甘 勇，張秋鋒，馬 婉，于江豪

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

激光拼焊板焊接是對(duì)不同材料、厚度、涂層等板材進(jìn)行激光焊接，以滿足組件對(duì)材料性能和厚度的不同要求[1]。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中廣泛使用[2]，其優(yōu)點(diǎn)在于激光焊接可以形成較窄的熔融區(qū)和熱影響區(qū)，但由于焊縫的存在造成拼焊板在成形過程中出現(xiàn)起皺、焊縫移動(dòng)及回彈等問題[3]，降低了激光拼焊板的性能，也限制了其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。國內(nèi)外對(duì)此均有研究，文獻(xiàn)[5]采用有限元分析的方法研究了單向拉伸、平面應(yīng)變等典型應(yīng)變狀態(tài)下不同焊縫建模的方式對(duì)拼焊板成形性的影響，研究表明焊縫建模方式對(duì)拼焊板成形性有較大影響。文獻(xiàn)[6-7]首先用單向拉伸實(shí)驗(yàn)和有限元方法研究焊縫方向?qū)ζ湫阅艿挠绊懀?dāng)焊縫角度較小斷裂發(fā)生在焊縫處且隨角度的增大延伸率增大。緊接著又采用單向拉伸試驗(yàn)和極限脹形分析方法研究焊縫對(duì)拼焊板成形性的影響，其結(jié)果表明在不同應(yīng)變狀態(tài)下考慮焊縫不同參數(shù)范圍能有效的控制拼焊板的成形性。文獻(xiàn)[8]則通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)來確定焊縫性能，其試驗(yàn)中把焊縫區(qū)及熱影響區(qū)當(dāng)作焊縫材料進(jìn)行均勻處理。文獻(xiàn)[9]研究在不同板厚比下拼焊板的成形性時(shí)，運(yùn)用拉伸、金相學(xué)和顯微硬度測(cè)試的方法研究了焊縫的機(jī)械性能，研究結(jié)果為隨著板厚比的增加，均勻伸長率降低，并表明了最小主應(yīng)變是比較不同板厚比成形性較好的措施。針對(duì)拼焊板的研究大都集中在直線形的普通焊縫形式，其非線性焊縫形式的工程拼焊板的研究還相對(duì)較少。對(duì)此，通過焊縫形式對(duì)其性能和成形性進(jìn)行研究。

2 拉伸模型建立

2.1 材料

本實(shí)驗(yàn)基板采用DC56D+Z寶鋼超低碳鋼，其板材化學(xué)組成成分，如表1所示?；逦锢韰?shù)，如表2所示。主要針對(duì)不同焊縫形式拼焊板的性能來進(jìn)行研究對(duì)比，因此拼焊板板材選用同質(zhì)同厚的板材，焊縫形式則分別采用折線、弧線以及直線形式來進(jìn)行其拉伸性能的比較分析。

表1 基板化學(xué)組成成分Tab.1 Chemical Composition of Substrate

表2 基板材料物理參數(shù)Tab.2 Physical Parameters of Substrate Material

2.2 拉伸試樣

拼焊板拉伸試驗(yàn)采用GB/T 228-2002標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，樣式尺寸，如圖1所示。對(duì)比了不同焊縫形式對(duì)拼焊板的影響，為了增加試驗(yàn)的可對(duì)比性，保證每個(gè)焊縫圍成的母材面積相等[10]。選取拉伸試驗(yàn)的中間尺寸（60×20）mm長方形來作為焊縫選取的基本標(biāo)準(zhǔn)，折線焊縫的選取示意圖，如圖2所示。以X軸為長方形的對(duì)稱軸，選擇固定焊縫折點(diǎn)T在X軸上，使得其中一邊線垂直于X軸，另一邊線以垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度。分別選取θ=20°、30°、45°折線焊縫，令T點(diǎn)為（x，0），b點(diǎn)為（xb，10），由焊縫兩側(cè)面積相等所得方程為：2x+5tanθ=60。圓弧半徑為180mm的拼焊板其焊縫形式同樣以其折線焊縫形式選取方式進(jìn)行，來保證板材兩側(cè)面積相等，直線焊縫則以中間位置為其拼焊板焊縫形式。本次拼焊板焊接方法采用激光焊中的熱傳導(dǎo)焊，其特點(diǎn)在于：熱傳導(dǎo)焊接功率密度小、熔深淺、焊接速度慢，能形成較小的深寬比和較小的焊縫寬度。其焊接參數(shù)，如表3所示。焊接后的板材式樣，如圖3所示。研究中采取焊接各焊縫樣式板材兩份，便于后期進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比。

圖1 拉伸試驗(yàn)尺寸Fig.1 Tensile Pattern Size

圖2 折線焊縫選取Fig.2 Selection of Broken Line Weld

表3 焊接參數(shù)Tab.3 Welding Parameters

圖3 焊接板材Fig.3 Welding Sheet

3 有限元拉伸分析及其驗(yàn)證

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)無焊縫普通基板進(jìn)行軸向拉伸分析，將板材物理性能參數(shù)輸入該軟件中，建模過程的分析應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，且需要進(jìn)行質(zhì)量縮放來節(jié)約運(yùn)行時(shí)間。但為了確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次質(zhì)量縮放從初始步就開始以105來對(duì)板材的運(yùn)行進(jìn)行節(jié)約仿真運(yùn)算時(shí)間。然后對(duì)板材進(jìn)行精密網(wǎng)格劃分，接著對(duì)板材進(jìn)行載荷分析，板材一側(cè)兩面夾緊進(jìn)行完全固定，另一端則以5mm·min-1的速度進(jìn)行拉伸。最后進(jìn)行工作提交，提交完成后的拉伸仿真結(jié)果，如圖4（a）所示。從應(yīng)力表中可以清晰的看出拉伸斷裂的最大應(yīng)力為325.8MPa，且斷裂位置靠近板材式樣中間。曲線1和2分別是仿真結(jié)果和拉伸機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變圖，如圖4（b）所示。圖中：線1—仿真結(jié)果擬合曲線；線2—試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線圖。從圖中可以看出仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較小差距，且仿真中最大應(yīng)力比試驗(yàn)中的應(yīng)力較高，這可能由于仿真中輸入的物理參數(shù)量較少而不能完全實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。

圖4 無焊縫拉伸Fig.4 No Weld Stretch

在對(duì)拼焊板進(jìn)行拉伸時(shí)，由于不能確定焊接處焊縫的物理性質(zhì)，則直接對(duì)焊接處不同焊縫形式的拼焊板板材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。拉伸斷裂后的圖形，如圖5（a）所示。圖中可以看出拼焊板斷裂位置在板材一側(cè)并相對(duì)垂直于拉伸的應(yīng)力方向，且各種焊縫形式拼焊板板材的斷裂位置大致相同，相對(duì)于無焊縫基板的斷裂位置偏下。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的應(yīng)力應(yīng)變曲線和位移載荷曲線，如圖5（c）、圖5（d）所示。圖中：每條線型對(duì)應(yīng)板材的每個(gè)編號(hào)，線1—無焊縫式樣；線2—直線焊縫式樣；線3—θ=20°折線焊縫；線4—θ=30°折線焊縫；線5—折線θ=45°焊縫；線6—半徑R=180mm的圓弧焊縫。從曲線圖中可以清晰的看出各焊縫形式拼焊板板材的最大力和抗拉強(qiáng)度都相差不大，且稍比普通基板要高，而應(yīng)變和位移量卻明顯較基板小很多。由于激光焊接拼焊板焊接位置有焊接珠存在，使得其強(qiáng)度和硬度有所提高，延展性較低于母板材料[11]，所以造成其位移量的減少。因激光拼焊板焊接位置的焊縫強(qiáng)度比基板高引起斷裂位置發(fā)生在基板處，且由于焊縫對(duì)板材的伸長量的影響，將拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的描述出來，如表4所示。對(duì)比各焊縫形式拼焊板的性能可看出折線焊縫拼焊板比其直線和圓弧焊縫形式拼焊板的抗拉強(qiáng)度都高，抗拉強(qiáng)度最高的為θ=20°的折線焊縫形式，抗拉強(qiáng)度為320.64MPa。

圖5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Tensile Test Results

表4 試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test Results

對(duì)比相同焊縫板材的拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從其拉伸方向相對(duì)折線相反的方向進(jìn)行軸向拉伸，其斷裂位置相同。θ=45°折線焊縫拉伸，如圖5（b）所示，分別采用折線偏向不同端進(jìn)行夾緊，板材5軸向拉伸方向與折線方向相同，板材11則與折向方向相反。兩組分別進(jìn)行拉伸后其斷裂位置都在折線偏向側(cè)。對(duì)其它折線形式的拼焊板也同樣進(jìn)行相對(duì)方向的軸向拉伸，發(fā)現(xiàn)其斷裂結(jié)果相同。這是由于在拉伸過程中，折線焊縫的存在使得拉伸時(shí)的應(yīng)力分散，折向處逐步形成了力的集中，使得在焊縫折向處發(fā)生斷裂。

4 金相學(xué)和硬度分析

4.1 金相學(xué)分析

通過金相顯微鏡觀察其拼焊板的基體材料、焊縫區(qū)微觀結(jié)構(gòu)，金相顯微鏡觀察下的微觀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。觀察到焊接位置具有狹窄的焊縫和較小的熱影響區(qū)，且在基材和焊縫之間存在清晰的邊界。圖中：ɑ—100倍的拼焊板焊縫處的結(jié)構(gòu)顯示；b—焊縫400倍下的微觀結(jié)構(gòu)；c—焊縫熱影響區(qū)400倍下的微觀結(jié)構(gòu)；d—基板400倍下的微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)不同，由于熱影響區(qū)是由焊接熱循環(huán)引起的梯度結(jié)構(gòu)區(qū)域，焊縫則處于板材鑄造的狀態(tài)[12]。由金相顯微圖中觀察到基體，如圖6（d）所示。板材材料的微觀結(jié)構(gòu)由鐵素體和珠光體組成。焊縫的微觀結(jié)構(gòu)由珠光體和馬氏體組成，如圖6（b）所示。熱影響區(qū)的則主要由鐵素體，珠光體和少量馬氏體組成，如圖6（c）所示。因拼焊板的機(jī)械性能由基板和焊縫的微觀結(jié)構(gòu)決定，而焊縫內(nèi)由于其他組織的出現(xiàn)造成其強(qiáng)度增加而韌性較差，使得板材在拉伸過程中的伸長率減小。其總體特性驗(yàn)證了在拉伸試驗(yàn)過程中板材的強(qiáng)度增大而伸長率降低的性能。

圖6 拼焊板微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of Welded Blanks

4.2 維氏硬度分析

由于硬度是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性的綜合性能指標(biāo)，則展開對(duì)拼焊板進(jìn)行硬度試驗(yàn)的測(cè)試。描述了拼焊板維氏硬度的分布，如圖7所示。總測(cè)量距離為1cm，在此距離內(nèi)測(cè)試11個(gè)點(diǎn)。以5kN的力對(duì)板材進(jìn)行壓入，測(cè)量中使用的拼焊板厚度為0.8mm/0.8mm。清楚的表明焊縫處的硬度最大，如圖7（a）所示。而焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)硬度值較低，但焊縫和熱影響區(qū)的硬度都比板材硬度高。對(duì)其壓痕處進(jìn)行顯微觀察，能清楚的顯示硬度分布趨勢(shì)，如圖7（b）所示。凹痕越小其硬度越大，焊縫處的小凹痕顯示出其較高的硬度，較普通板材硬度高56%左右。研究人員[13、14]表示，隨著熱影響區(qū)中的再結(jié)晶發(fā)生，硬度增加，并且在快速冷卻之后焊接部分的微觀結(jié)構(gòu)也變細(xì)。焊縫則是由于焊接過程中的重結(jié)晶而具有非常粗的晶粒尺寸的鐵素體顯微組織。焊接處具有較高的硬度，熔融區(qū)的硬度也高于基板，使得焊接位置的碳含量高于基板。則最終使得拼焊板焊縫位置的強(qiáng)度大，硬度高于其普通基板。

圖7 維氏硬度測(cè)試Fig.7 Vickers Hardness Test

5 極限成形性分析

5.1 Dynaform有限元仿真

由于拼焊板板材硬度和強(qiáng)度的增加，使得板材的塑性降低，這里則通過對(duì)拼焊板進(jìn)行杯突漲形實(shí)驗(yàn)的極限成形高度來驗(yàn)證其拼焊板的成形性，拼焊板沖壓模具尺寸示意圖（單位：mm），如圖8（a）所示。Dynaform有限元軟件建立模型，如圖8（b）所示。將模型的上模、下模、及壓邊設(shè)置為剛性體來減少仿真時(shí)形成的誤差，板材則分為焊接區(qū)域和普通基板。拼焊板兩側(cè)板材采用DC56D+Z超低碳鋼進(jìn)行沖壓，焊縫則采用應(yīng)變硬化指數(shù)n比板材相對(duì)較低的[15]材料進(jìn)行分析。由于本次研究不同焊縫形式的同厚同質(zhì)板材，所以并沒有采用拉延筋來控制流動(dòng)形式。板材分別選取0.7mm/0.7mm、0.8mm/0.8mm、0.9mm/0.9mm及1.0mm/1.0 mm兩種厚度形式，基板和焊縫網(wǎng)格均采用自適應(yīng)網(wǎng)格模式劃分為（1×1）mm。將θ=20°、30°、45°的折線轉(zhuǎn)化為圓形內(nèi)的折角則分別為160°、150°、135°的折角。沖壓模擬仿真的邊界條件，如表5所示。

圖8 杯突實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.8 Experimental Model of Cupping Process

表5 有限元邊界條件Tab.5 Finite Element Boundary Conditions

分別對(duì)其不同焊縫形式的拼焊板進(jìn)行仿真沖壓，觀察其開始斷裂深度及其斷裂位置，仿真結(jié)果為1mm厚圓弧焊縫形式，如圖9所示。成形極限圖，如圖9（a）所示。圖中可以看出在焊縫位置先發(fā)生斷裂，從焊縫的應(yīng)變成形極限圖中可以看到紅色曲線為斷裂極限。該沖壓形式下的沖壓深度為19.83mm，如圖9（b）所示。對(duì)于同質(zhì)等厚拼焊板，在沖壓成形中，兩側(cè)母材變形均勻，焊縫的成形能力要弱于其兩側(cè)的母材，往往提前發(fā)生破裂導(dǎo)致拼焊板提前失效。此時(shí)，焊縫成形能力直接決定了拼焊板的成形能力，所以受其焊縫的影響較大。

圖9 圓弧焊縫沖壓仿真Fig.9 Stamping Simulation of Circular Arc Welding Seam

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)不同厚度和不同焊縫形式的拼焊板進(jìn)行沖壓仿真，仿真結(jié)果，如圖10所示。圖中看出任何厚度的無焊縫板材的成形極限都比有焊縫形式的拼焊板成形性要高，且各焊縫形式的板材成形極限相差不大，圓弧焊縫和折線160°焊縫相對(duì)其他焊縫形式的拼焊板成形性較好。而厚度越厚拼焊板的成形極限越高。因其沖壓過程中折線焊縫能較好的將沖壓產(chǎn)生的應(yīng)力集中分配到各位置處來增大其沖壓成形，角度越大的焊縫其焊縫長度越長，對(duì)其力的分配能力更好。而在板材沖壓拉伸過程中，較厚板材能承受較大拉應(yīng)力而使得成形極限相對(duì)較高。對(duì)其板材進(jìn)行沖壓試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果，如圖11所示。厚1mm、折角160°的拼焊板板材板材，如圖11（a）所示。其成形高度為20.72mm，壓邊圓角位置有較小的開裂，試驗(yàn)結(jié)果較仿真結(jié)果高2.5%。厚0.8mm、折角160°的拼焊板板材，如圖11（b）所示。其成形高度為19.04mm，折角、板材均出現(xiàn)開裂，試驗(yàn)結(jié)果較仿真分析低0.58%。因其仿真過程的模具和板材之間的沖壓力及摩擦能更好的控制，導(dǎo)致試驗(yàn)與仿真結(jié)果有較小的誤差，但仿真實(shí)驗(yàn)依然能夠準(zhǔn)確的描述沖壓中板材中的應(yīng)力變形及開裂位置，使得在拼焊板模具設(shè)計(jì)過程中能有效的減少模具的制造和板材的損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，如圖10所示。無焊縫形式的成形極限最大；對(duì)于有焊縫的板材中，板材材料厚度1mm且焊縫形式為160°折線焊縫（θ=20°折線焊縫）時(shí)成形極限最大。

圖10 成形極限Fig.10 Forming Limit

圖11 沖壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Stamping Test Results

6 結(jié)論

對(duì)DC56D+Z工程拼焊板的機(jī)械性能和成形性進(jìn)行分析得出：工程拼焊板在軸向拉伸測(cè)試結(jié)果中，折線焊縫拼焊板比其直線和圓弧焊縫形式拼焊板的抗拉強(qiáng)度都高，抗拉強(qiáng)度最高的為θ=20°的折線焊縫形式，抗拉強(qiáng)度為320.64。金相組織和硬度分析在拼焊板焊縫和其熱影響區(qū)，因由于焊接過程中的較高溫度導(dǎo)致焊縫中組織較普通基板的組織發(fā)生變化，使其硬度變大，塑形性能降低，導(dǎo)致在拉伸過程中的強(qiáng)度增大而伸長率減小的主要原因。對(duì)板材進(jìn)行杯突漲形仿真其成形性及試驗(yàn)驗(yàn)證來測(cè)試其板材性能，結(jié)果表明各焊縫形式的拼焊板成形極限低于普通基板，且在焊縫處先發(fā)生開裂。對(duì)比相同焊縫形式不同厚度的拼焊板，厚度越厚拼焊板的成形極限越高。綜合研究表明，因強(qiáng)度的大小影響塑性變形和斷裂能力，而強(qiáng)度越大、硬度越高的板材塑形性能越低。工程拼焊板相對(duì)普通基板的強(qiáng)度較高，焊縫位置的硬度高于普通板材，最終導(dǎo)致在沖壓成形性的過程中極限高度降低。對(duì)于有焊縫的板材中，板材材料厚度1mm且焊縫形式為θ=20°折線焊縫時(shí)成形極限最大。