吳 穎

(四川文理學院智能制造學院,四川達州635000)

激光拼焊板與連續(xù)變截面輥軋板成形性能及應用的對比研究

吳 穎

(四川文理學院智能制造學院,四川達州635000)

對比分析了連續(xù)變截面輥軋板(TRB)和激光拼焊板(TWB)的成形過程,綜合評價兩類典型變截面板的拉伸、沖壓成形特性、熱成形性能及其當前實際應用得出:相比等厚板,TRB和TWB均能明顯提高板材承載性,減輕板材重量,在汽車輕量化方面應用非常廣泛.TWB因回彈好、工藝簡單,更多應用于制造汽車橫梁、縱梁等結構件;TRB在減重性和成形性能均勻性方面更有優(yōu)勢,更多應用于制造車身和航空航天領域.針對目前存在的問題并結合其在汽車工業(yè)實踐應用的要求,提出了未來變截面薄板成形性能研究和開發(fā)的方向.

激光拼焊板、連續(xù)變截面輥壓板、成形性能、汽車輕量化

隨著科技的發(fā)展,當今社會對板材的性能和質量要求越來越高,汽車、橋梁、船舶的優(yōu)化制造成為國內外學者和制造商的追逐熱點.變截面板因其厚度、材質的非均勻性使其應用廣泛,尤其是在汽車輕量化方面,因此變截面板成型技術已成為汽車輕量化重要技術之一.[1]激光拼焊板(簡稱TWB)和連續(xù)變截面輥軋板(簡稱TRB)是當前最常見的兩類變截面板,它們具有減輕零部件重量、減少材料成型的沖壓工業(yè)和設備、提高可靠性等優(yōu)點,受到越來越多青睞.[2]為了更加清楚地掌握變截面板成形特點及應用現狀,本文對TWB和TRB成形性能進行了總結分析,對兩者在當前汽車制造等領域的應用進行了對比,為變截面板進一步研究和應用提供參考.

1 變截面板的成形工藝

作為最典型的兩類變截面板,激光拼焊板和連續(xù)變截面輥軋板成型過程各不相同,導致其成形性能有所差異,在實際應用中也各不相同,如表1所示.

表1 常見變截面薄板成型特點

TRB是利用柔性軋制技術(漸進成形技術)形成的沿一定方向厚度連續(xù)變化的板材,如圖1所示.其厚度變化只能發(fā)生在初始軋制方向上,且往往僅限于同種材料,因此其成形特點是成形前必須預先考慮到后續(xù)成形加工中鋼板各個部位的實際受力和變形以及整車的承載情況,但是其在不同厚度上的機械性能不存在跳躍式的變化,成形性能好,能適應車身各部位的承載要求,應用范圍廣.[3]

圖1 連續(xù)軋制技術及TRB薄板截面

TWB是將兩塊或多塊不同厚度、材質和表面狀態(tài)板料焊接在一起,然后進行沖壓成形,以滿足零件不同部位的性能的需求.雖然有很好的焊接靈活性,拼焊板形狀也可多樣化,但TWB的整體成型性能不好,且有焊縫存在,不能應用于車身,僅能用于內覆蓋件和支承結構件.[4－5]如圖2所示.日本本田、北美和歐洲的汽車制造商于上世紀80年代開始將TWB板引入汽車工業(yè)并逐漸推廣,尤其是本田、日產、豐田等公司研究了焊接工藝以及坯料、模具與工裝設計等因素對TWB成型過程的影響,得出應選擇適宜的焊接速度,若過快便難以形成小孔效應,若過慢,焊縫對TWB整體性能會有較大影響.[6]

圖2 激光拼焊技術及TWB薄板截面

2 變截面板成形性能的對比

近年來,國內外學者采用實驗和有限元模擬相結合的方式研究了變截面板材的成形性能.普遍認為,變截面板比與其具有相同剛度的等厚板具有明顯的減重效果,用其制成的汽車零部件能夠顯著減輕車身重量,板材也具有更好的承載能力.尤其是TRB板,因其連續(xù)變化的截面形狀,使其減重效果是TWB板的兩倍,而且TRB板在減重效果、成形性能、適應性和后續(xù)加工可靠性方面比TWB板材有更大的優(yōu)勢.[7]

2.1 拉伸成形性能

有學者通過拉伸試驗對比研究了不同厚度的DC06鋼制成的TWB板和DC03鋼制成的TRB板,[8]并將拉伸試樣制成與焊縫或軋制方向程0到90等不同角度,結果表明DC06鋼制成的TWB板,拉伸方向與焊縫角度為45度時,板材在保持強度基本不變的前提下,塑性最好,綜合性能最佳,而其他角度拉伸,板材力學性能顯著降低,表現出明顯的各向異性.厚度較薄的母板是TWB板材的拉伸軟肋,隨著厚度差的增大,TWB板的延伸率明顯下降,而TRB板材,軋制方向和板材厚度對屈服強度、抗拉強度、延伸率和n值的影響均不明顯,進一步驗證了其性能的均勻性.同時將TWB板和TRB板拉伸曲線作為有限元數值模擬的參數輸入模型.結果顯示,在考慮材料自身和拼焊板焊縫處所表現出來的各向異性時,與實際還存在一定的誤差,而TRB板更具有真實性.

S.M.Chan通過單向拉伸試驗研究了不同厚度比對TWB鋼板成形極限的影響,[9]結果顯示, TWB板與母材板的成形極限相差不大,TWB板的成形極限隨厚度比的增大而減小.由此可得,在承受拉伸應力時,TRB板材的承載能力比TWB板材更均勻,TRB板材拉伸成形性能優(yōu)于TWB.2.2 沖壓成形性能

有學者通過杯突試驗和拉深試驗來驗證變截面板的沖壓成形性能,[8]杯突試驗表明,同材質的TWB板材的IE值比母材小,而TRB板材的IE值與母材相當,且隨著厚度差的增大,TWB板材的杯突IE值與相同母材的杯突IE值也增大.而在拉深過程中焊縫位置也表現出明顯的各向異性,導致板材變形不均勻,焊縫的存在使TWB板的整體拉深成形性能顯著降低,且TRB板的的極限拉深比(LDR)隨厚度差的增大呈先增大后減小的趨勢.A.Meyer通過試驗和數值模擬的方法試圖提高TRB板材的拉深深度,[10]結果顯示,若控制到最優(yōu)化的厚度比,TRB板材相比于母材在重量減輕9%的時候,拉深深度還可以提高近20%.因此,TRB板由于沒有焊縫所以在成形質量和成形性能上要優(yōu)于TWB板,而且TRB板相對于拼焊板來說對模具的磨損度降低,而且應用范圍更廣泛.

2.3 板材回彈的研究

變截面板成形的回彈問題與控制是評價板材成形性的關鍵因素.德國亞琛工業(yè)大學金屬成形研究所(IBF of Aachen University),以Reiner kopp為首的研究隊伍與工業(yè)界密切合作,對TRB的回彈問題作了一些探索性的研究工作,得到了在TRB上較薄部分產生的回彈大于較厚部分產生的回彈.上海交通大學模具技術研究所也對連續(xù)變截面板的回彈做了相應的研究.[11]他們通過彎曲試驗和建立的TRB在卷圓彎曲中的有限元模擬,以V形TRB彎曲件為例,得出了彎曲方向和板材厚度對TRB薄板回彈性能的影響規(guī)律,當彎曲方向平行初始軋制方向時,板材回彈呈現均一性,當彎曲方向與軋制方向垂直,產生非均一回彈,且板材厚度過渡區(qū)對板材的非均一回彈有影響.在TRB回彈方面,Sung H.C等人對差厚TWB進行U形件彎曲回彈研究,[12]通過試驗和有限元模擬發(fā)現彎曲方向與垂直于焊縫時, TWB較厚板的回彈量會因薄板和焊縫的存在而減小;彎曲方向平行于焊縫時,TWB較厚板的回彈與單一母材厚板回彈相同,只是薄板的回彈量會有所降低.

2.4 熱成形性能

針對之前的拉深和杯突等冷成形過程,不論是TRB還是TWB,都避免不了破裂和回彈等突出問題,致使板材成形受到明顯局限性,從而變截面板的熱成形性能成為當前的研究熱點.常見的TRB鋼板熱沖壓成形如圖3所示,是將高強鋼加熱至奧氏體化,然后放入模具內沖壓,同時進行冷卻淬火,組織由奧氏體變?yōu)轳R氏體,從而得到超高強度的TRB鋼板.李云用微元離散法建立了高強度的TRB鋼板過渡區(qū)的材料模型,[13]并通過建立的韌性斷裂準則,對高強度的TRB鋼板、TRB U型件和汽車B柱的熱沖壓成形過程進行數值模擬,預測了熱沖壓過程中的破裂情況.結果表明,板材通過熱處理后,成形性能明顯提高,尤其是成形穩(wěn)定性和板材的利用率顯著增大.

圖3 高強度TRB鋼板熱沖壓成形過程

D.Wesrerbaan等人將高強度低合金鋼和雙相鋼通過激光焊接制成TWB板,[14]將TWB板材在不同溫度下進行拉伸,發(fā)現TWB板材與母材相比,屈服強度、極限抗拉強度均隨著溫度的降低而增大,且加工硬化系數并沒有隨著板材延伸率的增大而顯著變化,由此得,TWB的熱成形性能和后續(xù)加工性也明顯優(yōu)于等厚板.

3 結語

典型的變截面板TWB和TRB相比于等厚板,板材成形性能和應用方面都有更多優(yōu)勢,但他們也有本身的局限和缺點.TWB可根據部件在實際應用中所受載荷不同,預設零部件板材的厚度分布,從而顯著提升強度、剛度并且減輕車身重量,更多應用于汽車的前縱梁等需吸能和變形結構件中;TRB板無焊縫,有平滑過渡區(qū),具有強度高、承載性能好、減重性和防撞性好等突出特點,更適于后續(xù)加工,可廣泛應用于車身制造和航空航天領域.

變截面板材性能優(yōu)良,但當前在其成形工藝的優(yōu)化完善和成形性能的特點和深層次影響方面都還存在很多問題,為進一步擴大變截面薄板的應用,仍有很多需要探索的地方:(1)TWB板的成形工藝除了剛模成形,應探索更多成形工藝,例如數控漸進成形工藝,以此進一步降低成本,擴大應用范圍;(2)TRB板成形性能好,但其柔性軋制工藝尚不成熟,急需進一步優(yōu)化完善,尤其是對精度要求高且過渡段短的板料;(3)當前TRB板受原材料必須相同的局限,其平滑過渡區(qū)的性能以及對整個TRB板性能的影響規(guī)律有待進一步研究,同時怎樣使整個TRB板組織和成分也呈連續(xù)性變化是其板材性能出現更大突破的重要研究方向.

參考文獻:

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[責任編輯 范 藻]

Research on Formability and Applications of
Laser Tailor Welded Blanks and Tailor Rolling Blanks

WU Ying
(Intelligent Manufacturing School of Sichuan University of Arts and Sciences,Dazhou Sichian 635000,China)

W ith Comparison,the paper analyzes the form ing process of tailor welded blanks(TWB)and tailor rolling blanks (TRB),evaluates two types of variable section blanks in view of tensile properties,the formability of hot stamping and the current application.It is concluded that compared w ith the thickness blanks,TRB and TWB banks’bearing capacity can significantly improve,reduce the weight and w idely used in automobile lightweight.TWB is w idely used in the manufacture of automotive structural parts in the longitudinal beam due to his good rebound and simple process.TRB has more advantages in the aspect of reducing weight and form ing uniform ity,and w idely used in the manufacture of automobile body and aerospace field.M eanwhile, this paper points out the future research and development direction of variable section blanks in view of the existing problems and combined w ith its practical application in the automotive industry requirements.

Tailor Welded Blanks(TWB);Tailor Rolling Blanks(TRB);formability;automobile lightweight

TG386,U463

A

1674－5248(2017)05－0027－04

2017－05－10

四川文理學院科研項目(2014Z006Y)

吳 穎(1987—)女,四川巴中人.講師,碩士,主要從事先進材料成型工藝及裝備自動控制研究.