車身覆蓋件拼焊板沖壓成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

宋燕利 華 林

武漢理工大學(xué)，武漢，430070

車身覆蓋件拼焊板沖壓成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

宋燕利 華 林

武漢理工大學(xué)，武漢，430070

簡述了汽車車身覆蓋件拼焊板沖壓成形技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展歷史；從拼焊板材料與焊接技術(shù)、拼焊板沖壓成形的研究手段和面臨的幾個(gè)關(guān)鍵問題等方面闡述了有關(guān)拼焊板研究和應(yīng)用的最新成果；探討了拼焊板沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

車身覆蓋件；拼焊板；沖壓成形；汽車輕量化

0 引言

汽車輕量化是近年來各國政府、學(xué)術(shù)界和汽車工業(yè)界為應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境等全球性問題而共同提出的一大舉措。提升高強(qiáng)度、輕重量的新型材料（如高強(qiáng)度鋼板、鋁合金和鎂合金等）在汽車生產(chǎn)中的用量是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一。

在實(shí)際生產(chǎn)中，車身零件各部位對(duì)材質(zhì)、厚度、強(qiáng)度和耐腐蝕性等要求不盡相同，采用單一鋼板整體沖壓成形方式，勢(shì)必導(dǎo)致選材裕度過大、成本過高的結(jié)果；采用分離成形后點(diǎn)焊方式，因材料搭接又使得車身重量和裝配成本增加，并存在配合等問題。為此，一種能夠同時(shí)克服整體成形和分離成形等缺點(diǎn)的先進(jìn)材料加工技術(shù)——拼焊板（tailor welded blanks，TWBs）沖壓成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。具體來說，這種技術(shù)是將兩塊或兩塊以上的不同材質(zhì)、不同厚度和（或）不同表面涂層的金屬板料，采用焊接方式連在一起，然后進(jìn)行沖壓成形。

拼焊板沖壓成形技術(shù)至少具有以下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)［1－2］：①滿足零件各部位對(duì)材質(zhì)、厚度、涂層以及性能等不同的要求；②解決了傳統(tǒng)單一厚度材料無法滿足的超長、超寬零件的制造問題；③消除搭接，減少焊點(diǎn)數(shù)量，降低車身重量；④提高車輛結(jié)構(gòu)整體剛度和密封性能，改善裝配精度；⑤減少模具數(shù)目，降低材料消耗；⑥碰撞中吸收能量，增強(qiáng)耐撞性。

20世紀(jì)60～80年代初，日本豐田、美國福特以及歐洲多家汽車公司先后進(jìn)行了車身及零部件的拼焊。20世紀(jì)80年代末，隨著國際上節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的呼聲不斷提高，以及千瓦級(jí)連續(xù)CO2激光器的出現(xiàn)，汽車拼焊板進(jìn)入了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)階段。德國蒂森·克虜伯鋼鐵公司是歐洲較早大規(guī)模采用激光生產(chǎn)拼焊板的鋼鐵公司。隨后，美國鋼鐵協(xié)會(huì)和國際鋼鐵協(xié)會(huì)組織全球18個(gè)國家35家鋼鐵廠制訂了超輕鋼制車身（ultralight steel auto body，ULSAB）計(jì)劃，激光拼焊板則是其中的一項(xiàng)主要課題。1988年3月，在ULSAB計(jì)劃指導(dǎo)下生產(chǎn)的第一輛樣車中共使用了16個(gè)拼焊板沖壓件，車身零件數(shù)量約減少了20%，重量減輕了25%，彎曲剛度提高了52%，靜態(tài)抗扭剛度提高了80%［3］。截止到目前，拼焊板不僅已經(jīng)在歐美各大汽車公司得以成功應(yīng)用，而且產(chǎn)量也突飛猛進(jìn)。2004年，全球的激光拼焊板產(chǎn)量約1.8億張；2005年，全球激光拼焊板產(chǎn)量已達(dá)2.5億張。

國內(nèi)上海大眾、一汽大眾、東風(fēng)汽車以及上海寶鋼等各大汽車廠商和鋼鐵公司也已經(jīng)開始了拼焊板沖壓成形技術(shù)的研究和應(yīng)用。但是，與發(fā)達(dá)國家相比，我國在拼焊板沖壓成形技術(shù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用起步較晚，進(jìn)展相對(duì)緩慢。

本文將從拼焊板材料與焊接方法、拼焊板沖壓成形的研究手段和面臨的幾個(gè)關(guān)鍵問題等方面詳細(xì)闡述了拼焊板在車身覆蓋件沖壓成形中的研究進(jìn)展，以期為國內(nèi)同行開展有關(guān)拼焊板沖壓技術(shù)的研究提供參考。

1 拼焊板材料與焊接方法

1.1 拼焊板材料

拼焊板材料主要包括鋼板、鋁合金板及鎂合金板等。

鋼板一直是汽車車身的主導(dǎo)材料。（先進(jìn)）高強(qiáng)度鋼以其高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)點(diǎn)成為目前汽車界替代普通IF鋼以減輕車身重量的首選。日本近年來高強(qiáng)度鋼板使用率超過40%，在超輕鋼車身先進(jìn)概念車中白車身上應(yīng)用各類高強(qiáng)度鋼達(dá)100%［4］。不銹鋼兼具高強(qiáng)度和高塑性，輕量化效果甚至可以與鋁合金媲美；同時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的加工硬化趨勢(shì)，即便在很低的應(yīng)變下，屈服強(qiáng)度也會(huì)顯著增大，從這點(diǎn)意義上說，不銹鋼是車身輕量化中又一具有巨大潛力的鋼種，可以實(shí)現(xiàn)更多輕量化零部件的制造［2］。但是由于不銹鋼的價(jià)格過高，目前它在汽車上的應(yīng)用僅限于裝飾件、排放系統(tǒng)以及保險(xiǎn)杠等。

鋁合金被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)車輛輕量化目標(biāo)最有潛力的材料。與鋼材料相比，鋁合金在滿足相同力學(xué)性能的情況下，重量最大可減小60%；且具有易于回收，無需防銹處理，在碰撞過程中比鋼多吸收50%的能量等優(yōu)點(diǎn)［5］。然而，鋁合金在汽車上的應(yīng)用還存在不少問題，如易產(chǎn)生裂紋、回彈大、表面易劃傷以及抗凹性差等。20世紀(jì)90年代攪拌摩擦焊（friction stir welding）的出現(xiàn)使得鋁合金難焊的問題迎刃而解，鋁在汽車工業(yè)中的用量也在連年遞增。世界鋁協(xié)會(huì)在近期發(fā)表的一份研究報(bào)告中宣布，鋁在汽車中的用量已超過鑄鐵，成為僅次于鋼的第二大汽車材料［5］。目前，鋁合金已廣泛應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、車門、擋泥板、輪圈以及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩等零部件上。車身構(gòu)架用鋁也有了很大的發(fā)展，其中以奧迪A8全鋁車身框架最具代表性（圖1）。

圖1 奧迪A8全鋁車身架構(gòu)

鎂合金憑借密度小、易機(jī)械加工、減振性強(qiáng)以及抗凹性高等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車輕量化的選材之一。但與鋼、鋁等金屬相比，鎂合金抗腐蝕能力差，疲勞強(qiáng)度和沖擊值等較差。此外，鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，塑性加工性差，常溫下軋制、擠壓和鍛造等塑性加工僅限于鍛造鎂合金。在20世紀(jì)中期，鑄造鎂合金AS41和AZ81作為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的基本結(jié)構(gòu)材料被德國大眾汽車所采用，1972年用量甚至達(dá)到42 000t［2］。盡管后來鎂合金被性價(jià)比更高的鋁合金所取代，但是鎂合金用于汽車的可能性已被歷史所證明。此外，研究表明，鎂合金在225℃以上會(huì)產(chǎn)生新的滑移面，從而導(dǎo)致屈服應(yīng)力下降和塑性成形能力上升［6］。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)為鎂合金在汽車輕量化中的應(yīng)用開辟了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域。

1.2 焊接方法

目前車身拼焊板最常用的焊接方法有激光焊、攪拌摩擦焊以及滾壓電阻焊等。

激光焊（laser beam welding）具有速度快、焊縫深寬比大、變形小以及無需填充材料等優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以用于大多難焊材料的焊接，而且適合于不同厚度或不同材質(zhì)拼焊板的焊接。但是，使用激光焊焊接鋁板非常困難，這是由于鋁熔化后表面非常光滑，對(duì)光線有強(qiáng)烈的反射作用。不過，在目前汽車車身覆蓋件以鋼板為主的環(huán)境下，激光焊得到了廣泛的應(yīng)用和研究［7－9］。

攪拌摩擦焊為固態(tài)成形過程，具有焊接輸入能量小、速度快、無填充材料和保護(hù)氣體，焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。但與激光焊相比，攪拌摩擦焊對(duì)設(shè)備剛性要求大，靈活性稍差，焊縫寬度也明顯大一些。攪拌摩擦焊研究初期專用于鋁合金的焊接，隨著研究的深入，這項(xiàng)技術(shù)在很短時(shí)間內(nèi)就獲得了各大汽車企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的重視，并被推廣用于各種鋼、銅合金、鈦合金以及鎂合金等金屬的焊接［10－12］。

滾壓電阻焊（mash seam welding）比激光焊便宜，且對(duì)板料邊界精度要求較低。與前兩種焊接方法相比，滾壓電阻焊馬氏體含量稍少，但存在著2～3mm的搭接部分，這在一定程度上增大了焊縫的厚度和拼焊板的重量（圖2）。這種焊接方式在歐洲汽車拼焊板的生產(chǎn)中較為流行。

圖2 激光焊、攪拌摩擦焊和滾壓電阻焊焊縫接頭的比較

此外，電子束焊（electron beam welding）、鎢極氬弧焊（gas tungsten arc welding）以及高頻對(duì)接焊（high frequency butt welding）等焊接方法也可以用于拼焊板的焊接，但有關(guān)研究和工業(yè)應(yīng)用相對(duì)較少。

2 拼焊板沖壓成形性能的研究手段

拼焊板的沖壓成形性能是指拼焊板在沖壓過程中抵抗出現(xiàn)頸縮、破裂、起皺、波紋、回彈和表面缺陷的能力。研究拼焊板的成形性能至少可以通過試驗(yàn)方法和有限元數(shù)值模擬方法兩種途徑實(shí)現(xiàn)。

2.1 試驗(yàn)方法

自車身覆蓋件沖壓工藝產(chǎn)生以來，試驗(yàn)方法一直是分析金屬板沖壓變形規(guī)律的主要方法。盡管近年來隨著有限元數(shù)值模擬方法的流行，試驗(yàn)次數(shù)得以大幅減少，但試驗(yàn)方法依然是沖壓工藝方案最終確立的主要依據(jù)，而且仿真計(jì)算所需的材料參數(shù)只能通過試驗(yàn)獲得。此外，具有優(yōu)異性能的新型輕量化材料的研制開發(fā)也主要依賴試驗(yàn)方法。

拼焊板研究的試驗(yàn)方法可分為本征試驗(yàn)和特定指標(biāo)試驗(yàn)。本征試驗(yàn)測量拼焊板材料的基本性能參數(shù)，如拉伸試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)。特定指標(biāo)試驗(yàn)主要是在與汽車覆蓋件真實(shí)沖壓工藝基本一致的應(yīng)力狀態(tài)和變形特點(diǎn)下，測定某些特定的成形性能指標(biāo)。由于焊縫及熱影響區(qū)的存在，拼焊板可分為母材1－焊縫及熱影響區(qū)－母材2三個(gè)區(qū)域。當(dāng)將拼焊板作為一個(gè)整體進(jìn)行特定指標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)方法與普通板料的基本相同，目前常見的板料沖壓成形特定指標(biāo)試驗(yàn)（表1）均可用于拼焊板沖壓工藝中。當(dāng)僅需要獲得焊縫及熱影響區(qū)的性能參數(shù)時(shí)，鑒于焊縫及熱影響區(qū)的實(shí)際寬度十分有限，表1中的試驗(yàn)方法通常無法進(jìn)行，而應(yīng)采用有限元模擬等方法實(shí)現(xiàn)。

表1 常見的板料沖壓成形特定指標(biāo)試驗(yàn)［13］

2.2 有限元模擬方法

通過有限元軟件模擬拼焊板的沖壓成形過程，不僅可以得到?jīng)_壓件最終的應(yīng)力應(yīng)變分布、溫度分布、模具受力、可能的缺陷及失效形式，而且還可以動(dòng)態(tài)觀察板料的變形過程，有助于加深對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的理解。更重要的是，基于可靠的有限元模擬手段，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)拼焊板成形缺陷的準(zhǔn)確預(yù)測，從而及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)，減少實(shí)際試模次數(shù)，縮短開發(fā)周期。下面著重介紹一下目前板料沖壓模擬中的一些研究熱點(diǎn)及其進(jìn)展?fàn)顩r。

2.2.1 材料模型

采用有限元方法模擬板料沖壓成形時(shí)，建立恰當(dāng)?shù)牟牧夏Ｐ褪悄M結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提。汽車板的塑性特性一般是各向異性的。因此，選用各向異性屈服準(zhǔn)則（如Hill 1948、Hill 1979、Hill 1993、Hill 1999、Barlat Yld89、Barlat Yld91和Barlat Yld97等）比選用各向同性屈服準(zhǔn)則（Tresca、von Mises、Hosford 1948等）更能提高仿真結(jié)果的精度。隨著研究的深入，許多新的屈服準(zhǔn)則還在不斷出現(xiàn)。究竟選取哪種屈服準(zhǔn)則更為恰當(dāng)，需要考慮材料的晶體結(jié)構(gòu)和塑性變形特點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼、鋁合金和鎂合金分別具有體心（BCC）、面心（FCC）和密排六方（HCP）晶體結(jié)構(gòu)。與鋁合金和高強(qiáng)度鋼在拉伸和壓縮塑性變形時(shí)均主要涉及位錯(cuò)滑移（對(duì)稱性質(zhì)）不同，鎂合金在拉伸和壓縮情況下分別主要發(fā)生位錯(cuò)滑移和孿生，這種不對(duì)稱的變形機(jī)制導(dǎo)致鎂合金在拉伸和壓縮兩種情況下具有不同的塑性變形行為。近年來，HCP型金屬的這種各向異性／非對(duì)稱現(xiàn)象得到了足夠的重視，很多學(xué)者分別從晶體結(jié)構(gòu)和宏觀尺度兩個(gè)方面開展了大量數(shù)值建模工作。在晶體結(jié)構(gòu)方面，Turner等［14］提出了彈塑性自洽多晶體模型（elasto－plastic self－consistent polycrystal model），Agnew 等［15］提 出 了 多 晶 體 塑 性 模 型（polycrystal plasticity model），用以描述各向異性和織構(gòu)的演化。在宏觀尺度方面，Cazacu等［16－17］和 Lee等［18］均 提 出 了 正 交 各 向 異 性 屈 服方程，用來描述HCP型金屬的各向異性／非對(duì)稱（asymmetric／anisotropic）屈服現(xiàn)象。

由于晶體結(jié)構(gòu)與沖壓變形機(jī)制的不同，高強(qiáng)度鋼、鋁合金和鎂合金在有限元模擬建模時(shí)也需采用不同的材料模型。Lee等［19］在模擬鋁合金AA6111－T4、AA5083－H18、AA5083－O及雙相鋼DP590時(shí)，采用Barat在2003年提出的具有等向硬化規(guī)律的非二次式正交各向異性屈服方程Yld2000－2d，而在模擬鎂合金AZ31時(shí)，采用了Cazacu在2006年提出的各向異性／非對(duì)稱屈服方程。

當(dāng)然，建立材料模型時(shí)，除考慮選取塑性屈服準(zhǔn)則外，還應(yīng)該確立材料的塑性硬化模型和流動(dòng)法則等。塑性硬化模型規(guī)定了材料進(jìn)入塑性變形后的后繼屈服函數(shù)，通常有等向硬化、隨動(dòng)硬化和混合硬化三種。為保證本構(gòu)關(guān)系簡潔，易于編程實(shí)現(xiàn)，板料成形一般采用等向硬化模型，其精度通常也是可以接受的。材料發(fā)生塑性變形后，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是唯一的，而與加載路徑和加載歷史有關(guān)。流動(dòng)法則描述發(fā)生屈服時(shí)塑性應(yīng)變的方向，通常有增量理論和全量理論。由于板料塑性變形是一個(gè)具有幾何非線性、材料非線性和邊界非線性等多重非線性的復(fù)雜力學(xué)過程，難以保證比例加載，所以一般采用增量理論。

2.2.2 焊縫模型

焊縫的精確建模是拼焊板沖壓成形研究中的難點(diǎn)之一。較早文獻(xiàn)中多數(shù)拼焊板焊縫建模形式簡單，僅將焊縫簡化為兩板網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的剛性連接，忽略了焊縫及熱影響區(qū)材料與母材間存在的力學(xué)性能方面的差異。

為使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，近年來研究人員在焊縫精確建模上進(jìn)行了不懈的努力。Meinders等［1］指出，拼焊板焊縫建模的途徑一種是考慮焊縫的幾何尺寸和形狀、焊縫和熱影響區(qū)的馬氏體含量等因素，另一種則是簡化焊縫及熱影響區(qū)，僅以一排粗化的單元代替焊縫。Lee等［19］將焊縫與母材區(qū)分開來，單獨(dú)賦予性能參數(shù)，但在焊縫建模時(shí)，忽略了焊縫的各向異性。Raymond等［20］對(duì)比分析了考慮焊縫材料與幾何形狀建模與簡化的焊縫建模兩種方式對(duì)板料成形性的影響，指出焊縫線的建模方式對(duì)應(yīng)變的約束效應(yīng)以等厚拼焊板影響最大，并且隨著板厚比率的增大，此影響逐漸降低。Zhao等［21］通過模擬激光拼焊板的自由彎曲、拉伸彎曲和極限拱頂高等變形過程發(fā)現(xiàn)，焊縫精確建模能更加準(zhǔn)確地預(yù)測激光拼焊板沖壓成形結(jié)果，但對(duì)回彈預(yù)測影響不大。Zadpoor等［10］通過模擬極限拱頂高和S－Rail標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，焊縫精確建模能更加準(zhǔn)確地模擬攪拌摩擦焊的應(yīng)變場分布和回彈預(yù)測。對(duì)于上述有關(guān)焊縫模型對(duì)回彈結(jié)果影響程度的差異，Zadpoor等［10］認(rèn)為，焊縫建模方式對(duì)拼焊板沖壓成形數(shù)值仿真結(jié)果的影響程度與焊接方法有關(guān)：采用激光焊進(jìn)行拼焊，焊縫同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和較高的剛度，兩者對(duì)拼焊板回彈的作用剛好抵消，并且激光焊焊縫寬度較窄，因此焊縫建模方式對(duì)回彈影響很??；采用攪拌摩擦焊進(jìn)行拼焊，焊縫與母材有相近的彈性模量，但是焊縫的強(qiáng)度卻比母材低，并且焊縫寬度相對(duì)較寬，因此焊縫建模對(duì)回彈影響較大?？梢?，拼焊板焊縫建模方式對(duì)仿真結(jié)果的影響還與焊接方法等因素有關(guān)。需要指出的是，焊縫模型越精確，模擬結(jié)果越可靠，但計(jì)算規(guī)模也更加可觀。因此，焊縫建模的準(zhǔn)則是，在計(jì)算規(guī)模許可的情況下，盡量提高建模精度。

3 拼焊板沖壓成形中面臨的幾個(gè)關(guān)鍵問題

近年來高強(qiáng)度鋼、鋁合金等板料的拼焊技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但在拼焊板沖壓成形方面仍有不少問題亟待解決。與普通板料沖壓成形類似，拼焊板沖壓成形中也存在破裂、起皺和回彈等典型的缺陷。同時(shí)，由于拼焊板是由兩種或兩種以上的材質(zhì)、厚度或表面涂層不同的板料拼焊而成，焊縫以及兩側(cè)母材性能的不同將導(dǎo)致拼焊板在沖壓成形后存在著焊縫線的偏移，從而焊縫區(qū)和薄板母材一側(cè)更容易發(fā)生起皺與破裂，結(jié)果導(dǎo)致拼焊板塑性變形能力差、沖壓成形性能降低。因此，對(duì)拼焊板破裂、起皺、回彈以及焊縫線偏移的模擬和準(zhǔn)確預(yù)測，成為提升拼焊板成形能力必須解決的關(guān)鍵問題。

3.1 焊縫線偏移量的預(yù)測

拼焊板沖壓中的焊縫線偏移量與板厚和材質(zhì)密切相關(guān)。同材質(zhì)拼焊板沖壓后焊縫線向厚板一側(cè)偏移；隨板厚差異的增大，焊縫線偏移量增大。Padmanabhan等［22］通過模擬鋁合金 AA6016－T4分別與低碳鋼DC06、高強(qiáng)鋼AISI－1018、高強(qiáng)鋼HSLA－340和雙相鋼DP600等鋼板的拼焊板沖壓成形，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度越低，變形程度越大。因此，可以盡量通過減小拼焊板母材的強(qiáng)度比和厚度比使沖壓零件保持均勻，從而使焊縫線偏移量最小。

除此之外，通過選擇合理的壓邊圈形式、壓邊力大小以及拉延筋布置也能起到減小拼焊板焊縫線偏移量、提高板料成形性能的作用。在拼焊板沖壓成形中，兩側(cè)母材上施加的壓邊力大小應(yīng)根據(jù)板料板厚或強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。Padmanabhan等［22］在模擬鋼－鋁拼焊板沖壓時(shí)，采用分瓣壓邊圈（segmented blank holder），并且在強(qiáng)度較高的鋼板一側(cè)采用了3.5kN的壓邊力，在強(qiáng)度較低的鋁板一側(cè)，采用了5.5kN的壓邊力。Chen等［23］等通過有限元軟件模擬方盒拉伸試驗(yàn)指出，相對(duì)于平面壓邊圈，階梯壓邊圈（stepped blank holder）與焊縫夾緊銷組合可得到較小的焊縫線偏移量。

3.2 破裂的預(yù)測與防止

破裂是車身覆蓋件沖壓時(shí)最常見的缺陷之一。它是板料在沖壓過程中局部嚴(yán)重變薄的后果。因此，保證板料變形均勻、防止局部過渡變薄是設(shè)計(jì)板料沖壓成形工藝的目的之一。有限元模擬可以預(yù)測板料（包括拼焊板）成形后的厚度分布，通過控制材料流動(dòng)達(dá)到減少破裂的目的。

Chien等［24］指出，彎曲模式和平面變形模式的破裂機(jī)制是不同的，彎曲模式中的破裂應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面內(nèi)模式。Meindersa等［1］指出，在拼焊板沖壓過程中破裂有兩種形式：①當(dāng)焊縫區(qū)塑性較低時(shí)，由平行于焊縫的應(yīng)變引起的破裂（圖3a）；②在焊縫區(qū)比母材的流動(dòng)應(yīng)力大的情況下，強(qiáng)度較低的母材將發(fā)生應(yīng)變集中，并導(dǎo)致破裂（圖3b）。Sharkeri等［25］的研究同時(shí)表明，破裂（或頸縮）的位置取決于拼焊板的厚度比、焊縫線方向、焊縫表面增強(qiáng)相的數(shù)量以及表面缺陷等多個(gè)因素的共同作用。Bayley等［26］指出，應(yīng)變集中可以導(dǎo)致宏觀厚向剪切帶，最終產(chǎn)生裂紋；同時(shí)他建立了分叉破裂準(zhǔn)則（bifurcation failure criterion）用以預(yù)測應(yīng)變集中的產(chǎn)生。Lee等［19］通過半球形極限拱頂高試驗(yàn)以及有限元數(shù)值模擬手段預(yù)測了拼焊板沖壓破裂的產(chǎn)生位置，其研究結(jié)果表明，焊縫破裂的類型和起始位置需要綜合考慮焊縫線布置、載荷方向以及焊縫區(qū)延展性和強(qiáng)度等：如果焊縫區(qū)的平均性能較好，破裂將出現(xiàn)在母材區(qū)；否則，破裂出現(xiàn)在焊縫區(qū)。

圖3 拼焊板兩種破裂形式的比較［1］

3.3 起皺的預(yù)測與防止

起皺是板料在沖壓成形過程中受壓失穩(wěn)的一種主要表現(xiàn)形式。目前國內(nèi)外有關(guān)普通板料的沖壓起皺問題的研究非常多，也比較成熟，但有關(guān)拼焊板沖壓起皺的研究卻非常少。

圖4 拼焊板沖壓工藝中常用壓邊圈示意圖

采用不同的壓邊圈形式，對(duì)預(yù)防起皺的效果也不盡相同，圖4給出了幾種不同形式的壓邊圈示意圖。Chen等［23］通過方盒拉深試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用普通平板壓邊圈，當(dāng)壓邊力過小時(shí)，薄板一側(cè)的法蘭將發(fā)生明顯起皺，當(dāng)壓邊力過大時(shí)，薄板一側(cè)又容易發(fā)生破裂；而使用階梯型壓邊圈有助于減少起皺現(xiàn)象的發(fā)生。Meinders等［1］指出階梯型剛性壓邊圈因在沖壓過程中法蘭部分面與壓邊圈脫離接觸，僅能降低法蘭起皺的程度，不能徹底防止起皺；可變形壓邊圈（deformable blank holder）雖然可以有效阻止起皺，但因壓邊力過大（壓邊力必須滿足強(qiáng)度較高一側(cè)母材起皺）可能導(dǎo)致薄板側(cè)提前發(fā)生頸縮或破裂；而分瓣壓邊圈由于在法蘭部分施加變壓邊力，因此可以同時(shí)避免起皺和過早破裂兩種缺陷的產(chǎn)生。Padmanabhan等［22］同樣指出使用分瓣壓邊圈，可根據(jù)兩側(cè)母材的強(qiáng)度施加壓邊力，從而控制材料流動(dòng)，達(dá)到減少起皺和破裂發(fā)生的目的。

3.4 回彈的預(yù)測

板料在外載荷作用下首先發(fā)生彈性變形，繼續(xù)施加載荷會(huì)進(jìn)一步發(fā)生塑性變形。卸去外載荷后，在彈性變形區(qū)的彈性恢復(fù)以及塑性變形區(qū)的彈性恢復(fù)兩者的共同作用下，板料發(fā)生與加載時(shí)變形相反的變化，這種現(xiàn)象稱為回彈。板料在各種成形工藝中不可避免地產(chǎn)生回彈。與破裂和起皺等板料沖壓中的常見缺陷相比，回彈問題的研究進(jìn)展較慢。如何準(zhǔn)確預(yù)測板料成形后的回彈量并且予以恰當(dāng)補(bǔ)償一直是板料沖壓領(lǐng)域的一個(gè)難題。對(duì)于拼焊板，由于拼焊板是由兩種或兩種以上的材質(zhì)、厚度或者涂層不同的板料焊接而成，同時(shí)沖壓成形后存在焊縫線偏移問題，這導(dǎo)致拼焊板的回彈問題更加復(fù)雜。

有限元數(shù)值模擬技術(shù)的引入，為解決回彈預(yù)測問題提供了有利的工具。Sung等［27］利用PAM－STAMP顯示代碼模擬了差厚激光拼焊板U形件的沖壓和回彈過程，發(fā)現(xiàn)縱向焊縫拼焊板與無焊縫厚板具有相似的回彈量；橫向焊縫拼焊板的厚板側(cè)與同厚度無焊縫板具有相似的回彈量，而薄板側(cè)較同厚度無焊縫板具有相對(duì)較小的回彈量。姜銀方等［28］通過進(jìn)行拼焊板U形件回彈的試驗(yàn)和仿真研究發(fā)現(xiàn)，壓邊力是影響拼焊板回彈的關(guān)鍵因素，壓邊力大小、分布以及隨凸模行程的變化都對(duì)回彈有重要影響，此外焊縫移動(dòng)量、凹模圓角半徑、板寬以及間隙均對(duì)回彈有較大影響。

4 拼焊板沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

雖然拼焊板在汽車工業(yè)界已有了十分廣泛的應(yīng)用，然而有關(guān)拼焊板成形技術(shù)的研究尚在起步階段。目前，拼焊板材料較多地局限于不同鋼（或鋁）板之間的拼焊，而對(duì)鋼板與鋁板、鎂板等異種材料的拼焊和沖壓成形的研究相對(duì)較少。鑒于鋼板在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍是制造車身覆蓋件的基本材料，而鋁合金則在輕量化方面更加突出，并且攪拌摩擦焊的出現(xiàn)成功地解決了鋼板與鋁合金板的焊接問題，鋼－鋁拼焊板在未來車身覆蓋件拼焊板用材中具有較大的潛力。但是，鋼和鋁拼焊時(shí)在焊縫區(qū)將產(chǎn)生一定的脆性金屬間化合物，這可能會(huì)使拼焊板的成形性能下降更加明顯。此外，在鋼－鋁拼焊板沖壓成形時(shí)，選擇工藝參數(shù)需要非常謹(jǐn)慎。因?yàn)殇摵弯X兩種材料在機(jī)械性能方面具有很大的不同，鋁的楊氏模量約為鋼的1／3，因此鋁的彈性回復(fù)比鋼大得多。厚向異性指數(shù)方面的差異也對(duì)鋼－鋁拼焊板沖壓后的厚度分布有直接影響。以上這些因素都是鋼－鋁拼焊板在沖壓成形研究時(shí)需要考慮的。

在拼焊板的沖壓成形工藝和新型模具結(jié)構(gòu)方面，溫成形（warm forming）、熱成形（hot forming）以及超塑性成形（superplastic forming）技術(shù)均能有效地解決拼焊板塑性成形能力下降的問題，具有很大的研究潛力。但是，由于不同材質(zhì)的拼焊板母材相變溫度及對(duì)冷卻方式的要求可能存在較大差異，目前在拼焊板沖壓成形工藝中相關(guān)技術(shù)的研究還接近于空白。此外，拼焊板的柔性沖壓成形（flexible forming stamping）技術(shù)以液體或聚氨酯充當(dāng)凸模或凹模，具有提高拼焊板沖壓成形極限和成形精度、減小回彈量、簡化模具結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，也是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。

在拼焊板沖壓成形有限元模擬方法中，目前通常采用焊縫簡化建模方式，亦即忽略了焊縫幾何形狀以及焊縫與母材在組織、成分和性能等方面的巨大差異，這將影響模擬結(jié)果的可靠性和精確性。值得注意的是，焊縫精確建模不僅要考慮焊縫的形狀、性能等因素，還應(yīng)考慮熱影響區(qū)的處理方法。這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)實(shí)際為焊縫與母材在成分、性能以及外觀尺寸（如板料厚度）等的一個(gè)過渡區(qū)，其作用不可忽視?？梢姡绾螠?zhǔn)確恰當(dāng)?shù)亟⑵春赴澹òê缚p）的材料模型還需更加深入地研究。

另外，拼焊板由于存在著焊縫與母材之間的性能、尺寸差異，以及沖壓后焊縫線移動(dòng)等問題，其破裂、起皺和回彈等缺陷的影響因素更多更復(fù)雜，從而導(dǎo)致普通板料沖壓理論在拼焊板上不再適用。這將必將制約拼焊板的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。從這個(gè)意義上說，建立適用于拼焊板的沖壓破裂失穩(wěn)判據(jù)、起皺失穩(wěn)判據(jù)以及回彈機(jī)制等理論基礎(chǔ)是一項(xiàng)迫切而艱巨的任務(wù)。

相信隨著試驗(yàn)手段的不斷完善以及有限元仿真技術(shù)的日臻成熟，拼焊板沖壓成形技術(shù)的研究和應(yīng)用會(huì)更大的突破。

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Current Research Status and Trends of Tailor Welded Blanks Applied in Auto－body Stamping

Song Yanli Hua Lin
Wuhan University of Technology，Wuhan，430070

The characteristics and developing history of stamping technology used for auto－body panels were introduced briefly.The newest development and existing problems were presented from the welding materials，welding technologies，and also research methods and key technologies in the forming process of tailor welded blanks（TWBs）.In the end，the development trends of TWBs stamping technology was identified.

auto－body panel；tailor welded blank；stamping；lightweight of automobile

TG386.3

1004—132X（2011）01—0111—08

2010—04—07

國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50725517）

book=117,ebook=176

（編輯 郭 偉）

宋燕利，男，1979年生。武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生、助教。主要研究方向?yàn)槠囓嚿磔p量化技術(shù)。華 林，男，1962年生。武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院院長、教授、博士研究生導(dǎo)師。