拼焊板U型件成形性能及焊缝移动规律

孔庆华，张建宇

（同济大学 机械工程学院，上海 201804）

拼焊板（Tailor-Welded Blanks，TWBs）是将多块不同材料、不同厚度、不同表面条件的板料通过焊接形成一个整体，然后进行冲压成形，以满足零件不同部位的不同性能要求.拼焊板具有减轻零件质量、降低制造成本、提高零件性能等优点，在车身制造中得到广泛应用［1］.然而，由于拼焊板母材差异及焊缝区的存在，大大降低了拼焊板的成形性能［2］.针对拼焊板成形中出现的问题，许多学者进行了研究.姜银方等［3］从简单的横向和纵向焊缝U型件出发，研究盒型件拼焊板金属流动和焊缝移动机制，分析了盒型件的底部、裙边和侧壁焊缝与U型件焊缝移动异同，并结合压边力、焊缝的原始位置等因素研究分析了盒型件的底部、裙边和侧壁上的焊缝移动的原因和规律.周杰等［4］对具有横向焊缝的差厚拼焊板U型件的回弹进行了研究，分析了控制回弹量的拼焊板薄厚两侧所需压边力的关系式.

实际生产中许多拼焊板零部件的截面均为U型件，但少有文献对拼焊板U型件的成形性能及焊缝移动进行研究，张彦敏等［5］分析了压边力对拼焊板拉深成形质量的影响、焊缝的移动规律和焊缝附近金属的变形情况，发现压边力对拼焊板成形性能有很大影响，武立波等［6］综述了拼焊板的冲压成形性能和成形问题及其影响因素，发现板厚和材料参数对拼焊板成形性能有较大影响.因此本文采用有限元法，研究板厚、材料参数和压边力对拼焊板U型件成形性能和焊缝移动的影响规律，为拼焊板设计时材料匹配及板厚确定以及成形工艺参数选取提供理论支持.

1 有限元模型

拼焊板U型件的模具示意图见图1.

建立了拼焊板U型件的有限元模型，拉深成形过程中视凸模、凹模和压边圈为不变形的刚性体，采用Belytschko＿Tsay（简称BT）刚体壳单元，板料长300mm，宽70mm，材料选用DC56，摩擦系数μ＝0.125，分析中采用BT薄壳元理论，网格自适应划分，焊缝位置采用壳单元网格刚性连接，即忽略焊缝处金属的材料属性，只考虑焊缝位置，将焊缝视为一系列的刚性结点来连接2种母材.建立的拼焊板U型件有限元模型如图2所示.

图1 模具示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of mould（unit：mm）

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

图3为拼焊板U型件零件图，实验中板料长为200mm，宽为70mm，薄板厚为1mm，厚板厚为1.2 mm，板料强度系数K＝530MPa，应变硬度指数n＝0.236，薄厚两侧压边力为200kN.U型件设定拉深量为25mm，此时焊缝移动为2.93mm，采用上述模型进行有限元模拟，模拟结果见图4，拉深量为25.38 mm，焊缝移动为3.1mm，比较实验结果和模拟结果，拉深量误差为1.5%，焊缝移动误差为5.8%，说明所建立的有限元模型有一定的科学根据.

图3 拼焊板U型件零件图Fig.3 Part drawing of U-shaped of TWBs

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

2 有限元模拟结果及讨论

2.1 板厚比对成形性能及焊缝移动的影响

板料K＝530MPa，n＝0.236，薄厚两侧压边力为200kN，冲压速度为5000mm·s-1，取一侧板料厚度为1mm，另外一侧分别为1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0mm进行有限元模拟，模拟结果见图5和图6.从图5和图6中可以看出，随着两侧板厚比的增加，U型件的拉深量下降，焊缝移动量增加.这是因为冲头下行时，由于两侧板厚差的存在，薄侧母材承受了更大的拉应力，从而先进入塑性区发生拉伸变形，而此时厚侧母材还处于弹性应变状态，随着拉深的进行，薄侧母材发生加工硬化，强度随之增加，为了维持拉深的进行就需要增加冲头的压力，当厚板中的拉伸应力达到屈服强度时，厚板才发生塑性变形，而此时薄板材料减薄量大，因而焊缝向厚侧材料移动，这样U型件底部与凸模接触区域中薄板所占面积增加，较之厚板所受凸模的载荷力更大，从而加速了薄板材料的流入，加剧了焊缝的移动.这种板厚比的存在使U型件的成形更多地是依靠薄侧板料的变形，从而加速了薄侧板料的减薄速度，使得薄板更早地达到了成形极限，发生破裂失效，降低了U型件的拉深量.而且随着两侧板厚比的增加，拉深量的下降和焊缝移动量的增加也更加明显.

图5 板厚比对拉深量的影响Fig.5 Influence of thickness ratio to deep drawing depth

图6 板厚比对焊缝移动的影响Fig.6 Influence of thickness ratio to weld seam movement

2.2 材料参数对成形性能及焊缝移动的影响

2.2.1 不同K值比对成形性能及焊缝移动的影响

板料厚度为1mm，n＝0.236，板料薄厚两侧压边力为200kN，冲压速度为5000mm·s-1，取一侧板料K＝530MPa，另外一侧分别为530，636，742，848，954，1060MPa进行有限元模拟.模拟结果见图7，图8.从图7和图8中可以看出，随着K值比增大，U型件的拉深量下降，焊缝移动量增加.在一定的变形量下，K值比越大，所需要的变形力就越大.由于两侧板料等厚，而且压边力相同，那么K值比小的一侧即弱侧母材较强侧母材会首先发生塑性变形，从而使焊缝向强侧母材偏移，也使得弱侧母材的材料流入量增大，与差厚拼焊板U型件的情况类似，随着拉深的进行，弱侧母材受到凸模更大的载荷力，使得弱侧母材较强侧母材材料流入量增大的情况加剧，减薄严重，从而使得弱侧母材更早地达到成形极限发生破裂失效.

图7 K值比对拉深量的影响Fig.7 Influence of K ratio to deep drawing depth

图8 K值比对焊缝移动的影响Fig.8 Influence of K ratio to weld seam movement

2.2.2 不同n值比对成形性能及焊缝移动的影响

板料厚度为1mm，K＝530MPa，薄厚两侧压边力为200kN，冲压速度为5000mm·s-1，取一侧板料n＝0.118，另外一侧分别为0.1180，0.1416，0.1652，0.1888，0，2124，0.2360，进行有限元模拟.模拟结果见图9和图10，从图9和图10中可以看出，随着一侧n值的增大，板料的拉深量和焊缝移动量都有所增加.n值作为材料的应变强化指数，是板料的塑性指标，n值越大则说明材料的塑性成形性能越好.材料的应力-应变本构关系，可以用幂次式近似表示为［7］

从式（1）可以推知，当K＞0，εi＜1时，随着n值的增大，相同应力条件下板料的应变越大.拼焊板U型件拉深过程中，焊缝两侧的材料厚度相同，因此具有相同的拉应力，那么n值较大的一侧成形性能更好，应变就越大，因而焊缝会向n值较小的一侧偏移.由于拉深成形中板料的变形更多地发生在成形性能较好的一侧，因此拼焊板U型件的拉深量会有所增加.随着一侧n值的增大，这种效果会更加明显，使得拉深量和焊缝移动量有逐渐增加的趋势.

图9 n值比对拉深量的影响Fig.9 Influence of nratio to deep drawing depth

图10 n值比对焊缝移动的影响Fig.10 Influence of nratio to weld seam movement

2.3 不同压边力对成形性能及焊缝移动的影响

板厚为1mm，K＝530MPa，n＝0.236，冲压速度为5000mm·s-1，取一侧板料为100kN，另外一侧分别为100，120，140，160，180，200kN进行有限元模拟.模拟结果见图11和图12，从图11和图12中可以看出，随着两侧压边力比的增大，拼焊板U型件的拉深量降低，焊缝移动量增加.拼焊板U型件的焊缝移动受两个基本因素的影响：一是两侧的拉伸量不同；二是厚薄两侧的拉入量的不同［3］.拉伸量的大小由主应力决定，而主应力的影响因素主要是板厚比和两侧材料性能，由于模拟中采用同材等厚拼焊板，故两侧拉伸量是一样的，U型件拉深过程中，压边圈的板料没有被完全压死，压边圈外边法兰处的板料还会被不断拉进来经过凹模圆角到侧壁处参与变形，压边圈外板料被拉入的量即为拉入量，拉入量的多少主要与压边力的大小有关，因此拉入量成为了焊缝移动的决定因素.在压边力较大一侧，板料在压边圈与凹模平面的缝隙中通过时受到的摩擦阻力也较大，从而限制了压边圈下变形金属向凹模口内的流动变形，使得该侧板料拉入量较另外一侧少，因此焊缝会向压边力较大侧偏移.由于压边力较小侧拉入量较多，使得该侧减薄量严重，较早地达到了成形极限，发生破裂失效.

图11 压边力比对拉深量的影响Fig.11 Influence of blank holder force ratio to deep drawing depth

图12 压边力比对焊缝移动的影响Fig.12 Influence of blank holder force ratio to weld seam movement

3 结论

本文通过建立拼焊板U型件有限元仿真模型，研究了板厚比、材料参数（K值比，n值比）和压边力比对拼焊板U型件成形性能及焊缝移动的影响，得到如下结论：

（1）与单一板相比，随着板料两侧厚度比、K值比、压边力比的增大，拼焊板U型件的成形性能会逐渐下降，焊缝移动量不断增大.从图中曲线的变化趋势可以看出，板厚比、K值比、压边力比在两侧差距不大时，对拼焊板U型件的成形性能和焊缝移动有较大影响，之后随着上述比值的增大，曲线变化趋于平缓，说明此时板厚比、K值比、压边力比对拼焊板U型件的成形性能和焊缝移动影响较小.

（2）n值比作为衡量材料塑性成形性能的指标，随着n值比的增大，材料成形性能越好，反映在拼焊板U型件上，当板料一侧的n值比不断增大时，拼焊板U型件的成形性能会逐渐提高，焊缝移动量不断增大.从曲线变化趋势可以看出，随着n值比的增大，拼焊板U型件成形性能近似呈线性增加，说明n值比始终对拼焊板成形性能有较大影响，而对于焊缝移动的影响，两侧n值比差距不大时影响很大，随着n值比差距的增大，影响越来越小.

板厚比、材料参数（K值比、n值比）和压边力比对拼焊板U型件成形性能和焊缝移动的影响规律可以为实际生产中拼焊板的选用提供一定参考.

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