銅/鋁復(fù)層板成形極限視覺測量方法及成形性能

孫　濤　梁　晉　郭　翔　李磊剛　任茂棟

1.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安，7100492.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽，618000

銅/鋁復(fù)層板成形極限視覺測量方法及成形性能

孫濤1,2梁晉1郭翔1李磊剛1任茂棟1

1.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安，7100492.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽，618000

基于數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)與雙目視覺技術(shù)，提出并實現(xiàn)了一種用于爆炸焊接制備的銅/鋁復(fù)層板成形極限應(yīng)變的視覺測量方法，利用有限元模擬結(jié)果對該方法進行驗證。根據(jù)DIC方法獲得的板料成形極限應(yīng)變，分析熱處理工藝及接觸狀態(tài)對銅/鋁復(fù)層板成形極限的影響，使用掃描電子顯微鏡對界面與斷口形貌進行觀察分析。結(jié)果表明：DIC方法測得的銅/鋁復(fù)層板失穩(wěn)破裂時的最大主應(yīng)變與有限元模擬結(jié)果的相對誤差為0.1%，且應(yīng)變值分布與有限元模擬吻合也較好；鋁在內(nèi)層時復(fù)層板成形極限大于銅在內(nèi)層時的成形極限；經(jīng)過退火處理的銅/鋁復(fù)層板成形性能優(yōu)于未退火時的性能；銅/鋁復(fù)層板發(fā)生失穩(wěn)斷裂時，界面產(chǎn)生脫離。

數(shù)字圖像相關(guān)法；成形極限曲線；銅/鋁復(fù)層板；成形性能；有限元方法

0　引言

雙金屬復(fù)層板因其具有良好的綜合性能在航空、造船、壓力容器、化工等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。但其成形性能與單一材料有很大不同，因此，研究雙金屬復(fù)層板的成形極限及其失效方式，對改變傳統(tǒng)的加工工藝有著現(xiàn)實指導(dǎo)意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對雙金屬復(fù)層板的成形性能進行了研究。Parsa等[1]研究了不銹鋼-鋁合金復(fù)層板的二次拉深性能，并對試驗結(jié)果進行了有限元驗證。劉洪偉等[2]采用Hosford高階屈服準(zhǔn)則和M-K理論推導(dǎo)了復(fù)層板的成形極限應(yīng)變表達式，通過理論計算得到銅鋁復(fù)層板的成形極限圖。Tseng等[3]對不同厚度比的銅/鋁復(fù)層板的成形極限進行了研究，并建立有限元模型對試驗結(jié)果進行了驗證，預(yù)測了材料厚度分布、破裂位置和復(fù)層板變形行為。Morovvati等[4]通過改變壓邊力，對拉深過程中單層和雙層金屬板的起皺進行了對比研究，并進行了有限元模擬。以上研究為本文的研究提供了有益的借鑒，但以上試驗中對成形極限應(yīng)變的測量采用的是傳統(tǒng)的坐標(biāo)網(wǎng)格法，精度和效率都不高。

數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation，DIC)是一種全場動態(tài)視覺測量方法，具有非接觸、精度高、受環(huán)境影響小、自動化程度高等優(yōu)點，克服了坐標(biāo)網(wǎng)格法的不足，并逐步在板料成形應(yīng)變檢測中得到應(yīng)用。Pires等[5]采用數(shù)字圖像相關(guān)法，對A5052觸變鑄造鋁合金的成形性能進行了研究。Palumbo等[6]利用DIC系統(tǒng)獲得了AZ31鎂合金整個成形過程的變形圖片，進而考察了溫度和應(yīng)變速率對FLC曲線的影響。Zhang等[7]在AA5086成形極限試驗中應(yīng)用了DIC技術(shù)，并將試驗結(jié)果與基于M-K模型的有限元數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比。Palumbo等[8]在研究恒定應(yīng)變速率下AZ31鎂合金的成形性能時，用DIC系統(tǒng)來測量板料極限應(yīng)變并確定板料失效的時刻和位置。Rohatgi等[9]將高速攝像技術(shù)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到AA5182-O鋁板的電液成形中，有助于理解高速成形過程中板料的變形演化。梁晉等[10]自主開發(fā)出基于數(shù)字圖像相關(guān)法的用于板料成形極限應(yīng)變測量的試驗平臺，并利用SPCC鋼板成形極限試驗對DIC方法進行了試驗驗證。DIC技術(shù)已經(jīng)在單金屬板料的成形性能研究方面得到應(yīng)用，但還未推廣到復(fù)層金屬板料的成形性能研究上。

結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法和雙目立體視覺技術(shù)，本文提出并實現(xiàn)了一種復(fù)層板料成形極限應(yīng)變視覺測量方法，然后基于該方法對銅/鋁復(fù)層板的成形性能及其影響因素進行了研究，并將DIC方法測量結(jié)果與有限元模擬結(jié)果進行了對比。

1　試驗方法

圖1　基于數(shù)字圖像相關(guān)法的成形試驗裝置

如圖1所示，試驗裝置主要由兩個CCD相機(分辨率為1624像素×1236像素，且配置有25 mm的鏡頭)、兩個LED光源、一個控制器(控制相機和光源)、一臺計算機和杯突試驗機組成。固定在同一水平面的兩相機間夾角約為30°，視場大小為150 mm×100 mm。所用試驗機是與上海百若實驗儀器有限公司合作研發(fā)的BTP-60型300 kN板料成形與杯突試驗機，該試驗機成形與壓邊部分尺寸如圖2所示。試驗流程如圖3所示，其中使用的變形測量軟件為XJTUDIC 8.0，該軟件相關(guān)理論可參考文獻[10]。本文基于光束平差原理對雙目視覺測量頭進行標(biāo)定，全面考慮了標(biāo)靶的制造誤差、鏡頭畸變誤差，具有較高的標(biāo)定精度，具體標(biāo)定步驟可參考文獻[11]。

圖2　試驗機成形與壓邊部分尺寸示意圖

圖3　板料成形試驗流程圖

試驗所用材料銅/鋁(T2紫銅/1060純鋁)復(fù)層板由寶雞申奧金屬材料有限公司提供，經(jīng)爆炸焊接而成，分別采用不退火和280 ℃退火兩種熱處理方式，其力學(xué)性能見表1。復(fù)層板厚度為1 mm，其中銅占總厚度的比例為35%。試件參考ISO 12004-2：2008(GB/T 24171.2-2009)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線切割制備而成，形狀及幾何尺寸如圖4所示，共6種規(guī)格。試件表面噴涂黑、白啞光漆形成黑白相間的散斑圖案(圖5)，作為數(shù)字圖像相關(guān)法匹配和跟蹤被測件表面變形的特征。

表1　不同熱處理方式下銅/鋁復(fù)層板力學(xué)參數(shù)

圖4　試件形狀及尺寸示意圖

(a)未退火(b)280 ℃退火圖5　試件變形狀況示意圖

板料成形采用Nakazima試驗法，也就是半球剛性凸模脹形試驗。通過改變試件的寬度，使其側(cè)向約束改變從而得到從單拉到等雙拉的成形極限。經(jīng)反復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)以下潤滑方式可以使銅/鋁復(fù)層板的裂紋產(chǎn)生在距離拱頂15%的沖頭直徑范圍內(nèi)：先分別在試件與沖頭的接觸面涂上KLUBER潤滑脂，再在試件與沖頭之間貼上0.05 mm厚的圓形PE薄膜。

將試件安裝到杯突試驗機沖頭上方，對中并夾緊后，啟動試驗機的同時開啟相機采集不同寬度試件在成形過程不同時刻的圖像(不同變形狀態(tài))。杯突試驗沖頭速度設(shè)為1 mm/s，壓邊力為150 kN，沖壓力為120 kN，相機的采集頻率為10幀/s。利用DIC方法對相機采集圖像進行處理時，網(wǎng)格尺寸為35像素×35像素(像素尺寸為4.4 mm/像素)，子步尺寸為33像素×33像素(像素尺寸為4.4 mm/像素)。成形后試件發(fā)生了圖5所示的變形。對采集的序列變形圖像進行處理、計算，可生成各變形狀態(tài)下試件表面三維輪廓和最大主應(yīng)變分布，如圖6所示。

圖6　90 mm寬試件在不同變形狀態(tài)的表面輪廓及應(yīng)變分布

2　結(jié)果與討論

2.1成形極限曲線分析

分析圖7所示兩種熱處理方式下不同接觸狀態(tài)下銅/鋁復(fù)層板的成形極限曲線可知，鋁在內(nèi)層時的成形極限曲線均位于銅在內(nèi)層的成形極限曲線之上。這表明鋁處于內(nèi)層時，復(fù)層板的成形性能優(yōu)于銅在內(nèi)層時的成形性能。這是因為銅的應(yīng)變硬化指數(shù)n(280 ℃退火時n為0.0613) 大于鋁的應(yīng)變硬化指數(shù)n(280 ℃退火時n為0.0312)。成形試驗時，若凸模與處于內(nèi)層的銅層首先接觸，當(dāng)外層的鋁層發(fā)生頸縮時，銅層還在安全區(qū)域內(nèi)；若凸模與處于內(nèi)層的鋁層首先接觸，當(dāng)外層的銅層達到頸縮狀態(tài)時，鋁層也達到頸縮狀態(tài)。由此可知，復(fù)層板的成形極限不僅與組成復(fù)層板的力學(xué)性能有關(guān)，而且與成形過程中復(fù)層板不同的接觸狀態(tài)有關(guān)。

(a)未退火

(b)280 ℃退火圖7　銅/鋁復(fù)層板成形極限曲線

對比圖7a和圖7b的成形極限曲線可知，采用退火處理后，復(fù)層板的成形性能明顯優(yōu)于不退火時的成形性能，因此適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噷ο牧显诒ê附舆^程中產(chǎn)生的應(yīng)力、提高復(fù)層板的成形性能具有重要作用。

2.2銅/鋁復(fù)層板失效分析

圖5所示為未退火和280 ℃退火兩種熱處理方式下的成形極限試驗部分試樣，由圖5可見：雖然試樣的尺寸不同，但多于60%試樣的裂紋位置出現(xiàn)在試樣中心處，其余試件的裂紋偏離中心處可能與潤滑有關(guān)。

銅/鋁復(fù)層材料界面形貌如圖8所示，由于爆炸焊接過程中產(chǎn)生的強大沖擊力高達幾百萬兆帕，使銅/鋁復(fù)層板界面處產(chǎn)生了塑性流動和高速射流，從而形成了不同于兩側(cè)金屬性能的且連接兩側(cè)金屬的過渡區(qū)，沿界面方向過渡區(qū)呈現(xiàn)波紋式和平直式兩種典型形態(tài)。

(a)波紋式界面

(b)平直式界面圖8　銅/鋁復(fù)層材料界面組織結(jié)構(gòu)

(a)斷口形貌

(b)界面脫離區(qū)域放大圖9　銅/鋁復(fù)層材料成形極限斷口形貌

圖9所示為銅/鋁復(fù)層材料成形極限試驗試件破裂處界面區(qū)域斷口形貌，可見，界面處的銅鋁兩側(cè)金屬幾乎同時發(fā)生斷裂并伴隨界面局部脫離，并且兩側(cè)金屬的斷口形貌有很大差異，相對于銅側(cè)斷口，鋁側(cè)表現(xiàn)為更明顯的韌窩形貌。因此可以推斷，界面脫離為銅/鋁復(fù)層板成形過程中的主要失效形式。

3　有限元驗證

3.1有限元建模

有限元方法是比較成熟、可靠的方法，可以對板料成形過程進行模擬，驗證DIC方法測量復(fù)層材料成形極限應(yīng)變的有效性。成形極限試驗試件規(guī)格雖多但有限元模型差異不大，加之篇幅有限，故本文僅對經(jīng)過280 ℃退火且平行部分寬度為30 mm試件的成形過程進行有限元建模。所用有限元分析軟件為Abaqus 6.10，該軟件可以處理高度非線性問題。建模時將銅/鋁復(fù)層材料等效為單一材料，材料參數(shù)見表1。對板料分網(wǎng)時采用三維實體單元，而將沖頭、沖模和壓邊圈視為三維離散剛體，整體有限元模型如圖10所示。定義邊界條件時，沖頭沿y方向移動，壓邊力通過壓邊圈施加在板料上，設(shè)定了沖頭-板料、沖模-板料和壓邊圈-板料3個接觸對，且所有接觸面的摩擦因數(shù)假定為0.1(參考了文獻[3]中鋁/銅復(fù)層板成形極限試驗有限元模擬中摩擦因數(shù)的假定)。

圖10　銅/鋁復(fù)層板成形試驗有限元模型

3.2有限元結(jié)果分析

由圖11a可知，板料發(fā)生失穩(wěn)破裂的位置在靠近中部的凸起處，且裂紋呈鋸齒狀；圖11b是DIC方法測得的板料發(fā)生破裂時其最大主應(yīng)變云圖，破裂位置亦在板料中部，且最大應(yīng)變?yōu)?5.075%；圖11c所示為有限元模擬結(jié)果，可以看出，板料破裂位置在板料中部凸起處，且發(fā)生了頸縮，與試驗結(jié)果吻合；圖11c中有限元模擬破裂處的應(yīng)變值最大為15.09%，與DIC測得應(yīng)變值的相對誤差為0.1%，且有限元模擬應(yīng)變量值分布與基于DIC方法得到的應(yīng)變結(jié)果吻合較好，說明DIC方法能有效且準(zhǔn)確地測量板料成形時的全場應(yīng)變。

(a)板料斷裂時的實際狀態(tài)(b)基于DIC方法獲得的最大主應(yīng)變云圖

(c)有限元模擬結(jié)果圖11　成形極限試驗驗證

4　結(jié)論

(1)DIC方法測得的銅/鋁復(fù)層板失穩(wěn)破裂時的最大主應(yīng)變與有限元模擬結(jié)果的相對誤差為0.1%，且應(yīng)變值分布與有限元模擬吻合也較好，說明DIC方法能有效且準(zhǔn)確地獲得銅/鋁復(fù)層板成形時的全場應(yīng)變。

(2)經(jīng)過退火處理的銅/鋁復(fù)層板成形性能優(yōu)于未退火時的成形性能，說明熱處理方式對材料成形性能有很大影響。

(3)鋁在內(nèi)層時的成形極限曲線位于銅在內(nèi)層的成形極限曲線之上，說明復(fù)層板的成形極限取決于成形過程中沖頭與復(fù)層板的接觸狀態(tài)。

(4)銅/鋁復(fù)層板兩側(cè)斷口形貌差別較大，界面脫離是其成形過程中的主要失效形式。

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(編輯陳勇)

Forming Limit Vision Measurement and Formability of Cu/Al Clad Metals

Sun Tao1,2Liang Jin1Guo Xiang1Li Leigang1Ren Maodong1

1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710049 2.Sichuan Engineering Technical College,Deyang,Sichuan,618000

To measure the forming limit strain of Cu/Al clad metal made by explosive welding technique, a new optical measurement method based on the digital image correlation (DIC) method and binocular stereovision was proposed and implemented. The FEM results were used to verify the strain measurement accuracy of the DIC method. Based on the limit strain of Cu/Al clad metals by DIC method, the influences of heat treatment and contact status on forming limit were analyzed. Also, the interfacial and fracture structures were analyzed with SEM.The results demonstrate that the relative error of major strain between DIC method and FEM mothod is 0.1% when Cu/Al clad metals are broken, and the strain distributions agree finite element simulation results well. The forming limit of the clad with Al in the inner layer is higher than the clad with Cu in the inner layer. The formability of the annealed clad is superior to the not annealed one. The clad is broken at both sides with interface fracture.

digital image correlation;forming limit curve;Cu/Al clad metal;formability;finite element method(FEM)

2014-02-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275378，51275389)

TP391；TG386DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.07.021

孫濤，男，1982年生。西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系講師。主要研究方向為三維光學(xué)測量、有限元模擬。發(fā)表論文7篇。梁晉，男，1968年生。西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。郭翔，男，1984年生。西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。李磊剛，男，1987年生。西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。任茂棟，男，1987年生。西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。