雙相鋼激光拼焊板溫成形拉深性能分析研究

陳 煒，何振良，郭玉琴，劉 政，王 通

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

雙相鋼激光拼焊板溫成形拉深性能分析研究

陳 煒，何振良，郭玉琴，劉 政，王 通

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

板料的溫塑性成形方法已經(jīng)得到廣泛使用，可以運(yùn)用到雙相鋼激光拼焊板成形中以提高其成形性能。以盒形件為分析對(duì)象對(duì)雙相鋼激光拼焊板的溫拉深性能進(jìn)行了研究，通過(guò)溫單拉實(shí)驗(yàn)、盒形件溫拉深過(guò)程的有限元模擬與實(shí)沖實(shí)驗(yàn)以及金相實(shí)驗(yàn)，分析了雙相鋼激光拼焊板由常溫到500℃各個(gè)溫度下的力學(xué)性能與拉深性能。結(jié)果表明：成形溫度對(duì)雙相鋼激光拼焊板溫拉深影響比較顯著，在400～500℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫成形，能獲得較好的成形性能。

激光拼焊板；溫拉深；盒形件；雙相鋼

雙相鋼屬于相變強(qiáng)化高強(qiáng)度鋼，由鐵素體與馬氏體組成，具有屈強(qiáng)比低、無(wú)屈服延伸、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)高和良好的抗碰撞性能等特點(diǎn)，已發(fā)展成為一種汽車用高強(qiáng)度新型沖壓用鋼［1－4］。

雙相鋼激光拼焊板兼有雙相鋼板與激光拼焊板技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但是在常溫下難以成形［5－7］。近年來(lái)，板料的溫塑性成形方法開(kāi)始得到廣泛使用［8］，可以運(yùn)用到雙相鋼激光拼焊板成形中以提高其成形性能。然而，隨著板料強(qiáng)度的增加，其成形性變差，特別是在拉深成形過(guò)程中，容易引起模具磨損、工件破裂等缺陷，雙相鋼激光拼焊板溫拉深過(guò)程也不例外。

在工程實(shí)踐中，工件多為非軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)形狀，而盒形件具有典型非回轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀特征，特別是其拉深過(guò)程中各部分的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)與復(fù)雜覆蓋件有著諸多共性。因此本工作以盒形件為分析對(duì)象對(duì)雙相鋼激光拼焊板溫拉深性能進(jìn)行了研究，通過(guò)溫單拉實(shí)驗(yàn)、盒形件拉深過(guò)程的有限元模擬與實(shí)沖實(shí)驗(yàn)以及金相實(shí)驗(yàn)，分析了雙相鋼激光拼焊板由常溫到500℃各個(gè)溫度下的力學(xué)性能與拉深性能，為雙相鋼激光拼焊板非回轉(zhuǎn)特征工件的溫拉深工藝及模具設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了一定依據(jù)。

1 雙相鋼拼焊板母材及焊縫在各個(gè)溫度的流變應(yīng)力

流變應(yīng)力是研究板料成形最基本的信息，并且其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)于成形過(guò)程的有限元仿真也是必要的。因此本工作進(jìn)行了B340／590DP雙相鋼母材和拼焊板由常溫到500℃的溫單拉實(shí)驗(yàn)，得到了拼焊板和母材的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)等應(yīng)變法［9，10］計(jì)算得到焊縫的應(yīng)力應(yīng)變曲線，最終經(jīng)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算所得的母材和焊縫的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1（a），（b）所示。

圖1 不同溫度下母材和焊縫的真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線（a）母材；（b）焊縫Fig．1 True stress－strain curve of base metal and weld at different temperature （a）base sheet；（b）weld

由圖1（a）可以看出，雙相鋼母材在200～300℃之間存在明顯的加工硬化現(xiàn)象，并且隨著溫度的升高發(fā)生了強(qiáng)度增大、塑性和韌性降低的現(xiàn)象。與常溫下母材的拉伸實(shí)驗(yàn)相比，在200～300℃區(qū)間雙相鋼的成形性能幾乎沒(méi)有提高。在400～500℃區(qū)間成形時(shí)，主要是發(fā)生加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)，根據(jù)拉伸真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以看出，材料有明顯的軟化現(xiàn)象，雙相鋼強(qiáng)度小于室溫拉伸時(shí)的強(qiáng)度，成形性能較好。由圖1（b）可以看出，在室溫～500℃區(qū)間，焊縫的強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于母材。

2 雙相鋼拼焊板的溫拉深研究

2．1 盒形件溫拉深A(yù)baqus有限元模擬

由于溫拉深過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)非線性接觸過(guò)程，因此，本工作選擇ABAQUS／Explicit動(dòng)態(tài)顯式算法作為模擬平臺(tái)。在ABAQUS前處理模塊里完成板料和模具幾何模型的建立。在ABAQUS的Property模塊中賦予拼焊板的材料性能，B340／590DP雙相鋼激光拼焊板的母材和焊縫力學(xué)性能由前述實(shí)驗(yàn)得到，其中彈性模量為210GPa，泊松比為0．3，材料密度為7826kg／m3。需要定義4個(gè)接觸面，3組接觸對(duì)，它們分別是：板料上表面與凸模，板料下表面與凹模，板料上表面與壓邊圈下表面。選擇剛體表面作為主面，變形體表面為從面。板料與模具接觸面換熱系數(shù)為3483W／（m2·K）。本分析過(guò)程是一個(gè)幾何非線性、材料非線性和接觸非線性的過(guò)程，選用C3D8R六面體縮減實(shí)體單元?jiǎng)澐帜＞吆桶辶暇W(wǎng)格。根據(jù)對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的綜合考慮，拼焊板焊縫的寬度定為2mm。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，采用1／2模型，如圖2所示。其中，模具設(shè)置為剛體，板料為變形體。細(xì)化焊縫區(qū)網(wǎng)格，板料厚度方向劃分為五層單元，焊縫與母材采用剛性連接處理，板料及焊縫網(wǎng)格劃分如圖3所示。

對(duì)1．0／1．0厚度比的拼焊板在室溫、200℃、300℃、400℃和500℃下的等溫拉深過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。各溫度下拼焊板的成形工況一致，即壓邊力為10MPa，沖壓速率為10 mm／s，摩擦因數(shù)為0．1，根據(jù)工程實(shí)際情況，本工作采用厚度減薄率達(dá)到30%為破裂準(zhǔn)則［11］。各溫度下，拼焊板盒形件模擬的極限拉深高度如圖4所示。可以看出，在同一成形工況下溫度對(duì)拼焊板盒形件的極限拉深高度影響比較明顯。在各成形溫度下，拼焊板盒形件的最大等效應(yīng)變位置均處在凸模圓角或凹模圓角區(qū)域，其中凸模圓角為減薄區(qū)，凹模圓角為增厚區(qū)。焊縫區(qū)與周圍母材區(qū)的等效應(yīng)變基本一致。隨著溫度的升高，焊縫區(qū)強(qiáng)度足夠，不易發(fā)生破裂失效。

圖4 各溫度下盒形件拉深的等效應(yīng)變?cè)茍D（a）室溫；（b）200℃；（c）300℃；（d）400℃；（e）500℃Fig．4 Equivalent strain distributions of deep drawing of rectangular cup at elevated temperatures（a）room temperature；（b）200℃；（c）300℃；（d）400℃；（e）500℃

2．2 盒形件溫拉深實(shí)沖試驗(yàn)

為了研究B340／590DP雙相鋼激光拼焊板在各個(gè)溫度下實(shí)際的溫拉深性能，本工作進(jìn)行了方形盒形件實(shí)沖實(shí)驗(yàn)。圖5顯示了各個(gè)溫度下雙相鋼激光拼焊板盒形件的極限拉深高度，圖6指出了400℃時(shí)破裂發(fā)生在盒形件圓角處，焊縫界面沒(méi)有發(fā)生破裂失效，其他溫度下，破裂位置與焊縫界面情況與之相同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同一溫拉深工況下，溫度對(duì)雙相鋼拼焊板盒形件的極限拉深高度影響顯著，200℃和300℃拼焊板盒形件由于鋼的藍(lán)脆現(xiàn)象其成形性能不如室溫，而400℃和500℃的成形性能則高于室溫。在室溫到500℃溫度范圍內(nèi)，焊縫具有足夠的強(qiáng)度和剛度，而不致發(fā)生失效破裂。

圖5 溫度對(duì)拼焊板盒形件拉深高度的影響Fig．5 Effect of temperature on drawing height of rectangular cup

圖6 B340／590DP雙相鋼拼焊板400℃時(shí)拉深結(jié)果Fig．6 Experimental results of rectangular cup at 400℃

這些實(shí)沖結(jié)果與有限元模擬基本一致，驗(yàn)證了有限元模擬的可靠性，拼焊板盒形件的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)高度與實(shí)驗(yàn)拉深高度比較如圖7所示，模擬值比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大，但其誤差小于7%。

400℃和500℃時(shí)拼焊板成形性能要明顯好于室溫、200℃和300℃。這除了400℃不在拼焊板的藍(lán)脆區(qū)的原因以外，還有動(dòng)態(tài)回復(fù)和部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的產(chǎn)生使得材料出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象。為了進(jìn)一步分析研究，本文用光學(xué)顯微鏡對(duì)400℃拉深后的盒形件分區(qū)域進(jìn)行了微觀組織觀察，分別是：盒形件的平面凸緣部分（區(qū)域①）、盒形件拐角的直壁部分（區(qū)域②）、凸模圓角部分（區(qū)域③）和盒底部分（區(qū)域④），四個(gè)區(qū)域的金相組織如圖8所示。可以看出，變形程度較大的區(qū)域②和③處于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的起始階段，發(fā)生了少量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶但是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度較低。變形程度較低的區(qū)域①和④動(dòng)態(tài)再結(jié)晶幾乎為零。從金相分析實(shí)驗(yàn)來(lái)看，400℃和500℃時(shí)雙相鋼盒形件成形性能提高的原因主要是由于動(dòng)態(tài)回復(fù)產(chǎn)生的軟化。

圖7 盒形件極限拉深高度數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig．7 Comparison between numerical and experimental limit drawing height of rectangular cup

圖8 400℃盒形件不同區(qū)域金相組織Fig．8 Metallographic structure of different sites of rectangular cup at 400℃

3 結(jié)論

（1）通過(guò)溫單拉實(shí)驗(yàn)，盒形件溫拉深數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析對(duì)B340／590DP雙相鋼激光拼焊板的溫拉深性能進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別得到了B340／590DP雙相鋼激光拼焊板從室溫到500℃的力學(xué)性能和盒形件溫拉深的極限拉深高度，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

（2）成形溫度對(duì)雙相鋼激光拼焊板盒形件極限拉深高度的影響比較顯著，隨著溫度的上升，拼焊板盒形件的極限拉深高度呈上升趨勢(shì)，但在200～400℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了藍(lán)脆現(xiàn)象。研究表明雙相鋼拼焊板在400～500℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫成形，能獲得較好的成形性能。

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Analytical Studies for Deep Drawing Formability of DP590 Tailor－welded Blanks on Warm Sheet Metal Forming

CHEN Wei，HE Zhen－liang，GUO Yu－qin，LIU Zheng，WANG Tong
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China）

The warm forming process has been widely applied as a promising alternative，which can be applied to the forming of dual phase steel（DP）laser tailor－welded blanks（TWBs）to improve their drawing formability．The deep drawing formability of DP－TWBs on warm sheet forming has been investigated by the square cup．Tensile tests，finite element and experimental analysis on deep drawing of square cup，metallographic tests were used to investigate the formability of DP－TWBs at various temperatures ranging from room temperature to 500℃．The results show that the forming temperature has great effect on the formability of DP－TWBs，and the formability is much better when they are formed at the temperature from 400℃to 500℃．

laser tailor welded blanks；warm deep drawing；square cup；dual phase steel

TG457．11；TG113

A

1001－4381（2012）07－0015－05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50775102）；上海市數(shù)字化汽車車身工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題（2009003）

2011－07－26；

2011－12－05

陳煒（1965—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘辶纤苄猿尚渭夹g(shù)、精密成形與微成形、模具CAD／CAE／CAM一體化技術(shù)，聯(lián)系地址：江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院模具技術(shù)研究所（212013），E－mail：chen＿wei＠ujs ．edu．cn