李章恒

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 511434）

0 引言

激光拼焊板（TWB）是指在沖壓成形之前把不同厚度、材料性能或表面涂層的板材，用激光焊接的方法拼焊在一起，重新組成的一種新型復(fù)合板材，它可以同時(shí)滿足零件的不同部位對板料不同性能的要求[1]。隨著汽車減重和被動安全的需求逐漸增長，汽車輕量化成為降低油耗的有效途徑，激光拼焊技術(shù)作為一個有效的解決方案也得到更多的重視。

激光拼焊板由焊縫、焊縫兩側(cè)母材以及熱影響區(qū)組成。這種固有結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)板材，不同母材存在機(jī)械性能和厚度上的差異，導(dǎo)致成形過程中更容易發(fā)生破裂、起皺、回彈和焊縫移動，成形性能下降，甚至成形困難[2]，因此有必要研究激光拼焊板的材料變化對成形性能的影響。

拼焊板的沖壓成形過程是一個綜合而復(fù)雜的力學(xué)過程。目前在國內(nèi)較多生產(chǎn)現(xiàn)場，往往是通過反復(fù)進(jìn)行成形試制，多次修改工藝參數(shù)或修改模具結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)拉裂、起皺和回彈等失效形式，進(jìn)而提高成形質(zhì)量[3]。這種方式不僅影響加工效率，而且增加生產(chǎn)成本。

目前國內(nèi)外有大量學(xué)者對拼焊板的沖壓性能進(jìn)行大量的研究。BradKinsey[4]提出采用夾持工具控制焊縫的移動以改善拼焊板成形性能，并且將沖壓仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證；S H Chang[5]等人分析了不同板厚比和焊縫位置對回彈預(yù)測的影響。劉曉晶[6～7]等人通過U型件進(jìn)行了焊縫位置和回彈預(yù)測，并應(yīng)用于車門內(nèi)板，得到最佳的工藝參數(shù)，有效地減小了回彈，提高零件的裝配精度；龔志輝[8]等人應(yīng)用均勻拉丁方方法構(gòu)建響應(yīng)面近似模型，最后通過遺傳優(yōu)化計(jì)算獲得坯料上最佳的焊縫線分布。

對回彈的進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測才能合理設(shè)置補(bǔ)償，有效控制回彈量。本文以某一車型的中央通道加強(qiáng)板為例，采用Autoform R7軟件進(jìn)行成形過程數(shù)值模擬，將焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)度變化視為剛性忽略，研究不同工藝參數(shù)條件下回彈的變化趨勢，為實(shí)際生產(chǎn)提供工藝參數(shù)規(guī)范依據(jù)，制定最佳的工藝參數(shù)。

1 激光拼焊板研究方法

激光拼焊成形技術(shù)是將兩塊或兩塊以上的板料用激光焊接的方式焊接在一起，然后進(jìn)行沖壓成形，以中央通道加強(qiáng)板為例，拼焊過程如圖1所示。

本文對于拼焊板回彈影響量研究流程如圖2所示。

圖1 中央通道拼焊板料焊接工藝示意圖

圖2 拼焊板回彈影響量研究流程

2 數(shù)值模擬

2.1 模型導(dǎo)入與材料設(shè)置

研究的零件為某一車型的中通道加強(qiáng)板，如圖3，圖中左側(cè)為厚鋼板區(qū)域，右側(cè)為薄鋼板區(qū)域。中通道加強(qiáng)板時(shí)前地板的典型大尺寸U形件，零件所使用的材料為GC340LAD/厚度1.2mm和GC340LAD/厚度1.0mm板材，厚度不同的板材經(jīng)過焊接得到拼焊板。兩種材料的性能參數(shù)如表1所示。因?yàn)椴牧喜捎酶邚?qiáng)鋼，故回彈是U型件成形的主要缺陷，嚴(yán)重影響零件的尺寸精度，從而影響后續(xù)的裝配[9]，所以研究不同工藝參數(shù)中通道加強(qiáng)板的回彈并進(jìn)行預(yù)測具有重要意義。

圖3 中通道加強(qiáng)板零件造型

表1 兩種材料的材料性能參數(shù)

2.2 工具設(shè)置

將零件導(dǎo)入Autoform R7中進(jìn)行建模，增加壓料面及工藝補(bǔ)充面，得到所需要的凹模、凸模和壓邊面，如圖4、5。改變精度參數(shù)，自適應(yīng)劃分網(wǎng)格。根據(jù)不同的工藝參數(shù)進(jìn)行沖壓數(shù)值模擬計(jì)算。

圖4 中通道面板凹模示意圖

圖5 中通道面板凸模和壓邊面示意圖

考慮到拉延筋對成形性和回彈的影響，如圖6所示，采用方形拉延筋，可根據(jù)設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到不同的拉延筋系數(shù)，對板料造成不同大小的壓緊力。一般拼焊板較厚一側(cè)拉延筋系數(shù)設(shè)置偏小，因?yàn)楹癜宓囊粋?cè)的內(nèi)應(yīng)力相比于薄板較大，故設(shè)置拉延筋系數(shù)應(yīng)隨之變小，否則會導(dǎo)致焊縫移動量過大。在拉延過程中，一般邊角部分板料加多，板料流入量較小，所以在邊角處不設(shè)置拉延筋，通過不斷的試算，得到最佳的拉延筋布置如圖7所示。

圖6 拉延筋結(jié)構(gòu)圖

圖7 拉延筋在模具上的布置示意圖

2.3 初步模擬結(jié)果

經(jīng)多次調(diào)整參數(shù)，初步得到模擬中通道加強(qiáng)版模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8為初步拉延結(jié)束后的最大減薄率，明顯右側(cè)端頭處存在減薄率過大的問題，理論上已經(jīng)發(fā)生破裂，其他區(qū)域減薄率合理，可參考圖8成形極限圖進(jìn)行分析。板料在左端和上下區(qū)域流入量大，右端板料幾乎不流入，可見右端拉延筋系數(shù)過大，應(yīng)適當(dāng)減小此處拉延筋系數(shù)。

圖8 初步拉延結(jié)束后最大減薄率示意圖

由圖9可看出，在初步拉延成形之后，中通道加強(qiáng)版中部的法蘭邊的回彈量最大，最大值可達(dá)9.459mm，且上下不對稱，說明上下拉延筋應(yīng)對稱分布，還可考慮之后增加整形工序。

圖9 拉延過后成形計(jì)算圖FLD

3 工藝參數(shù)對回彈大小的影響

3.1 U形件回彈研究

一般的U形件的回彈和破裂問題可以通過調(diào)整工藝參數(shù)合理解決，但是回彈問題涉及各個方面，較難解決，而拼焊板由于兩側(cè)板料材料參數(shù)不同，拼焊區(qū)域的強(qiáng)度、硬度都有所變化，所以更難準(zhǔn)確預(yù)估回彈量的大小。中央通道加強(qiáng)板的一般回彈形式如圖10所示，以下研究通過改變工藝參數(shù)，研究不同條件下的回彈量變化趨勢。

圖10 初步拉延成形后回彈示意圖

劉曉晶[6]等人提出以下公式進(jìn)行U形件側(cè)壁回彈角的預(yù)測：

式中：E—彈性模量；t—板料厚度；ρ0—板料密度；α—彎曲角。

由式（1）可知回彈角隨材料性質(zhì)的變化趨勢：控制彈性模量E不變的情況下，材料的屈服強(qiáng)度越高，回彈角越大；材料硬化指數(shù)越小，則回彈角隨之變?。徊牧虾穸仍酱?，回彈角越大，而圖7中厚板側(cè)回彈小于薄板側(cè)，則是由于中通道加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。

可將式（1）進(jìn)行拓展，由正余弦公式，可以推得側(cè)壁回彈最大值對應(yīng)的公式：

可利用式（3）對回彈量進(jìn)行大致的預(yù)測，結(jié)合軟件可進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估。法蘭回彈量也可經(jīng)過類似推理得到相應(yīng)結(jié)論，本文不再贅述。一般對于U形件，普遍法蘭回彈較高，如圖7所示（初步模擬結(jié)果圖）。以下研究選取最大回彈量作為研究目標(biāo)。

聯(lián)立式（1）和式（2）可得：

3.2 焊縫對回彈的影響

表2為不同壓邊力條件下，1.0mm厚鋼板、1.2mm厚鋼板以及拼焊板的最大回彈量對比研究。

圖11 U形件回彈示意圖

表2 不同板料在的回彈量對比

由表2可看出，在相同的工藝條件下，拼焊板兩側(cè)的最大回彈都是大于光板的。這是由于一方面拼焊板的上存在焊縫，焊縫的強(qiáng)度和硬度比光板大，焊縫帶來的回彈較大，進(jìn)而擴(kuò)散周圍區(qū)域，造成總體最大回彈量偏大；另一方面，拼焊板兩側(cè)的板料性質(zhì)不同，拉延成形過程中，兩側(cè)受力更復(fù)雜，內(nèi)應(yīng)力不同也導(dǎo)致回彈量更大。

3.3 壓邊力對回彈的影響

對中央通道加強(qiáng)板模具定義不同的壓邊力，仿真實(shí)驗(yàn)之后，對拼焊板的厚側(cè)和薄側(cè)進(jìn)行回彈的測量，得到最大回彈量隨壓邊力的變化，見圖13。

圖12 壓邊力隨行程的變化

由圖13可看出，隨著壓邊力的增大，無論是拼焊板的厚側(cè)還是薄側(cè)，最大回彈量都逐漸減小，這是由于壓邊力增大，板料流入量相對變少，成形區(qū)域的板料塑性變形充分，應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的彎矩較小，回彈角小，最終法蘭邊最大回彈區(qū)域的回彈隨之變小。

另外，拼焊板的厚鋼板側(cè)的最大回彈量總是小于薄鋼板側(cè)，這是由于在相同變形條件下，充分塑形變形之后，薄鋼板側(cè)由于板厚較小，屈服強(qiáng)度低，產(chǎn)生的彎矩更加容易導(dǎo)致薄鋼板變形，回彈量因此較大；厚側(cè)板料參與塑性變形的量比薄側(cè)多，抵抗回彈變形的能力就大，所以厚側(cè)的回彈角比薄側(cè)小。

但是隨著壓邊力的增大，回彈量的減小程度相對較低，一方面壓邊力的變化區(qū)間較小，另一方面，在拉延筋確定的條件下，單一的壓邊力變化對成形之后的回彈影響程度相對較小，并且實(shí)際生產(chǎn)中不能一味增加壓邊力，過大的壓邊力會導(dǎo)致成形破裂。

圖13 壓邊力對回彈量的影響

3.4 板材不同厚度對回彈的影響

設(shè)置厚鋼板一側(cè)厚度為1.2mm，薄鋼板一側(cè)厚度分別為 0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，壓邊力設(shè)置為 100kN，相應(yīng)的模具在軟件中自適應(yīng)更改。最終得到模擬結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知，隨著薄板厚度的增加，拼焊板兩側(cè)鋼板厚度差逐漸減小，最大回彈量逐漸減小，在兩塊鋼板厚度比接近于1時(shí)，回彈量最小。

圖14 不同板厚對壓邊力的影響

雖然厚鋼板側(cè)的厚度一直為1.2mm沒有變化，但是隨著薄板厚度的增大，其回彈量也在減小，這是因?yàn)楹附影灏搴癫畹臏p小，兩側(cè)板料在成形時(shí)應(yīng)力分配更均勻，最終厚板側(cè)回彈量也變小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對應(yīng)于上述研究，進(jìn)行中通道加強(qiáng)板沖壓成形試制。在滿足成形性和起皺要求的前提下，設(shè)置虛擬拉延筋系數(shù)為0.3（部分特殊區(qū)域變動±0.5），壓邊力為1100kN，板料厚度為1.2mm和1.0mm。其他工藝參數(shù)按照初始拉延成形進(jìn)行設(shè)置，最終得到拉延之后的真實(shí)回彈量，如圖15為通過電子掃描得到的實(shí)際生產(chǎn)零件與數(shù)模的對比回彈圖。

圖15 零件試制后電子掃描回彈量示意圖

由圖15中可以看出，回彈量最大的位置存在于焊縫區(qū)域和距離焊縫不遠(yuǎn)處的薄板處，大小分別為6.321mm和6.786mm，其他區(qū)域的回彈量相對較小。對比于上述研究中的其他范例，零件回彈得到部分改善，可繼續(xù)增加一道整形工序，盡量減小回彈量，提高裝配精度。

5 結(jié)論

通過對中央通單拼焊板的研究，以及零件試制之后的對比，可以得出結(jié)論：

（1）中央通道拼焊板中，薄板區(qū)域的最大回彈量較厚板側(cè)大，拉延過程中應(yīng)盡量針對于薄板區(qū)域回彈進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）隨著壓邊力和拉延筋系數(shù)的增大，板料塑形變形充分，零件最大回彈量逐漸降低，所以應(yīng)在保證成形性的前提下合理提高壓邊力和拉延筋系數(shù)大小。

（3）板料的厚度差對回彈影響較大，過大的厚度差導(dǎo)致板料不均勻，最終導(dǎo)致回彈增大，所以拼焊板的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)選擇兩側(cè)的厚度差。

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