201804 2.上海汽車工業(yè)（集團(tuán)）總公司，上海，200041 3.南京依維柯汽車有限公司，南京，210028

拼焊板成形極限圖特征研究

胡巧聲1，2倪 鋒2，3林建平1

1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站，上海，201804 2.上海汽車工業(yè)（集團(tuán)）總公司，上海，200041 3.南京依維柯汽車有限公司，南京，210028

對不同條件下拼焊板成形極限圖的特征進(jìn)行了研究，從弱側(cè)材料先達(dá)到變形極限的角度來詮釋拼焊板成形過程中的破裂現(xiàn)象。拼焊板成形極限圖臨界線的位置高低僅由破裂處材料的屬性（材料性能與厚度）來決定，影響因素的不同所改變的是其破裂時(shí)所能獲得的極限應(yīng)變狀態(tài)的范圍。

拼焊板；成形極限圖；應(yīng)變狀態(tài)；成形能力

0 引言

近年來，具有多方面綜合優(yōu)勢的拼焊板在汽車工業(yè)上的應(yīng)用備受關(guān)注［1］。然而，焊縫與母材之間相異性的存在使得拼焊板的成形性能劣于母板。拼焊板在成形的過程中常見的強(qiáng)側(cè)母材塑性變形不充分、弱側(cè)母材過分變形的情況會導(dǎo)致弱側(cè)母材提前開裂或出現(xiàn)焊縫破裂的現(xiàn)象，使拼焊板的成形能力大大下降。實(shí)驗(yàn)顯示，不僅差厚拼焊板的成形性能相對于單一母材有所下降，甚至同材同厚拼焊板的脹形高度也較母板有較為明顯的下降［2］。拼焊板這種成形極限能力的下降是與其組成成分的復(fù)雜性相關(guān)的，包括焊縫相異于母材的特性對于整體成形能力的影響、焊縫兩側(cè)母材的材料性能及厚度的差異性對于整體成形能力的影響［3－4］。

成形極限是衡量金屬板料成形性能的重要指標(biāo)，對于拼焊板來說，焊縫及其熱影響區(qū)存在、母材厚度差或強(qiáng)度差、載荷與焊縫的位相關(guān)系、焊接工藝參數(shù)等因素的影響，使得其成形極限圖（FLD）的確定顯得較為復(fù)雜［5－6］。本文對不同條件下拼焊板FLD的特征展開分析，試圖通過其顯現(xiàn)的共性與相異性來尋找詮釋拼焊板相對于母材成形極限能力下降的原因。

1 有限元模型的建立及其試驗(yàn)驗(yàn)證

由于拼焊板存在焊縫方向、母材搭配的多異性，故本文對不同條件下拼焊板FLD特征的研究主要采用經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的有限元仿真模型來開展。有限元仿真的結(jié)果是否正確，其模型起到重要的作用，故先利用同材差厚拼焊板的FLD試驗(yàn)數(shù)值與有限元模型分析結(jié)果的對比來驗(yàn)證有限元模型的正確性。

1.1 成形試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的拼焊板母材材料為DC56D＋Z，母材厚度分別為0.7mm和1.5mm，焊縫方向?yàn)榭v向，如圖1所示。試件按照GB／T15825.8要求，通過改變不同試件寬度以及改變模具與板料的摩擦條件使零件在成形過程中獲得不同的應(yīng)變狀態(tài)，各試件的加工尺寸如圖1所示。

圖1 拼焊板FLD試驗(yàn)板料示意圖

成形后的試件極限應(yīng)變值采用網(wǎng)格法測量，所刻的網(wǎng)格見圖2，為直徑2.5mm的圓形網(wǎng)格，模具、成形極限試驗(yàn)獲得的試件及試件單元應(yīng)變測量如圖3、圖4所示。

圖2 板料網(wǎng)格示意圖

圖3 模具與成形極限試驗(yàn)試件

圖4 試件單元應(yīng)變測量

從試驗(yàn)結(jié)果分析，試件均破裂在薄板處，裂紋的方向與焊縫方向平行。厚板整體變形均勻，焊縫在脹形之后向厚板移動(dòng)。

1.2 有限元仿真模型的建立

按照試驗(yàn)?zāi)＞咭约鞍辶系木唧w規(guī)格，在DYNAFORM中建立拼焊板脹形有限元模型，見圖5。沖頭直徑為100mm，母材DC56D＋Z的性能參數(shù)見表1，焊縫材料使用冪指型本構(gòu)關(guān)系，賦予相關(guān)的材料性能［7］。

圖5 拼焊板脹形有限元模型

表1 材料性能參數(shù)

1.3 試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果的對比與分析

圖6 仿真值、試驗(yàn)值以及薄板經(jīng)驗(yàn)公式的比較

將有限元仿真結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果以及薄板FLD的經(jīng)驗(yàn)公式［8］曲線繪于同一極限圖上，見圖6。從試驗(yàn)與仿真的對比分析結(jié)果可見，DC56D＋Z 1.5mm∶0.7mm時(shí)縱向焊縫差厚拼焊板的成形極限應(yīng)變的試驗(yàn)值與仿真值有較好的吻合度，且極限點(diǎn)都接近于薄側(cè)板料經(jīng)驗(yàn)公式曲線，故此有限元模型可信，可以作為后續(xù)的分析基礎(chǔ)。此外，仿真獲得的極限應(yīng)變狀態(tài)范圍大于試驗(yàn)獲得的數(shù)值范圍，這是由于仿真中不存在實(shí)際成形過程中的各種外界干擾，可以減小試驗(yàn)誤差。從圖6右側(cè)獲得的成形極限值結(jié)果可見，基于傳統(tǒng)單一板料FLD獲取方法繪得的同材差厚拼焊板FLD上的極限應(yīng)變值離等雙向拉伸狀態(tài)較遠(yuǎn)，而靠近平面應(yīng)變狀態(tài)?？梢?，同材差厚拼焊板在相同的外載情況下，相對于單一板料，其變形區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)不利于板料成形能力的發(fā)揮，將會導(dǎo)致拼焊板零件成形極限能力的下降。

2 不同條件下拼焊板成形極限圖特征分析

相對于傳統(tǒng)單一板材而言，拼焊板引入了焊縫、不同的板料材質(zhì)、厚度差異等因素，帶來了成形過程以及結(jié)果的相異性。本節(jié)為了研究拼焊板成形極限圖的特征，針對不同拼焊角度、不同母材厚度差異、不同母材強(qiáng)度差異等因素對拼焊板成形極限的影響進(jìn)行相關(guān)的分析討論。根據(jù)GB／T15825.8傳統(tǒng)單一板料FLD的獲得方式，運(yùn)用仿真模型對不同條件下拼焊板的成形極限圖特征展開研究。

2.1 不同拼焊角度下拼焊板成形極限圖的特征

焊縫的存在，使拼焊板在成形過程中各部位的受力狀態(tài)相對于傳統(tǒng)單一板料發(fā)生了變化。由于拼焊板沿焊縫不同方向的成形能力存在差異，拼焊角度的差異性將導(dǎo)致相同的零件在同樣的外載下，各個(gè)部分的應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)產(chǎn)生差異，從而影響拼焊板的成形極限。

筆者研究了不同的拼焊角度對拼焊板成形極限圖的影響，為了盡可能排除焊縫失效以及母材性能差異在拼焊角度變化時(shí)對成形結(jié)果的干擾，選用同材（DC56D＋Z）差厚（厚度比為1.5∶1.1）拼焊板為研究對象。各尺寸成形后繪得的FLD如圖7所示。

圖7 不同拼焊角度下DC56D＋Z同材差厚（1.5∶1.1）拼焊板的FLD

由成形結(jié)果分析，在不同的拼焊角度下，隨著試件寬度的變化，都獲得了不同應(yīng)變狀態(tài)下的極限應(yīng)變值。當(dāng)焊縫角度為0°時(shí)，在成形極限圖的左半部分（拉深區(qū)），拼焊板的破裂情況為焊縫斷裂，其余角度情況下均為薄側(cè)母材破裂。從最后的FLD可見，在薄側(cè)破裂時(shí)，各種拼焊角度下繪得的成形極限曲線的高度基本一致，這是因?yàn)槠屏烟幍哪覆暮穸扰c材料性能是一致的，都為1.1mm的DC56D＋Z。但是，相同尺寸寬度的零件，在不同角度下獲得的極限應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)在成形極限曲線上分布的位置發(fā)生了變化，可見在相同的板料尺寸下焊接角度的變化影響了破裂點(diǎn)的極限應(yīng)變狀態(tài)。

2.2 不同厚度差異下拼焊板成形極限圖的特征

拼焊板存在不同厚度的母材，這種厚度差異將影響拼焊板零件的成形。為更好地體現(xiàn)母材的厚度差異對拼焊板成形極限圖的影響，此處以縱向焊縫（拼焊角度90°）DC56D＋Z同材差厚拼焊板為對象，進(jìn)行相關(guān)的成形仿真分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同厚度差異下縱向焊縫DC56D＋Z同材拼焊板的FLD

由仿真成形結(jié)果分析，同材同厚拼焊板部分寬度尺寸的試件由于成形時(shí)平行于焊縫方向的形變較大，試件在焊縫處破裂，其余試件為薄側(cè)母材破裂。厚度差異的不同，使得拼焊板的成形試件獲得的極限應(yīng)變值不同。隨著薄側(cè)板料厚度的增加，拼焊板的成形極限曲線向上移動(dòng)，成形極限值呈增加趨勢，這是由于破裂處母材的材料性能參數(shù)雖然相同，但是厚度不一致，與傳統(tǒng)單一板料成形極限圖規(guī)律相似，破裂處材料的厚度越大，成形極限曲線的高度越高。此外，在成形極限圖的右半部分（脹形區(qū)域），隨著薄側(cè)母材厚度的增加，獲得的極限應(yīng)變點(diǎn)越來越向等雙向拉伸狀態(tài)偏移，即厚度差異性越小，可以獲得的應(yīng)變狀態(tài)（同材同厚拼焊板例外，其成形過程中出現(xiàn)了焊縫破裂的情況）越好。

2.3 不同母材強(qiáng)度差異下拼焊板成形極限圖的特征

傳統(tǒng)單一板料的材料性能參數(shù)如硬化指數(shù)n、厚向異性系數(shù)r等也是影響拼焊板FLD的重要參數(shù)。拼焊板的實(shí)際應(yīng)用中存在眾多的異材拼焊的情況。這種母材材料參數(shù)的差異性也將對拼焊板成形的過程產(chǎn)生影響。為了減小焊縫斷裂失效對成形結(jié)果的干擾，本部分通過縱向焊縫異材差厚（1.5mm∶1.1mm）拼焊板的成形仿真開展母材強(qiáng)度差異對于拼焊板FLD的影響研究。選用母材為DC56D＋Z、H220YD、B340。材料參數(shù)如表1所示。

仿真中以DC56D＋Z為厚側(cè)材料（1.5mm），通過不同寬度試件沖壓獲得成形極限應(yīng)變，繪得對應(yīng)的拼焊板FLD，如圖9所示。

圖9 不同強(qiáng)度母材下的縱向焊縫異材差厚拼焊板的FLD

排除厚度因素，從母材性能強(qiáng)度上分析，B340的強(qiáng)度最好，H220YD次之，DC56D＋Z的強(qiáng)度最弱。成形分析結(jié)果顯示：DC56D＋Z同材組合時(shí)為1.1mm薄側(cè)材料破裂，DC56D＋Z與H220YD組合時(shí)為1.1mm薄側(cè)H220YD材料破裂，DC56D＋Z與B340組合時(shí)為1.5mm厚側(cè)DC56D＋Z材料破裂。

不同母材強(qiáng)度差異下的拼焊板成形極限曲線的高度也不同，DC56D＋Z與B340組合的成形極限曲線的位置最高，而DC56D＋Z與H220YD組合的成形極限曲線位置最低。這是由于各種組合情況下的破裂板料的厚度與材料不同，必然導(dǎo)致成形極限應(yīng)變值的不同。此外，在成形極限圖的右半部分（脹形區(qū)），不同母材強(qiáng)度差異下的拼焊板組合獲得的應(yīng)變狀態(tài)范圍也不同，DC56D＋Z與H220YD組合獲得的極限點(diǎn)最靠近等雙向拉伸狀態(tài)，其極限應(yīng)變的狀態(tài)范圍相對最廣，可見在相同尺寸零件成形過程中，母材的差異性影響了極限應(yīng)變點(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)的范圍。

3 結(jié)論

（1）由于拼焊板母材的板料厚度和性質(zhì)的差異以及焊縫的存在改變了傳統(tǒng)的單一板材成形中的金屬流動(dòng)規(guī)律，使得拼焊板成形極限表現(xiàn)出自己的特點(diǎn)。拼焊板相對于母材而言成形極限能力有所下降的原因在于母材之間性能的差異性以及焊縫的存在使得弱側(cè)材料在成形過程中率先達(dá)到了變形極限。

（2）拼焊板的成形極限圖的臨界曲線的高低僅由破裂處材料的屬性（材料性能與厚度）來決定。當(dāng)破裂所處的板料材料性能與厚度一致時(shí)，相同尺寸板料在同樣的外載情況下成形，隨著影響因素的變化，改變的僅僅是極限應(yīng)變點(diǎn)在FLD曲線上所處的位置，而無法改變FLD曲線的高低位置。可見影響因素不同所改變的是拼焊板破裂處的極限應(yīng)變狀態(tài)范圍，拼焊板由于母材差異性以及焊縫的存在，故在成形過程中無法獲得理想的應(yīng)變狀態(tài)。這個(gè)應(yīng)變范圍的變化對拼焊板成形極限能力的影響是不容忽視的，對其進(jìn)一步地深入研究對揭示拼焊板成形極限能力相對于母材下降的機(jī)理有積極的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

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Investigation on Forming Limit Diagram Characteristics for Tailor Welded Blanks

Hu Qiaosheng1，2Ni Feng2，3Lin Jianping1
1.Tongji University Postdoctoral Research Station of Mechanical Engineering，Shanghai，201804 2.Shanghai Automotive Industry Corporation（Group），Shanghai，200041 3.Nanjing IVECO（NAVECO）Motors Co.，Ltd.，Nanjing，210028

Through the investigation of FLD characteristics for TWB under different conditions，the cracking in TWB forming process were explained by that the weak－side base material was up to its forming limit in advance.The position of FLD critical curve was determined only by material property in cracking regions（material performance and thickness），and different factors mainly affect the range of limit forming state when cracking occurs.

tailor welded blank（TWB）；forming limit diagram（FLD）；strain state；formability

TG113.26

1004—132X（2011）10—1232—04

2010—07—29

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20070247025）

（編輯 袁興玲）

胡巧聲，男，1983年生。同濟(jì)大學(xué)和上海汽車工業(yè)（集團(tuán)）總公司聯(lián)合培養(yǎng)博士后研究人員。主要研究方向?yàn)槠囅冗M(jìn)制造技術(shù)以及汽車NVH性能。倪 鋒，男，1965年生。上海汽車工業(yè)（集團(tuán)）總公司、南京依維柯汽車有限公司教授級高級工程師。林建平，男，1958年生。同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。