不等厚拼焊板材的成形性实验研究(1)

　　　　锻压技术 　2002 年 　第 1 期 ·板料成形· 不等厚拼焊板材的成形性实验研究 中国科学院金属研究所 (110015) 　张士宏 3 　许 　沂 　王忠堂 　程 　欣 　马占国 　　摘要 　不等厚拼焊板由于焊缝的存在及其方位影响 , 又由于坯料强弱不均 , 可以引起坯料的冲 压变形性能发生显著变化。本文通过焊接工艺对比 , 比较了激光焊、滚压电阻焊和氩弧焊工艺对拼 焊板塑性变形性能的影响 ; 对拼焊板试件进行拉伸实验 , 确定了焊缝方位和薄厚板比例对试件塑性 变形的影响 ; 进行了不等厚拼焊板件的半球拉深实验和方盒件拉深实验 , 总结了拼焊板材的冲压成 形性能和不均匀变形规律。 关键词 　拼焊板 　冲压 　成形性 　压边力 　拉深 Experimental research on stamping formabil ity of non2uniform thick tailor2welded blanks Institute of Metal Research 　Zhang Shihong 　Xu Yi 　Wang Zhongtang 　Cheng Xin 　Ma Zhanguo 　　Abstract 　The stamping formability of non2uniform thick tailor2welded blanks ( TWBs) is quite affected by the weld seams and its orientation as well as the ratio between the thin sheet and the thick sheet . In this paper , effects of welding techniques on the formability of TWBs , such as laser welding , seam welding and TIG welding , are discussed. Deep draw2 ing of semi2spherical shells and square cups is carried out , the non2uniform deformation behaviors and the movement of the weld seams are summarized. Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s 　Tailor2welded blanks 　Stamping 　Formability 　Blank2holding force 　Deep drawing 一、引言 拼焊板是指用不同厚度、不同材质或不同 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面涂 层的平板材料焊接在一起而形成的冲压用平板坯料。 拼焊板的焊接方式通常有激光焊接、滚压电阻焊、离3 男 , 39 岁 , 教授、博士导师 收稿日期 : 2000211219 子束焊和感应焊[1 ] 。拼焊板的特点是在冲压零件的不同部位可以获得不同的使用性能。这种功能在汽车、飞机等运载工具上很有用途 , 已开始在国际先进车型上和飞行器上得到了批量应用。拼焊板的优点在于 : (1) 由于在冲压变形前已将各部件焊接在一起 , 焊接残余变形基本消除 , 可以提高部件整体精度和质量 ; (2) 拼焊板在冲压成形前进行拼焊或在轧制过程中进行焊接 , 焊接工艺简捷 , 焊接质量好 ; (3) 零部件整体化 , 装配数量减小 , 安装程序 闭式反挤力的 8 %～10 %。 四、结论 (1) 采用热力耦合的刚塑性有限元法对钟形罩 多工序温锻成形过程进行模拟 , 比单工序成形过程 模拟获得的信息更丰富 , 对变形过程的分析更全面 , 也更接近生产实际 ; (2) 对于钟形罩的顶镦工序 , 其镦粗比 ≥2. 5 ～3 时 , 采用底部带凸台的冲头比采用平底冲头更 为合理 ; (3) 对于钟形罩的反挤工序 , 采用半闭式反挤 压工艺为宜 ; (4) 结论 (2) (3) 对类似的顶镦和反挤工艺具 有实用意义。 参考文献 1 　夏巨谌主编 1 精密塑性成形工艺 1 北京 : 机械工业出版社 , 19991 2 　孙长杰 , 王秉义 , 李社钊 1BJ 型等速万向节外套温锻工序要点 1 模具技术 , 2000 (1) : 57～59 3 　李洪波 , 徐吉生 , 高才良 , 高新等 1 轿车等速万向节滑套的热冷 联合精锻工艺 1 锻压机械 , 1997 (1) : 40～42 7 简化 ; (4) 改善部件抗冲击的能力 , 焊接件的抗冲 击能力要比组装件好 ; (5) 降低部件重量 , 降低材 料成本 , 充分发挥材料作用。 由于焊缝的存在及坯料性能不同 , 造成拼焊板 坯料各部分强弱不同 , 拼焊板的冲压成形性受到一 定影响[2 ] , 也给冲压加工带来了一些难度[3 ] , 因此 有必要对拼焊板料进行冲压成形性探索研究[4 ,5 ] 。 本文通过对拼焊板的几种常用焊接工艺对比、拼焊 板拉伸试验、不等厚拼焊板半球形件和方盒性件拉 深实验探讨了拼焊板的冲压变形行为 , 总结了拼焊 板的冲压成形性。 二、焊接工艺 目前拼焊板的焊接工艺主要有两种 : 一种是激光 焊 , 一种是滚压电阻焊。其中以激光焊研究较多 , 其 他方法包括氩弧焊、电渣焊、等离子焊等等。本文主 要进行了拼焊板试件的激光焊和氩弧焊实验研究。 激光焊焊缝的特点是热影响区范围小 , 焊缝较 窄 , 外形美观。焊缝冷却速快、马氏体含量高 , 焊 缝金属性能变化小 , 焊缝较硬。本实验使用的材料 为 018mm , 110mm , 112mm 厚的低碳钢板 , 由不 同厚度组合成拼焊板坯料。 钨极氩弧焊 ( TIG) 的优点是保护作用好 , 焊 缝金属纯净 ; 焊接过程稳定 ; 焊缝成形好 ; 具有清 除氧化膜的功能 ; 焊接过程便于自动化。钨极氩弧 焊在拼焊板技术中的应用 , 目前在国际上还没有具 体报道。但考虑到钨极氩弧焊容易得到高质量的焊 缝 , 而且特别适宜与薄板件和精密零件的焊接 , 在 汽车制造和拼焊板焊接方面将有很好应用前景 , 本 文对钨极氩弧焊拼焊板件进行了实验研究。实验中 , 手工钨极氩弧焊容易产生严重的焊接变形 , 薄板焊 后产生严重的弯曲变形和扭曲角变形 , 达不到拉深 实验的要求 , 即使采用专用夹具也无法得到合格的 拼焊板坯料。新近研制的一种自动钨极氩弧焊工艺 则可得到质量较好的焊缝 , 这种工艺中不但采用了 专用夹具 , 还采用了自动水冷系统。TIG焊具有成 本低的优点 , 采用背冷垫成形性也很好 , 但焊道较 宽 , 焊缝区马氏体含量较多 , 焊接速度较慢。TIG 焊由于氩气在我国成本较低 , 所以如果处理得当 , 很有希望与激光焊共同作为拼焊板的焊接手段。 滚压电阻焊属于电阻焊的一种。材料的导电、 导热性越好 , 在焊接区产生的热量越小。散失的热 量越多 , 焊接区的加热越困难。 本文焊接采用的激光焊设备是 LASER2RS1700 , 焊速约为 014m/ min , 功率为 1400W。TIG 焊焊速 为 011m/ min , 功率为 60W。 激光焊和 TIG焊焊缝的强度均高于母材 , 其冲 压成形性能能够达到一般的冲压成形要求 , 但降低 了冲压成形性能。在两者当中 , TIG焊焊缝的强度 比激光焊焊缝高 , 而激光焊焊缝的冲压成形性能要 比 TIG焊焊缝好 ; 关于激光焊、氩弧焊和滚压电阻 焊的各自特点比较见表 1。激光焊和氩弧焊的效果 可以从后面的实验结果中得到进一步比较。 表 1 　各种焊接工艺的比较 项目 工艺 激光焊 自动氩弧焊 滚压焊 焊接成本 高 低 中 焊前准备时间 长 短 一般 热影响区范围 1～2mm 10～15mm 10～15mm 马氏体含量 少 多 冷却速度 快 稍慢 慢 成形 好 一般 差 焊缝金属性能变化 小 大 大/ 硬 其它 焊道窄 , 不 影响电镀时 阴极保护 外形好看 外形不好看 三、拼焊板试件的单向拉伸试验 11 试验材料与试件 本试验用板材选用上海宝钢生产的 SPCE2ZF (西德牌号) , 为汽车常用薄板。材料加工成不等厚 拼焊板进行拉伸试验 , 试件由厚度分别为 112mm 和 018mm 两种板料焊接而成 , 其技术条件符合 Q/ BQB402297。材料本身拉伸性能试验采用 110mm 厚 钢板。 共加工 10 种拼焊板试件进行单向拉伸试验 (见 图 1) , 其中试件 A、B、C 分别为沿母材三个方向 的无焊缝拉伸试件 (1mm 厚) , 试件 D、E 焊缝沿 试件纵向 , 焊缝与拉伸方向一致 , 分别使用激光焊 和氩弧焊焊接 , 试件 F、G、H、I、J 焊缝方向为横 向 , 与拉伸方向垂直 , 其中试件 F、I、H 为激光焊 试件 , G和 J 为氩弧焊试件。试件 F 和 G薄厚板比 例相同 , 试件 I 和 J 厚板所占比例较大 , 试件 H 薄 板比例较大。各试件拉伸时变形速率均为 1mm/ min , 应变测试仪长度为 15mm。 21 结果分析 从拉伸实验结果 (图 2) 可以看出 , 对母材来 说 , 0°、45°、90°三个方向的实验结果非常接近 , 说 明母材基本为各向同性。 8 图 1 　拼焊板拉伸试件 图 2 　不同拼焊板试件的均匀延伸率 　　除焊缝平行于拉伸方向时的试件 D、E 外 , 拼 焊板试件的抗拉强度和延伸率都比母材降低较多。 而在应变方面 , 薄侧较多的试件 H 接近母材 , 其他 各试件变形能力降低都较多。当焊缝平行于拉伸方 向时 , 薄侧变形量较多 , 坯料整体变形量降低较少 ; 延伸率δu 较大 , 板材有较大的拉伸变形能力 ; n 值 较大 , 板材在变形区内的变形趋于均匀 , 这两个参 数都说明其不容易产生局部的过大变形而导致失稳 或断裂。当焊缝垂直于拉伸方向时 , 只有当薄板占 较大比例的情况下 , 板材的性能才接近于母材 , 当 焊缝处于板材中心或厚板占较大比例时 , δu 降低 , n 值减小 , 板材的冲压变形不容易进行 , 变形后容 易失稳或破裂。总的趋势是当焊缝与拉伸方向相平 行时 , 其抗拉强度和变形能力要比焊缝与拉伸方向 相垂直时好 , 而焊缝垂直于拉伸方向时 , 厚板比例 越大则变形能力越低。 因此 , 拼焊板发生塑性变形时 , 应尽量使焊缝 平行于拉伸方向 , 如果条件不允许 , 也应让薄板尽 可能多地分布于变形区 , 让焊缝远离变形量较大的 部分。 四、拼焊板半球件和方盒件拉深成形实验 11 半球件拉深实验 半球拉深实验所得的半球试件如图 3。半球形 件是一种常见典型冲压件 , 其拉深比是定值。根据 半球件拉深的变形不均匀的分析和测量 , 以及对焊 缝偏移量的测量可以知道 , 拼焊板的焊缝在拉深过 程中由于板厚分布的不均匀而使焊缝发生了不同程 度的偏移。当焊缝在拉深时的胀形区时 , 薄侧板由 于强度低而先进入塑性区而发生拉伸变形 , 然后发 生加工硬化 , 当它的强度进一步增大时 , 厚板才发 生塑性变形 , 这种厚板相对薄板变形的延迟使拉深 时薄板被拉长 , 从而使焊缝向厚板产生相对移动。 图 3 　半球拉深件照片 (从左至右　焊缝逐渐 接近边缘 , 薄侧逐渐减少) 在胀形区与法兰之间的悬空区 , 由于在胀形区 焊缝向厚板移动而带动该部分也向厚板移动 , 但由 于该区受环向应力的作用 , 薄板的压应力较大而使 薄板产生压缩变形 , 从而使焊缝向薄板移动 , 上述 两种力作用的结果使焊缝在该区向厚板移动的同时 , 向薄板发生了一定的弯曲。 在法兰区薄板的环向压应力较大 , 从而薄板的 压缩变形大 , 使焊缝向薄板一侧移动 , 另外 , 由于 悬空区和胀形区薄板坯料向厚板移动 , 致使薄板法 兰处将多向悬空区进料补给 , 这也将使薄板在法兰 处的面积收缩 , 拖动厚板向薄板一侧移动 , 从而更 加快了焊缝向薄板移动。 总的来讲 , 焊缝的移动规律是 : 当焊缝处于胀 形和悬空区时 , 冲压过程中焊缝向着厚板方向移动 , 在胀形区的移动距离大于在悬空区的移动距离 , 而 在法兰处 , 焊缝则向着薄板方向移动 , 越向外缘移 动的距离越大。焊缝的移动主要原因在于两种板料 的强弱差异 , 在本试验中表现为板厚的不同 , 在胀 形和悬空区 , 厚侧金属较难变形 , 从而造成较薄侧 金属流动速度较快 , 而在法兰处 , 厚侧金属的环向 压应力小于薄侧金属 , 使焊缝向薄侧移动。 本文还进行了半球件极限拱高实验 , 试件如图 4。激光焊和氩弧焊试件的极限成形高度相同 , 断裂 形式也相同 , 都是在薄侧沿与焊缝的平行方向破裂 , 说明氩弧焊的焊接效果与激光焊相近 , 也可作为拼 焊板的焊接方式。 21 方盒件的拉深实验 方盒形件边长 100mm , 弯角部分半径 20mm , 9 图 4 　半球件拉深极限拱高试件 左 : TIG焊　右 : 激光焊 底部圆角半径 10mm , 拉深高度为 55m。方盒件的 坯料为圆形 , 由两个相等大半圆形坯料焊接而成 , 毛坯直径为 190mm。实验所用材料分别为 SPCE2ZF (宝钢产 , 厚度 110mm) 和 Q235B (鞍钢产 , 厚度 210mm) 。 图 5 为拉深方盒件 , 图 6 为方盒件焊缝位移曲 线。通过对方盒件的拉深实验结果进行分析 , 可以 知道 : 不等厚板方盒件冲压过程中焊缝的移动规律 是盒底焊缝向厚板方向移动 , 侧壁部位向薄板侧移 动 , 越往边缘移动距离越大。合理控制压边力是减 小焊缝移动的重要措施之一。其原因是两侧板材的 厚度不同 , 厚板的切向压应力小于薄板。可通过加 大薄侧直边压边力的方法改变底部焊缝的移动规律 , 将焊缝固定在底部中间。如要改变侧壁焊缝的移动 规律 , 则首先要考虑改变压边力的分布或施加方式 , 其次要考虑改变润滑、凹模圆角半径等工艺条件。 图 5 (左) 拉深试件采用了局部压边力控制变形 , 结果表明焊缝移动明显减少 , 壁厚趋向均匀。图 6a 给出了图 5 (右) 试件的焊缝各部位的移动曲线。 图 6b 给出了盒底部垂直于焊缝位置的应变测值。可 以看出 , 盒底部焊缝向厚侧移动 , 而盒形件侧部则 向薄侧移动。其结果是盒底部薄侧拉伸应变较大 , 产生变薄 , 而厚侧几乎没有产生拉伸应变。 图 5 　方盒件焊缝移动照片 左 : 不均匀压边力控制焊缝移动　右 : 均匀压边 五、结论 (1) 激光焊、氩弧焊和滚压电阻焊均适用于拼 焊板的焊接 ; (2) 焊缝方向和薄厚板比例对拼焊板的单项拉 伸塑性变形性能有明显影响。拉伸方向与焊缝方向 图 6 　方盒件实验测值 (a) 焊缝位移曲线 (向厚板移动为正) 　 (b) 方盒 底部中心处沿垂线的应变分布 相同时 , 拼焊板试件变形能力降低不明显 ; 当拉伸 方向与焊缝方向垂直时 , 拼焊板塑性变形能力明显 降低 , 薄侧比例越小则降低越多 ; (3) 对于半球件和方盒件的拉深 , 存在焊缝的 移动和薄侧坯料的较大减薄。坯料中部 , 焊缝明显 移向厚侧 , 薄侧减薄较大 ; 在压边区域 , 焊缝移向 薄侧 , 薄侧容易产生起皱。 参考文献 1 　F Saunders ,R H Wagoner. 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