拼焊板U型件成形性能及焊縫移動規(guī)律

孔慶華，張建宇

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804）

拼焊板（Tailor-Welded Blanks，TWBs）是將多塊不同材料、不同厚度、不同表面條件的板料通過焊接形成一個整體，然后進(jìn)行沖壓成形，以滿足零件不同部位的不同性能要求.拼焊板具有減輕零件質(zhì)量、降低制造成本、提高零件性能等優(yōu)點，在車身制造中得到廣泛應(yīng)用［1］.然而，由于拼焊板母材差異及焊縫區(qū)的存在，大大降低了拼焊板的成形性能［2］.針對拼焊板成形中出現(xiàn)的問題，許多學(xué)者進(jìn)行了研究.姜銀方等［3］從簡單的橫向和縱向焊縫U型件出發(fā)，研究盒型件拼焊板金屬流動和焊縫移動機(jī)制，分析了盒型件的底部、裙邊和側(cè)壁焊縫與U型件焊縫移動異同，并結(jié)合壓邊力、焊縫的原始位置等因素研究分析了盒型件的底部、裙邊和側(cè)壁上的焊縫移動的原因和規(guī)律.周杰等［4］對具有橫向焊縫的差厚拼焊板U型件的回彈進(jìn)行了研究，分析了控制回彈量的拼焊板薄厚兩側(cè)所需壓邊力的關(guān)系式.

實際生產(chǎn)中許多拼焊板零部件的截面均為U型件，但少有文獻(xiàn)對拼焊板U型件的成形性能及焊縫移動進(jìn)行研究，張彥敏等［5］分析了壓邊力對拼焊板拉深成形質(zhì)量的影響、焊縫的移動規(guī)律和焊縫附近金屬的變形情況，發(fā)現(xiàn)壓邊力對拼焊板成形性能有很大影響，武立波等［6］綜述了拼焊板的沖壓成形性能和成形問題及其影響因素，發(fā)現(xiàn)板厚和材料參數(shù)對拼焊板成形性能有較大影響.因此本文采用有限元法，研究板厚、材料參數(shù)和壓邊力對拼焊板U型件成形性能和焊縫移動的影響規(guī)律，為拼焊板設(shè)計時材料匹配及板厚確定以及成形工藝參數(shù)選取提供理論支持.

1 有限元模型

拼焊板U型件的模具示意圖見圖1.

建立了拼焊板U型件的有限元模型，拉深成形過程中視凸模、凹模和壓邊圈為不變形的剛性體，采用Belytschko＿Tsay（簡稱BT）剛體殼單元，板料長300mm，寬70mm，材料選用DC56，摩擦系數(shù)μ＝0.125，分析中采用BT薄殼元理論，網(wǎng)格自適應(yīng)劃分，焊縫位置采用殼單元網(wǎng)格剛性連接，即忽略焊縫處金屬的材料屬性，只考慮焊縫位置，將焊縫視為一系列的剛性結(jié)點來連接2種母材.建立的拼焊板U型件有限元模型如圖2所示.

圖1 模具示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of mould（unit：mm）

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

圖3為拼焊板U型件零件圖，實驗中板料長為200mm，寬為70mm，薄板厚為1mm，厚板厚為1.2 mm，板料強(qiáng)度系數(shù)K＝530MPa，應(yīng)變硬度指數(shù)n＝0.236，薄厚兩側(cè)壓邊力為200kN.U型件設(shè)定拉深量為25mm，此時焊縫移動為2.93mm，采用上述模型進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果見圖4，拉深量為25.38 mm，焊縫移動為3.1mm，比較實驗結(jié)果和模擬結(jié)果，拉深量誤差為1.5%，焊縫移動誤差為5.8%，說明所建立的有限元模型有一定的科學(xué)根據(jù).

圖3 拼焊板U型件零件圖Fig.3 Part drawing of U-shaped of TWBs

圖4 拼焊板U型件仿真示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulation of U-shaped of TWBs

2 有限元模擬結(jié)果及討論

2.1 板厚比對成形性能及焊縫移動的影響

板料K＝530MPa，n＝0.236，薄厚兩側(cè)壓邊力為200kN，沖壓速度為5000mm·s-1，取一側(cè)板料厚度為1mm，另外一側(cè)分別為1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0mm進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果見圖5和圖6.從圖5和圖6中可以看出，隨著兩側(cè)板厚比的增加，U型件的拉深量下降，焊縫移動量增加.這是因為沖頭下行時，由于兩側(cè)板厚差的存在，薄側(cè)母材承受了更大的拉應(yīng)力，從而先進(jìn)入塑性區(qū)發(fā)生拉伸變形，而此時厚側(cè)母材還處于彈性應(yīng)變狀態(tài)，隨著拉深的進(jìn)行，薄側(cè)母材發(fā)生加工硬化，強(qiáng)度隨之增加，為了維持拉深的進(jìn)行就需要增加沖頭的壓力，當(dāng)厚板中的拉伸應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時，厚板才發(fā)生塑性變形，而此時薄板材料減薄量大，因而焊縫向厚側(cè)材料移動，這樣U型件底部與凸模接觸區(qū)域中薄板所占面積增加，較之厚板所受凸模的載荷力更大，從而加速了薄板材料的流入，加劇了焊縫的移動.這種板厚比的存在使U型件的成形更多地是依靠薄側(cè)板料的變形，從而加速了薄側(cè)板料的減薄速度，使得薄板更早地達(dá)到了成形極限，發(fā)生破裂失效，降低了U型件的拉深量.而且隨著兩側(cè)板厚比的增加，拉深量的下降和焊縫移動量的增加也更加明顯.

圖5 板厚比對拉深量的影響Fig.5 Influence of thickness ratio to deep drawing depth

圖6 板厚比對焊縫移動的影響Fig.6 Influence of thickness ratio to weld seam movement

2.2 材料參數(shù)對成形性能及焊縫移動的影響

2.2.1 不同K值比對成形性能及焊縫移動的影響

板料厚度為1mm，n＝0.236，板料薄厚兩側(cè)壓邊力為200kN，沖壓速度為5000mm·s-1，取一側(cè)板料K＝530MPa，另外一側(cè)分別為530，636，742，848，954，1060MPa進(jìn)行有限元模擬.模擬結(jié)果見圖7，圖8.從圖7和圖8中可以看出，隨著K值比增大，U型件的拉深量下降，焊縫移動量增加.在一定的變形量下，K值比越大，所需要的變形力就越大.由于兩側(cè)板料等厚，而且壓邊力相同，那么K值比小的一側(cè)即弱側(cè)母材較強(qiáng)側(cè)母材會首先發(fā)生塑性變形，從而使焊縫向強(qiáng)側(cè)母材偏移，也使得弱側(cè)母材的材料流入量增大，與差厚拼焊板U型件的情況類似，隨著拉深的進(jìn)行，弱側(cè)母材受到凸模更大的載荷力，使得弱側(cè)母材較強(qiáng)側(cè)母材材料流入量增大的情況加劇，減薄嚴(yán)重，從而使得弱側(cè)母材更早地達(dá)到成形極限發(fā)生破裂失效.

圖7 K值比對拉深量的影響Fig.7 Influence of K ratio to deep drawing depth

圖8 K值比對焊縫移動的影響Fig.8 Influence of K ratio to weld seam movement

2.2.2 不同n值比對成形性能及焊縫移動的影響

板料厚度為1mm，K＝530MPa，薄厚兩側(cè)壓邊力為200kN，沖壓速度為5000mm·s-1，取一側(cè)板料n＝0.118，另外一側(cè)分別為0.1180，0.1416，0.1652，0.1888，0，2124，0.2360，進(jìn)行有限元模擬.模擬結(jié)果見圖9和圖10，從圖9和圖10中可以看出，隨著一側(cè)n值的增大，板料的拉深量和焊縫移動量都有所增加.n值作為材料的應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)，是板料的塑性指標(biāo)，n值越大則說明材料的塑性成形性能越好.材料的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，可以用冪次式近似表示為［7］

從式（1）可以推知，當(dāng)K＞0，εi＜1時，隨著n值的增大，相同應(yīng)力條件下板料的應(yīng)變越大.拼焊板U型件拉深過程中，焊縫兩側(cè)的材料厚度相同，因此具有相同的拉應(yīng)力，那么n值較大的一側(cè)成形性能更好，應(yīng)變就越大，因而焊縫會向n值較小的一側(cè)偏移.由于拉深成形中板料的變形更多地發(fā)生在成形性能較好的一側(cè)，因此拼焊板U型件的拉深量會有所增加.隨著一側(cè)n值的增大，這種效果會更加明顯，使得拉深量和焊縫移動量有逐漸增加的趨勢.

圖9 n值比對拉深量的影響Fig.9 Influence of nratio to deep drawing depth

圖10 n值比對焊縫移動的影響Fig.10 Influence of nratio to weld seam movement

2.3 不同壓邊力對成形性能及焊縫移動的影響

板厚為1mm，K＝530MPa，n＝0.236，沖壓速度為5000mm·s-1，取一側(cè)板料為100kN，另外一側(cè)分別為100，120，140，160，180，200kN進(jìn)行有限元模擬.模擬結(jié)果見圖11和圖12，從圖11和圖12中可以看出，隨著兩側(cè)壓邊力比的增大，拼焊板U型件的拉深量降低，焊縫移動量增加.拼焊板U型件的焊縫移動受兩個基本因素的影響：一是兩側(cè)的拉伸量不同；二是厚薄兩側(cè)的拉入量的不同［3］.拉伸量的大小由主應(yīng)力決定，而主應(yīng)力的影響因素主要是板厚比和兩側(cè)材料性能，由于模擬中采用同材等厚拼焊板，故兩側(cè)拉伸量是一樣的，U型件拉深過程中，壓邊圈的板料沒有被完全壓死，壓邊圈外邊法蘭處的板料還會被不斷拉進(jìn)來經(jīng)過凹模圓角到側(cè)壁處參與變形，壓邊圈外板料被拉入的量即為拉入量，拉入量的多少主要與壓邊力的大小有關(guān)，因此拉入量成為了焊縫移動的決定因素.在壓邊力較大一側(cè)，板料在壓邊圈與凹模平面的縫隙中通過時受到的摩擦阻力也較大，從而限制了壓邊圈下變形金屬向凹?？趦?nèi)的流動變形，使得該側(cè)板料拉入量較另外一側(cè)少，因此焊縫會向壓邊力較大側(cè)偏移.由于壓邊力較小側(cè)拉入量較多，使得該側(cè)減薄量嚴(yán)重，較早地達(dá)到了成形極限，發(fā)生破裂失效.

圖11 壓邊力比對拉深量的影響Fig.11 Influence of blank holder force ratio to deep drawing depth

圖12 壓邊力比對焊縫移動的影響Fig.12 Influence of blank holder force ratio to weld seam movement

3 結(jié)論

本文通過建立拼焊板U型件有限元仿真模型，研究了板厚比、材料參數(shù)（K值比，n值比）和壓邊力比對拼焊板U型件成形性能及焊縫移動的影響，得到如下結(jié)論：

（1）與單一板相比，隨著板料兩側(cè)厚度比、K值比、壓邊力比的增大，拼焊板U型件的成形性能會逐漸下降，焊縫移動量不斷增大.從圖中曲線的變化趨勢可以看出，板厚比、K值比、壓邊力比在兩側(cè)差距不大時，對拼焊板U型件的成形性能和焊縫移動有較大影響，之后隨著上述比值的增大，曲線變化趨于平緩，說明此時板厚比、K值比、壓邊力比對拼焊板U型件的成形性能和焊縫移動影響較小.

（2）n值比作為衡量材料塑性成形性能的指標(biāo)，隨著n值比的增大，材料成形性能越好，反映在拼焊板U型件上，當(dāng)板料一側(cè)的n值比不斷增大時，拼焊板U型件的成形性能會逐漸提高，焊縫移動量不斷增大.從曲線變化趨勢可以看出，隨著n值比的增大，拼焊板U型件成形性能近似呈線性增加，說明n值比始終對拼焊板成形性能有較大影響，而對于焊縫移動的影響，兩側(cè)n值比差距不大時影響很大，隨著n值比差距的增大，影響越來越小.

板厚比、材料參數(shù)（K值比、n值比）和壓邊力比對拼焊板U型件成形性能和焊縫移動的影響規(guī)律可以為實際生產(chǎn)中拼焊板的選用提供一定參考.

［1］VEERA B K，Ganesh N R，SARAVZNA K G.An expert system based on artificial neural network for predicting the tensile behavior of tailor welded blanks［J］.Expert Systems with Applications，2009，36（7）：10683-10695.

［2］GAIED S，ROELANDT J，PINARD F，et al.Experimental and numerical assessment of tailor-welded blanks formability［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209（1）：387-395.

［3］姜銀方，朱元右，楊繼昌，等.拼焊板沖壓成形與焊縫移動機(jī)制分析［J］.塑性工程學(xué)報，2005，12（Suppl 1）：123-128.JIANG YINFANG，ZHU Yuanyou，YANG Jichang，et al.Investigation of the forming of tailor welded blanks and the mechanism of weld line movement［J］.Journal of Plasticity Engineering，2005，12（Suppl 1）：123-128.

［4］周杰，高超，陽德森，等.拼焊板 U型件沖壓成形中焊縫移動與回彈的研究［J］.熱加工工藝，2009，38（21）：90-92，96.ZHOU Jie，GAO Chao，Yang Desen，et al.Research on weld movement and springback for TWB of U-shaped part in sheet metal forming［J］.Hot Working Technology，2009，38 （21）：90-92，96.

［5］張彥敏，張學(xué)賓，蘇娟華.鋁合金拼焊板盒形件拉深中壓邊力分析及優(yōu)化［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，28（1）：5-8.ZHANG Yanmin，ZHANG Xuebin，SU Juanhua.Analysis and optimization of holder force in tailor welded deep drawing［J］.Journal of Henan University of Science ＆ Technology：Natural Science，2007，28（1）：5-8.

［6］武立波，宋若冰，丁曉非，等.拼焊板沖壓成形與成形極限研究［J］.新技術(shù)新工藝，2008（11）：78-80.WU Libo，SONG Ruobing，DING Xiaofei，et al.Study on formability and forming limit for tailor welded blanks［J］.New Technology ＆New Process，2008（11）：78-80.

［7］胡世光，陳鶴崢.板料冷壓成形的工程解析［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.HU Shiguang，CHEN Hezheng.Engineering analysis in sheet metal forming of cold pressure［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2004.