CN101169642A - 差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光拼焊板成形研究领域，主要应用于差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形的场合。本发明针对激光拼焊板布置不同形式的曲线焊缝，通过焊缝移动解析模型和焊缝精确建模方法得到合理的焊缝布置，提高拼焊板的成形性能；基于变压边力、变冲压速度、焊缝夹紧柱、拼焊板厚侧母材设计工艺孔等先进成形技术，来改善材料流动，实现差厚高强度钢激光拼焊板的曲线焊缝布置和良好成形。通过本方法可以对拼焊板曲线焊缝进行优化布置，提高曲线焊缝拼焊板的成形性能，用途广泛。

Description

差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形方法

技术领域

本发明属于拼焊板冲压成形领域，特指一种差厚高强度钢激光拼焊板的曲线焊缝布置和成形方法，主要应用于采用曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板来设计制造车身覆盖件的场合。曲线焊缝能够更好地适应车身覆盖件零件大尺寸、复杂空间曲面的特点。采用本方法可以实现差厚高强度钢激光拼焊板的焊缝布置，增加曲线焊缝布置的灵活性，提高拼焊板的成形性能，保证成形质量。

背景技术

拼焊板是指将两块或两块以上的平板料焊接在一起进行冲压以满足车身不同部位零件的性能厚度等要求。这些板料可以完全相同，也可以具有不同的厚度、机械性能和电镀类型。拼焊板冲压成形同时克服了传统分离成形方法和整体成形方法的缺点。对差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形方法进行研究，可以为其在车身制造中的应用提供理论和技术指导。

德国蒂森克虏伯公司研究了不同的焊缝形状和位置对重量减轻的影响，在满足零件结构要求的情况下，通过不同的焊缝布置形式，可以设计出多种门板以达到板料重量减轻的目的，但并未具体说明不同焊缝布置对板料成形性能的影响结果。

Klaus Siegert在对三块不同厚度组合的拼焊板进行实冲试验时布置了不同的焊缝位置(图1)，一条焊缝是直线焊缝，一条是斜线焊缝(与材料流动方向存在夹角)。成形过程说明了斜线焊缝部分是板料成形关键区域，而且随着这二种焊缝位置的不同，拼焊板成形性能的差异也较大。作者在后续的研究中指出合理的焊缝布置可以优化焊缝移动，并提出了曲线焊缝可以抑止焊缝移动，但他没有进行具体分析。

Ghassan T.Kridli利用极限拱顶高试验，研究了三种不同位置的焊缝(图2：焊缝与中心线成45°，在中心线的横向焊缝，从中心线向薄侧偏移的横向焊缝)对铝合金拼焊板成形性能的影响，结果表明焊缝位置对成形性能有很大的影响：45°焊缝的成形性能要好于其他二种焊缝布置。作者在这里对斜线焊缝进行了研究，但并未对不同位置的斜线焊缝进行具体的研究。

上述研究主要涉及不同焊缝位置对拼焊板成形性能的影响，并未对曲线焊缝的布置和成形进行具体研究。曲线焊缝布置比较灵活，在减轻板料重量、提高拼焊板成形性能上更具优势，同时采用合适的曲线焊缝布置可以减小冲压过程中的焊缝移动量，因此有必要在拼焊板中引入曲线焊缝，本发明就是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明主要对高强度钢激光拼焊板布置不同形式的曲线焊缝并提供成形方法，以在保证成形质量的前提下提高车身覆盖件设计的灵活性。本发明应用焊缝移动解析模型和焊缝精确建模方法来实现差厚高强度钢激光拼焊板的曲线焊缝布置和良好成形；本发明采用变压边力、变冲压速度、焊缝夹紧柱和成形工艺孔等先进成形技术，来控制焊缝移动量、改善拼焊板成形时材料流动，实现差厚高强度钢激光拼焊板的曲线焊缝布置，获得良好的成形效果。

曲线焊缝的具体布置方式灵活多样，本发明对曲线焊缝采用带有一定角度变化的布置方式(图3)，与实际应用中的车身覆盖件焊缝布置相符。焊缝移动对拼焊板的成形性能具有较大的影响，曲线焊缝布置的依据是：(1).尽可能获得较小的焊缝移动量；(2).拼焊板成形质量良好。

1.焊缝移动解析模型预测计算焊缝移动量(图4)。

差厚高强度钢激光拼焊板的厚度分别为t_A和t_B(t_A＜t_B)，F₁和F₂表示作用于1和2二个方向上的外力。所布置曲线焊缝的斜线段焊缝可以用焊缝上的点到板料中心线M₁M₂的距离d表示，用s表示焊缝上的点投影到M₁M₂后到板料中心线N₁N₂的距离(图4b)，可得薄侧母材的焊缝移动量：

$D={\mathrm{\β}}^A{\mathrm{\ϵ}}_1^A(L_A+d)$

其中ε₁ ^A表示薄侧母材在1方向上的应变大小，β^A表示薄侧母材在2方向上的应变与1方向上应变的比值。

所布置曲线焊缝与板料中心线具有一定的角度关系，在材料参数一定的情况下，焊缝移动量与角度θ有关，随着焊缝角度的增大焊缝移动呈现增小的趋势。

2.应用焊缝精确建模方法对拼焊板进行有限元分析。

通过应用Abaqus有限元软件对母材采用壳单元、焊缝采用体单元对拼焊板进行精确建模，提高有限元分析精度，提高成形质量。

3.针对曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板，采用不同的冲压技术和辅助工艺，实现曲线焊缝零件的成形。

(1)对于曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板，分别采用线性渐减的变压边力(图5)或线性渐减的变冲压速度技术(图6)减小薄侧材料的应变集中，降低焊缝移动量，改善成形性能，实现曲线焊缝零件的成形。

(2)针对曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板，同时采用线性渐减的变压边力与线性渐减的变冲压速度技术，实现曲线焊缝零件的成形。

(3)针对曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板，在厚侧母材采用夹紧柱以及在厚侧母材设计圆形工艺孔(图7)，以增加厚侧材料的流动，使厚侧板料变形更加充分，曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板变形更加均匀。

对于不同曲线焊缝的高强度钢激光拼焊板成形，随着焊缝角度的增大，焊缝移动量呈现减小的趋势；随着布置角度的增大，薄侧母材焊缝区域的变形程度在减弱，成形较安全，最终确定角度在120°至150°范围内的焊缝布置可以获得较好的拼焊板的成形。

本发明的优点：

本发明主要是通过焊缝移动解析模型和焊缝精确建模方法，实现曲线焊缝的布置，保证曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板具有良好的成形性能。

本发明在差厚高强度钢激光拼焊板引入变压边力、变冲压速度、采用焊缝夹紧柱、工艺孔等先进成形技术，实现差厚高强度钢激光拼焊板的曲线焊缝布置。

附图说明

图1 Klaus Siegert实冲试验焊缝布置

图2 Ghassan T.Kridli极限拱顶高试验焊缝布置

图2(a)焊缝与中心线成45°

图2(b)在中心线的横向焊缝

图2(c)从中心线向薄侧偏移的横向焊缝

图3曲线焊缝布置方式

图4焊缝移动解析模型

图4(a)三维模型    图4(b)三维模型俯视图

图5线性渐减的变压边力加载技术

图6线性渐减的变冲压速度加载技术

图7焊缝夹紧柱和工艺孔示意图

图中：1.垂直焊缝  2.斜线焊缝  3.材料流动方向  4.薄侧母材5.厚侧母材  6.横向焊缝  7.Φ101.6mm的凸模  8.Φ132.6mm的压边圈9.曲线焊缝  10.斜线段焊缝  11.夹紧柱  12.工艺孔

具体实施方式

本发明以车身覆盖件所用激光拼焊板作为研究对象，应用焊缝移动解析模型和焊缝精确建模方法，实现差厚高强度钢激光拼焊板的曲线焊缝布置和良好成形；基于变压边力、变冲压速度、采用焊缝夹紧柱、成形工艺孔等先进成形技术来实现差厚高强度钢激光拼焊板的曲线焊缝布置和良好成形。

(1)曲线焊缝布置以图3为例，根据焊缝移动解析模型预测计算曲线焊缝移动量。

差厚高强度钢激光拼焊板的厚度分别为t_A和t_B(t_A＜t_B)，F₁和F₂表示作用于1和2二个方向上的外力。所布置曲线焊缝的斜线段焊缝可以用焊缝上的点到板料中心线M₁M₂的距离d表示，用s表示焊缝上的点投影到M₁M₂后到板料中心线N₁N₂的距离(图4b)，可得薄侧母材的焊缝移动量：

$D={\mathrm{\β}}^A{\mathrm{\ϵ}}_1^A(L_A+d)$

其中ε₁ ^A表示薄侧母材在1方向上的应变大小，β^A表示薄侧母材在2方向上的应变与1方向上应变的比值。

(2)应用Abaques有限元分析软件对拼焊板焊缝进行精确建模，通过焊缝布置形状的改变得到拼焊板的成形性能。

对母材采用壳单元、焊缝采用体单元对拼焊板进行精确建模，提高有限元分析精度，提高成形质量。

针对曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板，实施例采用不同的冲压技术和辅助工艺的，实现曲线焊缝零件的成形：

实施例1：对曲线焊缝差厚高强度钢拼焊板冲压过程中分别采用台阶压边圈加载随凸模行程线性渐减的变压边力(见图5)，或采用线性渐减的变冲压速度技术(图6)可以控制板料流动的方向和大小，保证曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板获得了较好的成形性能。

实施例2：同时采用线性渐减的变压边力和线性渐减的变冲压速度技术，并对这二种技术进行协调优化，提高曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板的成形性能。

实施例3：在厚侧母材靠近焊缝处设计5个夹紧柱控制焊缝移动，并在厚侧母材靠近焊缝处设计圆形半径为100mm的工艺孔(图7)，来增加厚侧材料的流动，使得厚侧板料变形更加充分，实现差厚高强度钢激光拼焊板获得了较好的成形性能。

不同形状的曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板，在120°至150°范围内的焊缝布置可以获得较好的成形性能。如果所布置的曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板成形性能较差或无法成形，可以采用变压边力、变冲压速度、采用焊缝夹紧柱、成形工艺孔等先进成形技术来实现成形。

Claims (4)

1.一种差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)焊缝移动解析模型预测计算焊缝移动量

差厚高强度钢激光拼焊板的厚度分别为t_A和t_B(t_A＜t_B)，F₁和F₂表示作用于1和2二个方向上的外力；所布置曲线焊缝的斜线段焊缝可以用焊缝上的点到板料中心线M₁M₂的距离d表示，用s表示焊缝上的点投影到M₁M₂后到板料中心线N₁N₂的距离，得薄侧母材的焊缝移动量：

$D={\mathrm{\β}}^A{\mathrm{\ϵ}}_1^A(L_A+d)$

其中ε₁ ^A表示薄侧母材在1方向上的应变大小，β^A表示薄侧母材在2方向上的应变与1方向上应变的比值；

(2)应用焊缝精确建模方法对拼焊板进行有限元分析

应用Abaqus有限元软件对母材采用壳单元、焊缝采用体单元对拼焊板进行精确建模；

(3)针对曲线焊缝差厚高强度钢激光拼焊板，采用不同的冲压技术和辅助工艺，实现曲线焊缝零件的成形。

2.根据权利要求1所述的差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形方法，其特征是分别采用线性渐减的变压边力或线性渐减的变冲压速度技术，实现曲线焊缝零件的成形。

3.根据权利要求1所述的差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形方法，其特征是同时采用线性渐减的变压边力与线性渐减的变冲压速度技术，实现曲线焊缝零件的成形。

4.根据权利要求1所述的差厚高强度钢激光拼焊板曲线焊缝布置和成形方法，其特征是所述的辅助工艺为在厚侧母材采用夹紧柱以及在厚侧母材设计圆形工艺孔使厚侧板料变形更加充分，实现曲线焊缝零件的成形。

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