劉曉晶，周文浩，劉 博，王 哲，王 聰

（哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150040）

拼焊板U形件彎曲成形回彈補償和焊縫移動規(guī)律研究

劉曉晶，周文浩，劉 博，王 哲，王 聰

（哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150040）

為了提高預測回彈的準確性，選用了拼焊板U形件作為研究對象，運用Dynaform軟件，進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、板料強度以及板料厚度對焊縫移動的影響規(guī)律，并探討了焊縫、壓邊力、材料性能參數(shù)和板料厚度對回彈的影響，最終進行回彈補償與實驗驗證.研究結果表明隨著壓邊力的增大，焊縫向厚側移動；板料強度不同時，焊縫向強度高的一側移動；厚度不同時，焊縫向板料厚的一側移動；焊縫會令板料的回彈量增大；隨著壓邊力的增大，回彈量減?。粡椥阅Ａ肯嗤臈l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；保持厚側板料不變的情況下，另一側板料越薄，回彈量越大.

拼焊板；有限元分析；移動；回彈補償

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、力學性能和電鍍層［1-2］.隨著人們對節(jié)能、環(huán)保和安全駕駛等方面的重視，汽車制造者需要不斷的創(chuàng)新工藝來降低車身重量，拼焊板為上述問題提供了一個良好的解決方案［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母材存在機械性能和厚度上的差異，導致成形過程中的破裂、起皺、回彈和焊縫移動，成形性能下降，甚至成形困難［5］.隨著焊接質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測成形過程中板料的拉裂、起皺、減薄、焊縫移動和回彈等，評估板料的性能，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題的影響因素諸多，對拼焊板的成形及回彈仍需做進一步的研究［10-12］.

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

1 焊縫移動及回彈規(guī)律的研究

本文對U形件拼焊板的成形進行模擬.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換為國際常用的片體格式IGES文件，再將其導入到CAE分析軟件Dynaform5.6中，壓邊圈和凸模等工具都是在Dynaform中自動生成的，由于主要研究的是焊縫的移動規(guī)律與回彈現(xiàn)象，所以沒有設計焊縫寬度，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，在板料兩側施加壓邊力相等的情況下，薄側相對厚側更容易流入凹模，這就使得焊縫被拉向厚側.

1.1.1 壓邊力對焊縫移動的影響

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情況.從表中可以看出，焊縫移動量是隨著壓邊力的增大而增加的.

表1 不同壓邊力時焊縫移動量

1.1.2 板料強度對焊縫移動的影響

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

從結果中可以看出，焊縫是向板料強度高的一側移動，分析原因為板料強度低的一側屈服極限低，在相同的壓邊力的作用下，板料的流動性更好，從而板料被拉向強度高的一側.

表2 材料性能參數(shù)

表3 不同板料時焊縫移動量

1.1.3 板料厚度對焊縫移動的影響

選擇固定一側厚度為1.4 mm，另一側為0.8、1.0、1.2、1.4 mm的板料進行模擬，材料為HSLA350，壓邊力為25 kN，模擬結果如表4所示.

表4 不同板厚比時焊縫移動量

從結果中可以看出，焊縫是向板料厚的一側移動，分析原因為在相同的壓邊力的作用下，板料厚的一側流動性差，隨著板料厚度比的增加，板料的厚度越來越接近，兩側板料流入凹模的量也越來越接近，焊縫移動減小.

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，對于兩側材料和厚度都不同的拼焊板，焊縫的存在使其卸載回彈時釋放應力更加復雜化.與同種規(guī)格的光板相比，即使拼焊板兩側的材料、厚度都相同，由于焊縫的存在，其力學性能也會發(fā)生一定的改變.雖然僅僅用剛性節(jié)點代替拼焊板的焊縫，但還是不可避免地對回彈產(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，而直接測量各部分圓角半徑很難做到準確.文中采用的是MUMISHEET’93國際會議的標準測量法，其中側壁部分回彈量由回彈前后側壁的夾角表示，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 回彈角測量示意圖

1.2.1 焊縫對回彈的影響

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，即使拼焊板兩側板料的厚度和材料性能均相同，其兩側的回彈量也存在差異.

1.2.2 壓邊力對回彈的影響

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進行數(shù)值模擬，模擬結果如圖4所示.

圖4 壓邊力對總回彈角的影響

從圖中可以看出，無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應厚度的光板，原因為焊縫和厚度差的存在導致變形不均勻，增加了回彈角.在10 kN的時候拼焊板的回彈角很大且薄側大于厚側，是因為在該壓邊力作用下，兩種板料均處于彈性變形階段，應力釋放后產(chǎn)生的彎矩較大，回彈角較大，而相對于厚板，薄板更容易發(fā)生彈性恢復，所以薄側回彈角大于厚側；15 kN時，薄側回彈角急劇減小，小于厚側回彈角，這是因為隨著壓邊力的增大，薄側板料由彈性形變轉換為塑性變形的量逐漸增大，而厚側還處于彈性變形階段；20 kN時，厚側進入彈性變形的量也增多，回彈角急劇減??；25 kN時，薄厚兩側板料塑性變形的都比較充分，由于厚側板料參與塑性變形的量比薄側多，抵抗回彈變形的能力就大，所以厚側的回彈角比薄側小.

1.2.3 材料性能參數(shù)的影響

選擇固定一側板料為HSLA350，另一側材料為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對回彈角的影響如圖5和圖6所示.由圖可知，材料為HSLA350一側在另一側為相同材料時回彈角最小.而另一側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，這是因為，在塑性彎曲時，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 屈服極限對總回彈角的影響

圖6 硬化指數(shù)對總回彈角的影響

1.2.4 板料厚度對回彈的影響

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

圖7 板料厚度比對總回彈角的影響

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.但是對于厚度始終為1.4 mm的一側來說，回彈角并不是不變的，而是隨著厚度比的減小而減小，這是因為隨著板厚比的減小，兩側板料在成形時應力分配更均勻，最終1.4 mm板料回彈角也減小.

2 回彈補償

2.1 模擬設置

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，其中厚側材料為DP500，厚度為1.2 mm；薄側材料為DQSK，厚度為0.8 mm，兩塊板料采用底層對齊的方式進行拼焊.表6為兩種材料的性能參數(shù).

表6 材料性能參數(shù)

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

回彈模擬結果如圖8所示.厚側回彈角大于薄側回彈角，原因為厚側板料變形不充分，進入塑性變形的部分少，且厚側板料強度大，故回彈角大.

圖8 拼焊板U形件回彈前后截面線

2.2 回彈補償

根據(jù)第一次成形和回彈結果，對U形件進行回彈補償.通過數(shù)值模擬，軟件對模面進行自動修改，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整.但是自動生成的模具型面單元有很多發(fā)生了扭曲變形，需要手動進行修補，再修補過后重新進行單元檢查，直至滿足要求為止.

用補償后的模具重新進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，這里不做過多介紹，并把模擬后的結果再次進行回彈計算.把回彈后的結果與第一次成形后的結果做對比，并測量二者之間的回彈角（這里稱為回彈角，實際為二者之間法蘭與側壁的角度），發(fā)現(xiàn)厚側的回彈角下降比較明顯，法蘭部分從2.44°降到1.13°，側壁部分從4.41°降到1.21°.薄側的回彈角法蘭部分從1.32°降到0.94°，側壁部分從1.55°降到0.43°.為使厚側回彈角也降到1°以下，所以進行第二次回彈補償.

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

圖9 補償后模具圖

3 實驗驗證

試驗中所采用的模具尺寸與模擬時設計的尺寸相同，試驗所采用的板坯為1.2 mm的高強鋼板和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、長度為160 mm，焊接方式采用激光焊接，拼焊板的對齊方式為底部對齊，壓邊力設定薄側為12 kN，厚側為20 kN，其余參數(shù)均按照模擬設定的參數(shù).對板坯進行多組沖壓試驗，選擇效果比較好的幾組進行對比，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移動了，經(jīng)測量移動距離約為7 mm，回彈量厚側略大于薄側，模具為第一次成形模擬時的模具.初始位置從模具中心向薄側移動8 mm的式樣板坯，模具為第一次成形模擬時的模具，成形后焊縫略向薄側移動，回彈量厚側略大于薄側.最后的式樣板坯初始位置與第二次的位置相同，模具為模擬時第二次補償后的模具，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準零件型面.之后將U形件模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)放到同一表格中進行對比，對比結果如表7所示.

從表格中的數(shù)據(jù)分析可以得出：

1）拼焊板U形件實驗時測得回彈角與模擬時測得的回彈角基本相符，并且實驗測得的回彈角略大于模擬時測得的回彈角.

2）試驗與模擬中，經(jīng)過補償過后的拼焊板U形件回彈角都有明顯減小，這說明對模具進行型面補償可以有效地減小回彈缺陷，獲得質量更高的零件.

表7 回彈實驗數(shù)據(jù)

4 結 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回彈角始終大于對應材料光板回彈角.

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)小的一側比另一側回彈角大；焊縫向強度高的板材一側移動.

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

4）模具進行型面補償可以有效地減小回彈缺陷，獲得質量更高的零件.

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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.

黑龍江省自然科學基金（E201102）.

劉曉晶（1966—），女，博士，教授，碩士生導師.

劉曉晶，E-mail：lxj812@126.com.