拼焊板U形件彎曲成形回彈補(bǔ)償和焊縫移動(dòng)規(guī)律研究

劉曉晶，周文浩，劉 博，王 哲，王 聰

（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

拼焊板U形件彎曲成形回彈補(bǔ)償和焊縫移動(dòng)規(guī)律研究

劉曉晶，周文浩，劉 博，王 哲，王 聰

（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

為了提高預(yù)測(cè)回彈的準(zhǔn)確性，選用了拼焊板U形件作為研究對(duì)象，運(yùn)用Dynaform軟件，進(jìn)行沖壓成形和回彈的有限元數(shù)值模擬研究，得出了壓邊力、板料強(qiáng)度以及板料厚度對(duì)焊縫移動(dòng)的影響規(guī)律，并探討了焊縫、壓邊力、材料性能參數(shù)和板料厚度對(duì)回彈的影響，最終進(jìn)行回彈補(bǔ)償與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.研究結(jié)果表明隨著壓邊力的增大，焊縫向厚側(cè)移動(dòng)；板料強(qiáng)度不同時(shí)，焊縫向強(qiáng)度高的一側(cè)移動(dòng)；厚度不同時(shí)，焊縫向板料厚的一側(cè)移動(dòng)；焊縫會(huì)令板料的回彈量增大；隨著壓邊力的增大，回彈量減??；彈性模量相同的條件下，材料屈服極限σs越高，回彈角越大；材料硬化指數(shù)n越小，回彈角越大；保持厚側(cè)板料不變的情況下，另一側(cè)板料越薄，回彈量越大.

拼焊板；有限元分析；移動(dòng)；回彈補(bǔ)償

拼焊板是指將兩塊或兩塊以上的板料在沖壓成形之前焊接在一起，然后進(jìn)行成形，以滿足不同部位零件性能的要求，這些板料可以具有不同厚度、力學(xué)性能和電鍍層［1-2］.隨著人們對(duì)節(jié)能、環(huán)保和安全駕駛等方面的重視，汽車(chē)制造者需要不斷的創(chuàng)新工藝來(lái)降低車(chē)身重量，拼焊板為上述問(wèn)題提供了一個(gè)良好的解決方案［3-4］.但是由于拼焊板焊縫和熱影響區(qū)的存在以及焊縫兩側(cè)母材存在機(jī)械性能和厚度上的差異，導(dǎo)致成形過(guò)程中的破裂、起皺、回彈和焊縫移動(dòng)，成形性能下降，甚至成形困難［5］.隨著焊接質(zhì)量的提高以及有限元模擬軟件功能的日益增加，有限元模擬軟件可以預(yù)測(cè)成形過(guò)程中板料的拉裂、起皺、減薄、焊縫移動(dòng)和回彈等，評(píng)估板料的性能，從而為優(yōu)化工藝參數(shù)，縮短模具制造周期提供依據(jù)［6-9］.介于拼焊板的回彈問(wèn)題的影響因素諸多，對(duì)拼焊板的成形及回彈仍需做進(jìn)一步的研究［10-12］.

本文主要通過(guò)數(shù)值模擬的手段對(duì)多種條件下拼焊板U形件的成形及回彈進(jìn)行模擬，分析拼焊板U形件焊縫移動(dòng)及回彈規(guī)律，并利用補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐ薷哪＞咭赃_(dá)到減小回彈的目的［13-15］.

1 焊縫移動(dòng)及回彈規(guī)律的研究

本文對(duì)U形件拼焊板的成形進(jìn)行模擬.具體形狀和尺寸如圖1所示，零件的寬度為20 mm.

圖1 U形件的形狀及尺寸（單位：mm）

根據(jù)U形件尺寸建立凹模模型，將凹模模型的型面轉(zhuǎn)換為國(guó)際常用的片體格式IGES文件，再將其導(dǎo)入到CAE分析軟件Dynaform5.6中，壓邊圈和凸模等工具都是在Dynaform中自動(dòng)生成的，由于主要研究的是焊縫的移動(dòng)規(guī)律與回彈現(xiàn)象，所以沒(méi)有設(shè)計(jì)焊縫寬度，焊縫初始位置在底面中間處，利用軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具，平均劃分為單元為1 mm的網(wǎng)格，模型如圖2所示.

圖2 拼焊板U形件拉深有限元模型

1.1 影響焊縫移動(dòng)的因素分析

一般在彎曲成形中，拉伸變形量主要集中在薄側(cè)，在板料兩側(cè)施加壓邊力相等的情況下，薄側(cè)相對(duì)厚側(cè)更容易流入凹模，這就使得焊縫被拉向厚側(cè).

1.1.1 壓邊力對(duì)焊縫移動(dòng)的影響

表1是材料為HSLA350，厚度為0.8～1.2 mm的拼焊板焊縫隨壓邊力的變化的移動(dòng)情況.從表中可以看出，焊縫移動(dòng)量是隨著壓邊力的增大而增加的.

表1 不同壓邊力時(shí)焊縫移動(dòng)量

1.1.2 板料強(qiáng)度對(duì)焊縫移動(dòng)的影響

選擇固定一側(cè)材料為HSLA350，另一側(cè)材料為HSLA250、HSLA300、HSLA350、HSLA550，厚度為1.2 mm的板料進(jìn)行模擬，壓邊力為20 kN.材料的性能參數(shù)如表2所示.模擬結(jié)果如表3所示（HSLA350一側(cè)為正方向）.

從結(jié)果中可以看出，焊縫是向板料強(qiáng)度高的一側(cè)移動(dòng)，分析原因?yàn)榘辶蠌?qiáng)度低的一側(cè)屈服極限低，在相同的壓邊力的作用下，板料的流動(dòng)性更好，從而板料被拉向強(qiáng)度高的一側(cè).

表2 材料性能參數(shù)

表3 不同板料時(shí)焊縫移動(dòng)量

1.1.3 板料厚度對(duì)焊縫移動(dòng)的影響

選擇固定一側(cè)厚度為1.4 mm，另一側(cè)為0.8、1.0、1.2、1.4 mm的板料進(jìn)行模擬，材料為HSLA350，壓邊力為25 kN，模擬結(jié)果如表4所示.

表4 不同板厚比時(shí)焊縫移動(dòng)量

從結(jié)果中可以看出，焊縫是向板料厚的一側(cè)移動(dòng)，分析原因?yàn)樵谙嗤膲哼吜Φ淖饔孟拢辶虾竦囊粋?cè)流動(dòng)性差，隨著板料厚度比的增加，板料的厚度越來(lái)越接近，兩側(cè)板料流入凹模的量也越來(lái)越接近，焊縫移動(dòng)減小.

1.2 彎曲成形影響回彈的因素分析

拼焊板不同于光板之處就是焊縫的存在，對(duì)于兩側(cè)材料和厚度都不同的拼焊板，焊縫的存在使其卸載回彈時(shí)釋放應(yīng)力更加復(fù)雜化.與同種規(guī)格的光板相比，即使拼焊板兩側(cè)的材料、厚度都相同，由于焊縫的存在，其力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生一定的改變.雖然僅僅用剛性節(jié)點(diǎn)代替拼焊板的焊縫，但還是不可避免地對(duì)回彈產(chǎn)生了一定的影響.

由于U形件回彈后圓角半徑發(fā)生變化，而直接測(cè)量各部分圓角半徑很難做到準(zhǔn)確.文中采用的是MUMISHEET’93國(guó)際會(huì)議的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量法，其中側(cè)壁部分回彈量由回彈前后側(cè)壁的夾角表示，法蘭部分回彈量由回彈前后法蘭夾角表示，如圖3所示.

圖3 回彈角測(cè)量示意圖

1.2.1 焊縫對(duì)回彈的影響

表5為不同壓邊力下，1.2 mm×1.2 mm的拼焊板和1.2 mm的光板的回彈量（此處回彈量為底部和法蘭圓角回彈量之和）.

表5 拼焊板與光板回彈對(duì)比

從表中可以看出，由于焊縫的存在，拼焊板的回彈量要大于1.2 mm的光板的回彈量，另外從表中還可以看出，由于焊縫的影響，即使拼焊板兩側(cè)板料的厚度和材料性能均相同，其兩側(cè)的回彈量也存在差異.

1.2.2 壓邊力對(duì)回彈的影響

選擇材料為HSLA350，厚度為0.8～1.2 mm的鋼板，凹模底部圓角半徑為10.72和10.48 mm，法蘭圓角半徑為9.4和9.6 mm；凸模底部圓角半徑為9.4和9.6 mm，法蘭圓角半徑為10.72和10.48 mm；凸模底部為階梯型，凸凹模間隙為1.1倍的板厚；摩擦系數(shù)μ為0.125.選取壓邊力分別為10、15、20、25 kN進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4所示.

圖4 壓邊力對(duì)總回彈角的影響

從圖中可以看出，無(wú)論是拼焊板還是光板，總的回彈角都是隨著壓邊力的增大而減小的，并且拼焊板的回彈角始終大于對(duì)應(yīng)厚度的光板，原因?yàn)楹缚p和厚度差的存在導(dǎo)致變形不均勻，增加了回彈角.在10 kN的時(shí)候拼焊板的回彈角很大且薄側(cè)大于厚側(cè)，是因?yàn)樵谠搲哼吜ψ饔孟?，兩種板料均處于彈性變形階段，應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的彎矩較大，回彈角較大，而相對(duì)于厚板，薄板更容易發(fā)生彈性恢復(fù)，所以薄側(cè)回彈角大于厚側(cè)；15 kN時(shí)，薄側(cè)回彈角急劇減小，小于厚側(cè)回彈角，這是因?yàn)殡S著壓邊力的增大，薄側(cè)板料由彈性形變轉(zhuǎn)換為塑性變形的量逐漸增大，而厚側(cè)還處于彈性變形階段；20 kN時(shí)，厚側(cè)進(jìn)入彈性變形的量也增多，回彈角急劇減??；25 kN時(shí)，薄厚兩側(cè)板料塑性變形的都比較充分，由于厚側(cè)板料參與塑性變形的量比薄側(cè)多，抵抗回彈變形的能力就大，所以厚側(cè)的回彈角比薄側(cè)小.

1.2.3 材料性能參數(shù)的影響

選擇固定一側(cè)板料為HSLA350，另一側(cè)材料為HSLA250、HSLA300、HSLA350、HSLA550，板料厚度為1.2 mm，壓邊力為20 kN的鋼板進(jìn)行成形及回彈的有限元模擬，材料參數(shù)如表2所示.

屈服極限σs和硬化指數(shù)n對(duì)回彈角的影響如圖5和圖6所示.由圖可知，材料為HSLA350一側(cè)在另一側(cè)為相同材料時(shí)回彈角最小.而另一側(cè)回彈角隨著屈服極限σs的增大而增加，隨著硬化指數(shù)n的增大而減小，這是因?yàn)椋谒苄詮澢鷷r(shí)，彎曲角回彈量和表示為

式中：E為彈性模量；t為板厚；ρ0為板料密度；α為彎曲角.在彈性模量E不變的情況下，材料屈服極限σs越高，回彈角越大；材料硬化指數(shù)n越小，回彈角越大.

圖5 屈服極限對(duì)總回彈角的影響

圖6 硬化指數(shù)對(duì)總回彈角的影響

1.2.4 板料厚度對(duì)回彈的影響

選擇厚側(cè)板料厚度為1.4 mm，薄側(cè)板料厚度為0.8，1.0，1.2和1.4 mm，板料材質(zhì)為HSLA350，壓邊力為25 kN，模具尺寸及間隙根據(jù)板料厚度進(jìn)行修改，模擬結(jié)果如圖7所示.

圖7 板料厚度比對(duì)總回彈角的影響

由圖可知，隨著板厚度比的增加，拼焊板兩側(cè)回彈角都減小，板厚比越接近于1，回彈角越小，這與一般光板隨厚度變化規(guī)律相同.但是對(duì)于厚度始終為1.4 mm的一側(cè)來(lái)說(shuō)，回彈角并不是不變的，而是隨著厚度比的減小而減小，這是因?yàn)殡S著板厚比的減小，兩側(cè)板料在成形時(shí)應(yīng)力分配更均勻，最終1.4 mm板料回彈角也減小.

2 回彈補(bǔ)償

2.1 模擬設(shè)置

選取的U形件如圖1所示，板料選擇材料和厚度均不相同的兩塊板拼焊而成，其中厚側(cè)材料為DP500，厚度為1.2 mm；薄側(cè)材料為DQSK，厚度為0.8 mm，兩塊板料采用底層對(duì)齊的方式進(jìn)行拼焊.表6為兩種材料的性能參數(shù).

表6 材料性能參數(shù)

將DP500對(duì)應(yīng)的壓邊圈上施加較大的壓邊力，初步定為20 kN，材料為DQSK所對(duì)應(yīng)的壓邊力設(shè)定為12 kN.考慮到薄側(cè)壓邊力小于厚側(cè)壓邊力，焊縫必然會(huì)向厚側(cè)移動(dòng)，為了獲得焊縫在對(duì)稱中心的U形件，所以將板坯的初始位置從模具中心向薄側(cè)移動(dòng)8 mm.凸凹模間隙參照母材的厚度，厚側(cè)設(shè)定為1.32 mm，薄側(cè)設(shè)定為0.88 mm，定義虛擬沖壓速度為2 000 mm/s.

回彈模擬結(jié)果如圖8所示.厚側(cè)回彈角大于薄側(cè)回彈角，原因?yàn)楹駛?cè)板料變形不充分，進(jìn)入塑性變形的部分少，且厚側(cè)板料強(qiáng)度大，故回彈角大.

圖8 拼焊板U形件回彈前后截面線

2.2 回彈補(bǔ)償

根據(jù)第一次成形和回彈結(jié)果，對(duì)U形件進(jìn)行回彈補(bǔ)償.通過(guò)數(shù)值模擬，軟件對(duì)模面進(jìn)行自動(dòng)修改，并生成一套新的工具網(wǎng)格，如圖9所示，可以看出，模具的凹模、凸模和壓料面都做了調(diào)整.但是自動(dòng)生成的模具型面單元有很多發(fā)生了扭曲變形，需要手動(dòng)進(jìn)行修補(bǔ)，再修補(bǔ)過(guò)后重新進(jìn)行單元檢查，直至滿足要求為止.

用補(bǔ)償后的模具重新進(jìn)行沖壓成形的有限元數(shù)值模擬，成形的效果與第一次成形的基本相同，這里不做過(guò)多介紹，并把模擬后的結(jié)果再次進(jìn)行回彈計(jì)算.把回彈后的結(jié)果與第一次成形后的結(jié)果做對(duì)比，并測(cè)量二者之間的回彈角（這里稱為回彈角，實(shí)際為二者之間法蘭與側(cè)壁的角度），發(fā)現(xiàn)厚側(cè)的回彈角下降比較明顯，法蘭部分從2.44°降到1.13°，側(cè)壁部分從4.41°降到1.21°.薄側(cè)的回彈角法蘭部分從1.32°降到0.94°，側(cè)壁部分從1.55°降到0.43°.為使厚側(cè)回彈角也降到1°以下，所以進(jìn)行第二次回彈補(bǔ)償.

重復(fù)第一次回彈補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程，進(jìn)行第二次回彈補(bǔ)償，并使用補(bǔ)償過(guò)的模具重新進(jìn)行成形及回彈的有限元數(shù)值模擬模擬，并把回彈后的結(jié)果與第一次成形后的結(jié)果做對(duì)比，并測(cè)量回彈角，發(fā)現(xiàn)薄厚兩側(cè)板料的回彈角再次減小了，厚側(cè)法蘭部分從1.13°降到-0.19°，側(cè)壁部分從1.21°降到0.71°.薄側(cè)法蘭部分從0.94°降到0.49°，側(cè)壁部分從0.43°降到0.11°.并且在第二次補(bǔ)償回彈過(guò)后，厚側(cè)法蘭部分已經(jīng)高于了第一次成形后的厚側(cè)法蘭了.

圖9 補(bǔ)償后模具圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)中所采用的模具尺寸與模擬時(shí)設(shè)計(jì)的尺寸相同，試驗(yàn)所采用的板坯為1.2 mm的高強(qiáng)鋼板和0.8 mm低碳鋼板并利用激光焊接的方法焊接而成，焊縫較小，板坯的寬度為20 mm、長(zhǎng)度為160 mm，焊接方式采用激光焊接，拼焊板的對(duì)齊方式為底部對(duì)齊，壓邊力設(shè)定薄側(cè)為12 kN，厚側(cè)為20 kN，其余參數(shù)均按照模擬設(shè)定的參數(shù).對(duì)板坯進(jìn)行多組沖壓試驗(yàn)，選擇效果比較好的幾組進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)初始位置在模具中間的式樣板坯，在沖壓后焊縫向厚側(cè)移動(dòng)了，經(jīng)測(cè)量移動(dòng)距離約為7 mm，回彈量厚側(cè)略大于薄側(cè)，模具為第一次成形模擬時(shí)的模具.初始位置從模具中心向薄側(cè)移動(dòng)8 mm的式樣板坯，模具為第一次成形模擬時(shí)的模具，成形后焊縫略向薄側(cè)移動(dòng)，回彈量厚側(cè)略大于薄側(cè).最后的式樣板坯初始位置與第二次的位置相同，模具為模擬時(shí)第二次補(bǔ)償后的模具，可以看出成形后焊縫位置基本上在中間，回彈后的零件型面接近標(biāo)準(zhǔn)零件型面.之后將U形件模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)放到同一表格中進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表7所示.

從表格中的數(shù)據(jù)分析可以得出：

1）拼焊板U形件實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得回彈角與模擬時(shí)測(cè)得的回彈角基本相符，并且實(shí)驗(yàn)測(cè)得的回彈角略大于模擬時(shí)測(cè)得的回彈角.

2）試驗(yàn)與模擬中，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償過(guò)后的拼焊板U形件回彈角都有明顯減小，這說(shuō)明對(duì)模具進(jìn)行型面補(bǔ)償可以有效地減小回彈缺陷，獲得質(zhì)量更高的零件.

表7 回彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

1）隨著壓邊力的增大，一方面拼焊板的回彈角逐漸減??；另一方面焊縫移動(dòng)量逐漸增加，并且受焊縫和材料厚度差異的影響拼焊板單側(cè)回彈角始終大于對(duì)應(yīng)材料光板回彈角.

2）屈服極限越大，硬化指數(shù)越小，回彈角越大，并且拼焊板屈服極限大，硬化指數(shù)小的一側(cè)比另一側(cè)回彈角大；焊縫向強(qiáng)度高的板材一側(cè)移動(dòng).

3）隨著厚度比的增加，拼焊板回彈角逐漸減小，焊縫移動(dòng)也逐漸減小，且拼焊板薄側(cè)回彈角始終大于厚側(cè).

4）模具進(jìn)行型面補(bǔ)償可以有效地減小回彈缺陷，獲得質(zhì)量更高的零件.

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（編輯 張積賓）

U-shaped pieces of TWB bend forming and springback compensation and the law of weld movement

LIU Xiaojing，ZHOU Wenhao，LIU Bo，WANG Zhe，WANG Cong

（School of Material Science&Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China）

In the paper，in order to improve the accuracy of springback prediction，the u-shaped pieces of tailor-welded blanks（TWB）is selected as the research object，and metal forming and rebound are analyzed by using Dynaform software.The paper reveals the effect of blank holder force（BHF），strength and thickness of the two sheets on the weld-seam movement and springback，ultimately，performs springback compensation and experimental verification.The results show that with the increase of BHF，the movement amount of weld seam increases，and movesto the thicker side；when strengths of the two sheets are different，weld seam moves to sheet with higher strength；when thicknesses of the two sheets are different，weld seam moves to the thicker sheet.Weld seam could increase the amount of springback of sheet metal.With the increase of BHF，it could decrease the springback amount；Under the same condition of elastic modulus，the springback angle increases with increasing yield strength and decreasing the hardening exponent.When the thickness of the thicker sheet is constant，the springback amount increases with the decreasing of the thickness of thinner sheet.

tailor-welded blanks；finite element analysis；movement；springback compensation

TQ330.4+1

A

1005-0299（2015）06-0114-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20150621

2014-12-21.

黑龍江省自然科學(xué)基金（E201102）.

劉曉晶（1966—），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師.

劉曉晶，E-mail：lxj812@126.com.