輕量化高強(qiáng)鋼激光拼焊板熱成形性能試驗(yàn)及仿真研究

高 嵩， 王浩然， 李奇涵*， 吳 巖，虞憲順， 王河偉

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.長春華翔汽車金屬部件有限公司， 吉林 長春 130103)

0 引 言

激光拼焊板具有降低汽車零部件質(zhì)量、提高材料利用率、產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活性較高[1]等優(yōu)勢，是一種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)件,廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)，利用拼焊不同材料獲取不同區(qū)域的力學(xué)性能，激光拼焊板有效地降低車身重量、增加車身剛度，并提高了汽車碰撞性能[2-4]。其中，高強(qiáng)鋼激光拼焊板的優(yōu)勢更為明顯，利用其熱成形后優(yōu)異的材料性能，可進(jìn)一步減少零部件厚度,以達(dá)到降低車身重量的目的[5]。然而，由于高強(qiáng)鋼激光拼焊板組合了多種高強(qiáng)鋼材料，其熱成形過程中對于焊縫位置、成形溫度、冷卻速率等成形工藝參數(shù)的控制提出了重要的挑戰(zhàn)[6]。為此，研究高強(qiáng)鋼激光拼焊板熱成形性能，預(yù)測其熱成形過程中工藝參數(shù)的影響規(guī)律，對高強(qiáng)鋼激光拼焊板沖壓成形覆蓋件的精確成形具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞高強(qiáng)鋼及拼焊板熱成形技術(shù)開展了大量的研究。為提高熱沖壓件成形質(zhì)量，Tang B等[7]通過建立1.6 mm硼鋼和1.2 mm低合金組合的有限元仿真模型，為了評估熱沖壓汽車部件(B柱)的機(jī)械性能，研究了每個(gè)區(qū)域的硬度和微觀結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果表明，拼焊板熱沖壓過程的熱力和冶金建模策略是可靠的, Padmanabhan R等[8]研究分析了異質(zhì)拼焊板的拉深效果，分析得到各向異性和有效的軋制方向可以提升材料塑性流動(dòng)能力，從而提高板料的成形性能,甘勇等[9]通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了兩種不同類型焊縫對板料成形性的影響，研究表明，圓弧式焊縫的拼焊板成形效果較好，并且焊縫處于中間位置的情況下，偏向母材一側(cè)的圓弧半徑板料成形效果就越好。Liu Y等[10]考慮了板料厚度差異、模具尺寸參數(shù)、不同壓邊力加載方式等工藝因素，通過層次分析法和灰色系統(tǒng)理論確定最佳工藝參數(shù)組合，并通過仿真試驗(yàn)得到了恰當(dāng)?shù)暮穸缺瓤梢詼p小焊縫偏移量的結(jié)論,Ma X D等[11]根據(jù)塑性本構(gòu)關(guān)系和Hosford屈服準(zhǔn)則建立拼焊板的成形極限圖理論計(jì)算模型，并結(jié)合半球凸模膨脹實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證FLD理論計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，不僅基底材料的FLD理論計(jì)算，而且TWB的FLD理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，此外，拼焊板的成形性導(dǎo)致其FLD顯著低于母材,米振莉等[12]利用EDX對差厚TWIP鋼和IF鋼激光拼焊板的元素分布情況進(jìn)行分析，研究了焊縫位置微觀組織，測試了板料各個(gè)位置的維氏硬度，通過拉伸試驗(yàn)和杯突試驗(yàn)研究了焊縫對拼焊板成形效果的影響，Habibi M等[13]通過各種力學(xué)性能測試對低碳鋼拼焊板進(jìn)行研究，得到母材離焊接中心區(qū)域越近,硬度越大的結(jié)論，通過對比激光拼焊板和單一板材的成形極限圖得知，焊縫影響了板料的成形性。

現(xiàn)有研究主要針對高強(qiáng)鋼激光拼焊板基本成形性能、焊接工藝等問題，然而，對其熱成形力學(xué)性能的變化規(guī)律還不夠完善，為此，文中基于等溫單軸拉伸試驗(yàn)，針對Usibor1500p和Ductibor500，以不同溫度和應(yīng)變速率分析不同條件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并建立高溫本構(gòu)模型，利用ABAQUS進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，并對仿真結(jié)果作出分析，經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)分析，得到了最小盒型件不破裂的最佳工藝參數(shù)組合，從而提高了高強(qiáng)鋼激光拼焊板成形件質(zhì)量。

1 高強(qiáng)鋼激光拼焊板熱拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

針對兩種不同高強(qiáng)鋼材料板料及激光焊接的拼焊板料，兩種材料分別為阿賽洛公司生產(chǎn)編號為Usibor1500P和Ductibor500的高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分分別見表1和表2。

表1 Usibor1500P化學(xué)成分

表2 Ductibor500化學(xué)成分

根據(jù)國標(biāo)GB/T4338-2006拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用激光切割方法制作標(biāo)準(zhǔn)樣件,其幾何尺寸如圖1所示。

其中板料厚度均為1.5 mm，焊縫寬度為1 mm。

圖1 熱拉伸試驗(yàn)樣件幾何尺寸

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究高強(qiáng)鋼激光拼焊板高溫條件下的流變力學(xué)行為，本實(shí)驗(yàn)將在不同溫度條件下，采取不同的應(yīng)變速率對樣件進(jìn)行拉伸。同時(shí)，為了對比拼焊板與母材在高溫條件下流變特性的變化，分析拼焊板在高溫條件下的成形性能優(yōu)勢，兩種母材也將采取相同的方案進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)方案見表3。

表3 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)過程

采用WDW-100E高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行等溫單軸熱拉伸試驗(yàn),該試驗(yàn)機(jī)提供的最大載荷為100 kN，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖2 熱拉伸試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)過程概述為：

1)通過加熱設(shè)備以20 ℃/s的加熱速率，使拉伸件的拉伸變形區(qū)域溫度逐漸達(dá)到950 ℃；

2)保溫5 min，使高強(qiáng)鋼材料組織充分奧氏體化；

3)利用閉環(huán)溫度控制裝置將拉伸樣件降溫至指定溫度并保溫30 s，消除拉伸件的內(nèi)部溫差；

4)以不同的應(yīng)變速率進(jìn)行等溫?zé)崂煸囼?yàn)，直到試件斷裂為止；

5)拉伸試件斷裂后，打開加熱爐，利用空氣使樣件快速冷卻降溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣件拉伸結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示。

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1 (c) 0.10 s-1

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1 (c) 0.10 s-1

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1 (c) 0.10 s-1

樣件在高溫變形條件下經(jīng)歷彈性和塑性變形，直至斷裂。從圖中可以看出，樣件在塑性變形過程中有明顯的頸縮現(xiàn)象，產(chǎn)生了韌性斷口，樣件斷口大多沿45°在同一應(yīng)變速率的情況下，隨著溫度的升高，樣件拉伸后的總長度增加，即其延伸率提高，變形抗性下降。而在相同的成形溫度下，隨著應(yīng)變速率增大，樣件拉伸后的總長度逐漸減小。通過對比Usibor1500P和Ductibor500高強(qiáng)鋼母材發(fā)現(xiàn)，Usibor1500P高強(qiáng)鋼的伸長量要略大于Ductibor500高強(qiáng)鋼，即材料具有更高的延伸率,以及更高的強(qiáng)度。通過對比母材與拼焊板樣件拉伸后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，拼焊板樣件的斷裂均發(fā)生在Ductibor500高強(qiáng)鋼母材處，即發(fā)生在強(qiáng)度弱側(cè)母材處。強(qiáng)度弱側(cè)母材伸長量要高于強(qiáng)側(cè)母材，即焊縫垂直于拉伸方向時(shí)，拼焊板延伸率主要取決于弱側(cè)母材。拼焊板焊縫處均無明顯變形，這可能是因?yàn)楹附訒r(shí)的高溫將焊縫處的組織大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，焊縫強(qiáng)度提高導(dǎo)致的。

Usibor1500P和Ductibor500高強(qiáng)鋼的試驗(yàn)測量真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖6和圖7所示。

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1

(c) 0.10 s-1

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1

(c) 0.10 s-1

從圖中可以看出，兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢相似，均無明顯的屈服階段。在變形初期，隨著應(yīng)變的增加，材料的流動(dòng)應(yīng)力也隨之增大。在塑性段時(shí)，材料的流動(dòng)應(yīng)力接近穩(wěn)態(tài)，說明材料的軟化作用與硬化作用達(dá)到平衡。在同樣的應(yīng)變速率下，隨著溫度升高，材料軟化現(xiàn)象更為明顯，峰值應(yīng)力減小。而在恒定的溫度下，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增大，峰值應(yīng)力增大，這是由于在較高的應(yīng)變速率下，位錯(cuò)恢復(fù)能力較差，導(dǎo)致位錯(cuò)密度提升，從而產(chǎn)生加工硬化，進(jìn)而提高了合金的流動(dòng)應(yīng)力。拼焊板樣件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1

(c) 0.10 s-1

從圖8可以看出，其應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律與母材相似，應(yīng)力峰值和穩(wěn)態(tài)值與強(qiáng)度較弱側(cè)母材接近。相比于母材，拼焊板樣件會(huì)更早出現(xiàn)應(yīng)力值的下降，即更早出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，因此，其延伸率較母材有所降低。

2.2 溫度的影響分析

溫度對Usibor1500P、Ductibor500高強(qiáng)鋼和拼焊板試件的材料性能影響分別如圖9、圖10和圖11所示。

(a) 抗拉強(qiáng)度 (b) 延伸率

(a) 抗拉強(qiáng)度 (b) 延伸率

(a) 抗拉強(qiáng)度 (b) 延伸率

從圖中可以看出，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，延伸率逐漸提高。因?yàn)樵跍囟壬邥r(shí)空位的原子擴(kuò)散和位錯(cuò)的交錯(cuò)滑移現(xiàn)象會(huì)逐漸加強(qiáng)，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的現(xiàn)象，材料的軟化作用使試件的抗拉強(qiáng)度逐漸降低。試件的延伸率隨著溫度的升高，而逐漸變大，考慮是晶界的滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)更加活躍，位錯(cuò)遷移率更高所導(dǎo)致[14]。

2.3 應(yīng)變速率的影響分析

從圖9和圖10可以看出，在同一溫度下，隨著應(yīng)變速率增大，材料的流動(dòng)應(yīng)力增大，峰值應(yīng)力也增大，延伸率減小。因?yàn)楫?dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，材料的位錯(cuò)攀移現(xiàn)象減小的同時(shí)軟化作用增強(qiáng)，應(yīng)變硬化現(xiàn)象部分減弱，材料的流動(dòng)應(yīng)力較小。而在較高的應(yīng)變速率條件下，位錯(cuò)之間相互疊加和纏結(jié)，滑移困難，使其恢復(fù)能力較差，導(dǎo)致位錯(cuò)密度提升[15]，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使高強(qiáng)鋼的流動(dòng)應(yīng)力增大，抗拉強(qiáng)度增加，延伸率減小。應(yīng)變速率對拼焊板的材料性能影響見圖11，同一溫度下，應(yīng)變速率增大，材料抗拉強(qiáng)度增加，而在高溫時(shí)，材料延伸率對應(yīng)變速率變得不敏感，在提高應(yīng)變速率時(shí)，延伸率變化不明顯。

3 高強(qiáng)鋼激光拼焊板熱成形數(shù)值模擬

3.1 高強(qiáng)鋼激光拼焊板盒型件成形仿真模型

為研究上述兩種材料激光拼焊板熱沖壓成形特點(diǎn)，針對典型沖壓成形件方盒件建立其熱成形過程數(shù)值仿真模型。建立的高強(qiáng)鋼激光拼焊板和方盒件沖壓幾何模型如圖12所示。

由兩塊尺寸為70 mm×110 mm的Usibor1500P和Ductibor500高強(qiáng)度鋼板“拼接”而成，板料初始厚度為1 mm。

圖12 盒型件幾何模型

激光拼焊板熱沖壓成形數(shù)值模擬中，焊縫位置特殊，通常將焊縫進(jìn)行簡化為一條直線，忽略焊縫形狀和熱影響區(qū)，在激光拼焊板熱沖壓數(shù)值的有限元數(shù)值模擬中，簡化焊縫對零件整體成形效果影響較小。基于上述考慮，建立的基于ABAQUS的激光拼焊板數(shù)值仿真模型如圖13所示。

圖13 激光拼焊板仿真模型

其中，焊縫位置處理方式是選擇相互作用模塊中“tie”，對兩種不同材質(zhì)的高強(qiáng)鋼所要“焊接”的側(cè)面進(jìn)行約束，使其剛性連接。

在熱成形期間，凹凸模的間隙過大或者過小都會(huì)影響成形件質(zhì)量，所以選擇合適的凹凸模間隙尤為重要，關(guān)于沖壓模具凹凸模間隙的選擇范圍一般為1～1.05t(t為板料厚度)，所以文中選擇模具的凹凸模間隙為1.05 mm。

3.2 材料本構(gòu)模型

根據(jù)當(dāng)前研究表明，井上勝郎、Johnson-Cook等本構(gòu)方程在材料熱加工變形方面應(yīng)用比較廣泛,可描述晶體結(jié)構(gòu)材料在動(dòng)態(tài)回復(fù)階段的流變行為，其中井上勝郎更適用于低應(yīng)變速率，文中采用的應(yīng)變速率為0.01～0.10 s-1,故采用井上勝郎可以描述熱拉伸變形過程中兩種高強(qiáng)度鋼的真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變率和溫度變化關(guān)系為

(1)

式中：σ----應(yīng)力,MPa;

ε----應(yīng)變;

n----應(yīng)變硬化指數(shù);

m----應(yīng)變速率敏感系數(shù);

K----應(yīng)力相關(guān)系數(shù);

β----溫度相關(guān)系數(shù)。

對式(1)兩邊同時(shí)取對數(shù),得

(2)

已知K，n，m，β都是有關(guān)材料的相關(guān)系數(shù)，設(shè)lnK=A、n=B、m=C、β=D，將式(2)改寫為

y=A+Bx1+Cx2+Dx3。

(3)

將拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變、變形溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算工具，對其進(jìn)行多項(xiàng)式線性擬合，利用最小二乘法得出系數(shù)A、B、C、D的值，見表4。

表4 系數(shù)解值

將系數(shù)解值代入式(1)，得出K=10.892 732 53、n=0.175 21、m=0.154 803 333、β=3 640.793 317。

為驗(yàn)證所建立的兩種母材的高溫本構(gòu)模型預(yù)測準(zhǔn)確度，結(jié)合擬合的相關(guān)參數(shù)來預(yù)測流動(dòng)應(yīng)力，分析流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率及溫度的關(guān)系。將預(yù)測值和試驗(yàn)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證所建立的井上勝郎本構(gòu)方程，結(jié)果分別如圖14和圖15所示。

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1

(c) 0.10 s-1

(a) 0.01 s-1 (b) 0.05 s-1

(c) 0.10 s-1

從圖中可以看到,建立的兩種母材的本構(gòu)模型預(yù)測值與試驗(yàn)值吻合度較高。

3.3 成形結(jié)果分析

對建立的模型進(jìn)行有限元仿真，并對其結(jié)果進(jìn)行研究，以熱沖壓工藝參數(shù)中板料成形初始溫度900 ℃、沖壓速度為1 000 mm/s、壓邊力以12 kN、模具溫度50 ℃、摩擦系數(shù)0.25為例，分析應(yīng)力場及溫度場的分布情況。

由熱塑性成形理論可知，材料內(nèi)部應(yīng)力場不僅受溫度的變化而變化，而且板料的變形也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力場分布發(fā)生改變，由于金屬的塑性流動(dòng)隨著溫度的升高而降低，因此金屬板溫度較低部位的應(yīng)力值較大，用過熱沖壓仿真模擬分析，盒型件側(cè)壁的應(yīng)力值最大。

應(yīng)力場分布如圖16所示。

溫度場分布如圖17所示。

圖16 應(yīng)力場分布圖

圖17 溫度場分布圖

通過圖17仿真模擬結(jié)果可以看到，在高強(qiáng)鋼激光拼焊板熱沖壓成形結(jié)束時(shí)，金屬板料的最低溫度區(qū)域在500 ℃，高于高強(qiáng)鋼馬氏體相變的開始轉(zhuǎn)變溫度(385～410 ℃)，由于高強(qiáng)鋼激光拼焊板在熱沖壓成形過程中材料內(nèi)部組織受到溫度場變化的影響，若板料冷卻速率低于高強(qiáng)鋼的冷卻速率，在成形過程中就會(huì)發(fā)生除了馬氏體組織，還會(huì)產(chǎn)生珠光體、貝氏體等組織，會(huì)影響成形件力學(xué)性能，研究表明，若使成形件組織均勻化，為淬火過程提供較好的奧氏體環(huán)境，要對溫度場的分布與變化情況有所了解。

4 結(jié) 語

1)成形溫度和應(yīng)變速率對高強(qiáng)鋼激光拼焊板的流動(dòng)應(yīng)力影響明顯。在恒定的成形溫度下，流動(dòng)應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增大；在恒定應(yīng)變速率下，流動(dòng)應(yīng)力隨成形溫度的升高而降低。

2)焊縫方向垂直于拉伸方向時(shí)，拼焊板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律與母材相似，即成形溫度和應(yīng)變速率是影響拼焊板流動(dòng)應(yīng)力的主要因素。由于焊縫區(qū)組織強(qiáng)度更大，斷裂不會(huì)出現(xiàn)在焊縫處，而是出現(xiàn)在強(qiáng)度較弱側(cè)母材處。

3)運(yùn)用井上勝郎本構(gòu)方程建立了Usibor1500P和Ductibor500高強(qiáng)鋼的本構(gòu)模型，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好。說明文中建立的本構(gòu)模型具有較高的可信度，可以為高強(qiáng)鋼拼焊板的熱成形加工提供理論依據(jù)。

4)盒型件的仿真結(jié)果說明，在熱沖壓過程中溫度場的變化會(huì)使微觀組織的變化不均勻，進(jìn)而影響成形件力學(xué)性能。為了避免材料發(fā)生馬氏體相變，淬火前板料溫度要高于高強(qiáng)鋼開始發(fā)生馬氏體相變溫度。