劉曉晶，劉朋會(huì)，秦海斌，李峰，王聰

(哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150040)

拼焊板(tailor welded blanks，TWBs)成形技術(shù)是指將2塊以上具有不同的厚度、材質(zhì)和表面涂層的板料焊接在一起，進(jìn)行沖壓成形[1-2]。在車(chē)身覆蓋件制造中采用拼焊板，可以有效地改善結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，提高零件的剛度和抗沖擊性，減少裝配零件的數(shù)量及減輕質(zhì)量，最大限度地提高材料利用率，降低整車(chē)生產(chǎn)成本。所以，激光拼焊板零件已廣泛用在如門(mén)板、縱梁、底板、立柱以及板坯超大的零件設(shè)計(jì)中[3-4]。同一般的沖壓件相比，拼焊板汽車(chē)覆蓋件具有形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大、多為空間曲面、相互配合的協(xié)調(diào)性要求較高等特點(diǎn)[5-6]。拼焊板材料的成形也有其自身的一些特點(diǎn)：一方面，由于不同的板厚差和不同的板料強(qiáng)度組合使得拼焊板材料的成形性能下降；另一方面，在成形過(guò)程中焊縫的移動(dòng)、板料的不均勻變形和起皺等也是影響拼焊板材料成形的重要因素。針對(duì)上述特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)拼焊板的研究主要集中在拼焊板成形性能、拼焊板焊縫移動(dòng)控制、拼焊板起皺問(wèn)題、拼焊板沖壓成形有限元建模等幾個(gè)方面[7-9]。例如，Young等[10]分析了有拉深筋時(shí)盒形件的焊縫移動(dòng)問(wèn)題；Saunders[11]分析了焊縫位置、強(qiáng)度和厚度比等對(duì)焊縫移動(dòng)的影響，上海交通大學(xué)模具CAD國(guó)家研究中心提出了板料成形前的板料形狀優(yōu)化方案[12]。Zhao等[13]利用有限元數(shù)值模擬的方法，考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，對(duì)不同的有限元模型進(jìn)行了比較分析，建議采用不考慮熱影響區(qū)的三維殼單元模型對(duì)拼焊板的成形過(guò)程進(jìn)行模擬。對(duì)于復(fù)雜的拼焊板汽車(chē)覆蓋件成形工藝的研究較少。因此，有必要針對(duì)復(fù)雜的拼焊板汽車(chē)覆蓋件，研究影響其成形的各個(gè)因素及其與成形極限的關(guān)系，為合理設(shè)計(jì)拼焊板零件和確定合理的沖壓成形工藝提供依據(jù)。本文作者應(yīng)用DYNAFORM軟件，針對(duì)轎車(chē)側(cè)圍中立柱，進(jìn)行沖壓成形有限元數(shù)值模擬研究。通過(guò)成形過(guò)程數(shù)值模擬仿真，對(duì)成形極限圖和厚度分布圖進(jìn)行分析，針對(duì)成形結(jié)果中出現(xiàn)的拉裂、起皺和減薄等缺陷問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整部分工藝參數(shù)，主要通過(guò)設(shè)置等效拉深筋的方法使成形結(jié)果得到改善，并根據(jù)仿真分析的結(jié)果，提出改進(jìn)和優(yōu)化工藝的設(shè)計(jì)方案。

1 焊縫的處理問(wèn)題

板料先經(jīng)過(guò)裁剪，再用焊接的方法拼焊在一起而組成拼焊板，因此普通拼焊板由母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)3部分組成：如果2塊板是用激光焊接的方法焊接在一起，那么，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的寬度比較窄，在整個(gè)板料面積中所占的比例很小。但是，由于焊接過(guò)程中熱循環(huán)的作用，焊縫處晶粒會(huì)長(zhǎng)大，容易產(chǎn)生魏氏組織，造成焊縫處晶粒粗大現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫區(qū)塑性和韌性的下降，因此，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的材料力學(xué)性能與母材相比有很大的差別。

目前，模擬拼焊板零件成形的方法主要有2種[14]：一是考慮焊縫的形狀和尺寸、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)處馬氏體的含量，細(xì)劃分焊縫附近區(qū)域的有限元網(wǎng)格，建立精確的焊縫模型；二是忽略焊縫的類(lèi)型，只考慮焊縫的位置，焊縫和熱影響區(qū)由一排梁?jiǎn)卧蛘邭卧W(wǎng)格來(lái)表示，或者僅采用剛性連接處理。

與單一板料相比，拼焊板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所增大，材料的硬化指數(shù)和延伸率則有所減小，拼焊板沖壓成形過(guò)程中板平面內(nèi)的變形可以分解為縱向變形和橫向變形。在縱向，由于焊縫處材料的硬度比母材高，而延展率又遠(yuǎn)比母材的低，所以，在焊縫處容易發(fā)生破裂；在橫向，由于焊縫處材料的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于母材的抗拉強(qiáng)度，因此，在橫向上焊縫區(qū)域幾乎不會(huì)發(fā)生塑性變形，變形僅發(fā)生在母材上，導(dǎo)致材料較弱的一側(cè)容易發(fā)生破裂。研究表明[15]：當(dāng)焊縫區(qū)域面積相對(duì)整個(gè)板料面積很小時(shí)，焊縫對(duì)母材的影響比較小，可以忽略焊縫類(lèi)型，只考慮焊縫的位置。本文針對(duì)轎車(chē)側(cè)圍中立柱進(jìn)行沖壓成形模擬研究，零件形狀如圖1所示。由于板料是采用激光焊接的方法拼焊在一起，焊縫比較窄，在成形模擬過(guò)程中，板料采用BT殼單元，薄側(cè)材料和厚側(cè)材料在焊接處的單元相同，因此，考慮采用剛性連接，忽略焊縫類(lèi)型，只考慮焊縫的位置，這樣焊縫兩側(cè)母材相連接處的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)就擁有相同的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

2 轎車(chē)側(cè)圍立柱有限元數(shù)值模擬

本文所研究的轎車(chē)側(cè)圍中立柱拼焊板板坯由3塊鋼板激光焊接而成的，3塊板的材料分別為高強(qiáng)鋼DP500，DP600和低碳鋼DQSK，都選用36號(hào)各向異性材料，屈服函數(shù)符合Hill屈服準(zhǔn)則，其材料性能參數(shù)如表1所示，焊縫采用剛性連接。板坯及焊縫位置示意圖如圖2所示。

在劃分板坯網(wǎng)格時(shí)，工件的最小圓角至少由3個(gè)網(wǎng)格構(gòu)成，也就是說(shuō)，最小圓角處的網(wǎng)格尺寸在網(wǎng)格細(xì)化2次的情況下約等于R，網(wǎng)格的整體保證無(wú)畸變、尖銳角等質(zhì)量較差的網(wǎng)格，以四邊形網(wǎng)格為主，在特殊情況下有三角形單元時(shí)，盡量保證是等邊三角形。板料網(wǎng)格單元采用全階積分殼單元，法向積分點(diǎn)個(gè)數(shù)取7個(gè)，以避免沙漏現(xiàn)象，并提高數(shù)值模擬的精度。

表1 材料性能參數(shù)Table 1 Parameters of material properties

圖2 中立柱拼焊板板坯及焊縫位置模型Fig.2 Model of TWBs blank and position of welding

根據(jù)零件的形狀用DYNAFORM軟件創(chuàng)建凹模，并劃分工具網(wǎng)格。在劃分工具網(wǎng)格時(shí)，保證工具網(wǎng)格以最大程度地貼合曲面實(shí)體為原則，適當(dāng)增大網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比例，采用BT殼單元，法向積分點(diǎn)個(gè)數(shù)取1?？紤]到本次模擬實(shí)驗(yàn)用的高強(qiáng)鋼板的強(qiáng)度較高、塑性較差，因此，盡可能降低拉深深度，以便于成形。凹模創(chuàng)建完成后，再?gòu)陌寄Ｉ掀贸鐾鼓：蛪哼吶ΑＦ春赴鍥_壓成形有限元數(shù)值模擬模型如圖3所示。

圖3 拼焊板沖壓成形有限元數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model of part

利用DYNAFORM軟件自帶的自動(dòng)設(shè)置功能進(jìn)行成形分析設(shè)置，初步設(shè)定虛擬沖壓速度為1 m/s，沖壓行程曲線(xiàn)為梯形，壓邊力為300 kN，毛坯零件層之間的接觸類(lèi)型為自動(dòng)面到面接觸。在完成設(shè)置之后，進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示，以確定各個(gè)工具的運(yùn)動(dòng)情況，然后提交計(jì)算。

3 模擬仿真結(jié)果及分析

初步模擬后板料的成形極限圖與厚度分布圖如圖4所示。

圖4 零件的成形極限圖與厚度分布圖Fig.4 FLD and thickness distribution of part

從圖4可以看出：零件底部局部未被充分拉延；零件的兩端和邊緣部位出現(xiàn)破裂和起皺現(xiàn)象，有些部位還嚴(yán)重起皺；在零件的4個(gè)尖角處，減薄現(xiàn)象比較嚴(yán)重。這些缺陷問(wèn)題會(huì)影響到零件的幾何精度、表面質(zhì)量和力學(xué)性能。通過(guò)減小壓邊力可以避免零件被減??；設(shè)置等效拉深筋可以在板料易流動(dòng)的部位局部增加進(jìn)料阻力，在難流動(dòng)部位局部減小進(jìn)料阻力，這樣就平衡了材料的流動(dòng)，合理地改變了變形區(qū)板材的受力狀態(tài)；適當(dāng)降低沖壓速度也有利于板料的變形。

根據(jù)以上分析，對(duì)沖壓成形模擬的部分工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整：壓邊力調(diào)整為200 kN；虛擬沖壓速度調(diào)整為500 mm/s。1～5號(hào)等效拉深筋設(shè)置如圖5所示，在本次模擬中1共設(shè)置5條等效拉深筋，完全鎖定的拉深筋阻力如表2所示。1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)拉深筋的主要作用是增加坯料兩端的進(jìn)料阻力，從而控制零件兩端的起皺問(wèn)題；4號(hào)和5號(hào)拉深筋主要用于改善零件底部拉延不充分的區(qū)域。拉深筋的阻力可以方便、靈活地進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就彌補(bǔ)了拼焊板零件成形時(shí)對(duì)壓邊力調(diào)節(jié)不足的問(wèn)題。在修改了這些參數(shù)、重點(diǎn)設(shè)置了拉深筋之后，再次進(jìn)行成形模擬，成形極限圖和厚度分布圖如圖6所示。

圖5 等效拉深筋的布置示意圖Fig.5 Position of equivalent draw beads

表2 完全鎖定的各個(gè)拉深筋的阻力Table 2 Resistances of draw beads N

圖6 調(diào)整工藝參數(shù)后的成形極限圖和厚度分布圖Fig.6 FLD and thickness distribution after process parameters improvement

從圖6可以看到：通過(guò)調(diào)整壓邊力、虛擬沖壓速度以及設(shè)置等效拉深筋，零件的破裂情況基本消除，起皺的范圍大幅度縮小，但零件邊緣和底部?jī)啥瞬课贿€有少量起皺，底部還存在小面積的未被充分拉延的區(qū)域。要解決此種缺陷問(wèn)題，可在虛擬沖壓速度和壓邊力不變的前提下，調(diào)整拉深筋的布局及拉深筋的阻力，以平衡材料的流動(dòng)，使板坯的成形得到優(yōu)化?？紤]到零件比較復(fù)雜，底部有大量的突起和凹陷等不易成形部位，而且零件各處的拉深深度不一致，3塊板坯的成形性能相差比較大，零件各處板坯在流動(dòng)過(guò)程中所需的力也不一樣，因此，需要分段調(diào)整板坯的進(jìn)料阻力。重新布置拉深筋，新增加5條拉深筋，并調(diào)整各個(gè)拉深筋的參數(shù)。分別增加1號(hào)和2號(hào)拉深筋的阻力，并增設(shè)8號(hào)拉深筋，以解決零件兩端的起皺問(wèn)題；為了使零件底部拉延更充分一點(diǎn)，增設(shè)6號(hào)和7號(hào)拉深筋，并增加3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)拉深筋的阻力；9號(hào)和10號(hào)拉深筋所在的部位零件的拉深深度比較淺，這個(gè)部位需要加大進(jìn)料阻力。調(diào)整后的等效拉深筋1～10號(hào)布置示意圖如圖7所示，各拉深筋的參數(shù)如表3所示。

表3 調(diào)整后的完全鎖定的各個(gè)拉深筋的阻力Table 3 Resistance of draw beads after improvement N

圖7 調(diào)整后的拉深筋布置示意圖Fig.7 Position of draw beads after improvement

拉深筋阻力主要由 Weidemann建立的著名的拉深筋阻力模型(如式(1)所示)確定，由于建立該力學(xué)模型時(shí)，忽略了材料的硬化特性、各向異性，并且做了部分理想的假設(shè)等，所以，實(shí)際拉深筋阻力是在該模型的計(jì)算基礎(chǔ)上反復(fù)模擬調(diào)試得出的。

式中：t為板料的初始厚度；ω為拉深筋的長(zhǎng)度；μ為摩擦因數(shù)；σs為屈服強(qiáng)度；ψ為板料彎曲角；Rg和Rb為拉深筋的肩部和底部半徑；P為單位長(zhǎng)度上的等效壓邊力。

再次調(diào)整工藝參數(shù)后的成形極限圖和厚度分布圖如圖8所示。從圖8可以看出：成形零件的起皺情況得到了控制，零件底部基本上被拉開(kāi)，而且沒(méi)有出現(xiàn)破裂情況，減薄和增厚也在允許的范圍之內(nèi)，因此，成形質(zhì)量較好，說(shuō)明在模擬仿真過(guò)程中修改拉深筋的布局和參數(shù)起到了優(yōu)化成形的效果。

圖8 再次調(diào)整工藝參數(shù)后的成形極限圖和厚度分布圖Fig.8 FLD and thickness distribution after second process parameters improvement

依據(jù)模擬分析結(jié)果，通過(guò)實(shí)際零件的成形實(shí)驗(yàn)，加工出的零件產(chǎn)品如圖9所示。從圖9可見(jiàn)：依據(jù)數(shù)值模擬過(guò)程中設(shè)置的工藝參數(shù)加工出來(lái)的中立柱零件，成形質(zhì)量較好，沒(méi)有出現(xiàn)破裂、起皺及較嚴(yán)重的回彈及扭曲問(wèn)題，在經(jīng)過(guò)切邊及沖孔工序之后，符合裝配要求。通過(guò)實(shí)際拉延成形實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：有限元數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)零件加工具有參照性，可指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖9 加工出的轎車(chē)側(cè)圍中立柱零件圖Fig.9 Center pillar of car produced in factory

4 結(jié)論

(1)對(duì)于像轎車(chē)側(cè)圍中立柱這種大型的激光拼焊板零件，由于激光焊接的質(zhì)量比較好，焊縫相對(duì)于整個(gè)零件來(lái)說(shuō)比較窄，對(duì)成形的影響比較小，因此在數(shù)值模擬中可以不考慮焊縫模型，只考慮焊縫的位置。

(2)在成形模擬中，沖壓速度、壓邊力和拉深筋等工藝參數(shù)的調(diào)整對(duì)拼焊板零件成形的影響較大。本文通過(guò)對(duì)拉深筋阻力的調(diào)節(jié)，平衡了材料的流動(dòng)，解決了用調(diào)節(jié)壓邊力的方法無(wú)法解決的拼焊板零件成形過(guò)程問(wèn)題，并且在實(shí)際生產(chǎn)中比較容易操作和實(shí)施。將模擬方案應(yīng)用于實(shí)際零件的成形，得到了質(zhì)量較好的轎車(chē)側(cè)圍零件。

(3)拉深筋設(shè)置及調(diào)節(jié)措施為：

①拉深筋要與材料流動(dòng)方向垂直，筋的走向與其對(duì)應(yīng)的凹?？谛螤钜恢?通常由凹模入口輪廓線(xiàn)偏置而成，筋線(xiàn)與凹?？诘木嚯x為25 mm左右。

②對(duì)于拼焊板零件，拉深筋采用分段調(diào)節(jié)的方法，在強(qiáng)度較低、塑性較好、材料較容易流動(dòng)的板坯位置應(yīng)該設(shè)置較大阻力的拉深筋，而在強(qiáng)度較高、塑性較差、材料不容易流動(dòng)的板坯位置應(yīng)該設(shè)置較小阻力的拉深筋或不設(shè)置拉深筋。

③在容易起皺的部位設(shè)置局部的短筋調(diào)整進(jìn)料阻力；在拉延深度大的直線(xiàn)部分，設(shè)置拉深筋，在拉延深度大的圓弧部分，不設(shè)置拉深筋；當(dāng)拉延深度相差較大時(shí)，在深的部位不設(shè)拉深筋，淺的部位設(shè)拉深筋。

[1]Ghoo B Y, Keum Y T, Kim Y S. Evaluation of the mechanical properties of welded metal in tailored steel sheet welded by CO2laser[J]. Journal Materials Processing Technology, 2001,113(1/2/3): 692-698.

[2]陳煒, 楊繼昌, 林忠欽. 拼焊板在車(chē)身覆蓋件制造中的應(yīng)用[J]. 汽車(chē)工程, 2003, 25(1): 82-87.CHEN Wei, YANG Ji-chang, LIN Zhong-qin. A study on application of tailor-welded blank to car body closure panels manufacturing[J]. Automotive Engineering, 2003, 25(1): 82-87.

[3]田浩彬, 林建平, 劉瑞同, 等. 汽車(chē)車(chē)身輕量化及其相關(guān)成形技術(shù)綜述[J]. 汽車(chē)工程, 2005, 27(3): 381-384.TIAN Hao-bin, LIN Jian-ping, LIU Rui-tong, et al. A review on ultralight auto body and related forming technologies[J].Automotive Engineering, 2005, 27(3): 381-384.

[4]王春燕. 激光拼焊板制轎車(chē)整體側(cè)圍內(nèi)板成形關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院, 2008: 1-4.WANG Chun-yan. Study on key technology of drawing formability for automotive body inner side panel made of tailor welded blank[D]. Changchun: Jilin University. School of Automotive Engineering, 2008: 1-4.

[5]崔令江. 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003: 6.CUI Ling-jiang. Technique of sheet metal forming for automotive body panels[M]. Beijing: Mechanic industry Press,2003: 6.

[6]崔令江. 汽車(chē)覆蓋件沖壓變形趨向性控制[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2004, 12(4): 375-378.CUI Ling-jiang, Control of deforming trend in auto cover stamping process[J]. Material Science and Technology, 2004,12(4): 375-378.

[7]蔣浩民, 陳新平. 激光拼焊板拉延成形焊縫移動(dòng)優(yōu)化控制[J].材料科學(xué)與工藝, 2004, 12(5): 512-514.JIANG Hao-min, CHEN Xin-ping. Optimized control of weld movement in the drawing process of laser tailored welded blanks[J]. Material Science and Technology, 2004, 12(5):512-514.

[8]翁孟超, 楊志強(qiáng). 基于Dynaform的拼焊板沖壓成形壓邊方法研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2007, 32(2): 33-36.WENG Meng-chao, YANG Zhi-qiang. Research on blank holder methods of tailor-welded blanks in stamping based on Dynaform[J]. Forging and Stamping Technology, 2007, 32(2):33-36.

[9]林建平, 孫東繼. 汽車(chē)用拼焊板國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[J]. 汽車(chē)技術(shù), 2007(8): 1-5.LIN Jian-ping, SUN Dong-ji. Development of research in tailor welded blanks used in auto industry[J]. Automotive Engineering,2007(8): 1-5.

[10]Young M H, Youho C. Characteristic of weld line movements for the deep drawing with draw beads of tailor welded blanks[J].Journal of Materials Processing Technology, 2001, 111(1/3):164-169.

[11]Saunders F I. Forming of tailor welded blanks[M]. Ohio: The Ohio State University, 1994: 10-20.

[12]唐炳濤, 趙震, 陳軍, 等. 板料沖壓成形中坯料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J]. 金屬成形工藝, 2004, 22(2): 58-60.TANG Bing-tao, ZHAO Zhen, CHEN Jun, et al. The study of blank optimization methods for sheet metal forming parts[J].Journal of Netshape Forming Engineering, 2004, 22(2): 58-60.

[13]Zhao K M, Chun B K, Lee J K. Finite element analysis of tailor welded blanks[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2001,37: 117-130.

[14]張福祥, 陳煒, 楊繼昌, 等. 拼焊板在盒形件拉深過(guò)程中的焊縫移動(dòng)研究[J]. 金屬成形工藝, 2002(5): 33-36.ZHANG Fu-xiang, CHEN Wei, YANG Ji-chang, et al. Research on welding line movement for TWB during square cup drawing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2002(5):33-36.

[15]Ahmetoglu M A, Brouwers D, Shulkin L, et al. Deep drawing of round cups from tailor-welded blanks[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1995, 53(3/4): 684-694.