CN101354731B - 差厚激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及差厚激光拼焊板失效判据的建立和使用方法。建立方法为：拼焊板成形极限图由焊接区材料、拼焊后薄侧母材的成形极限曲线组合而成；焊接区材料的成形极限曲线采用M-K理论，结合焊接区材料的性能参数计算获得；拼焊后薄侧母材的成形极限曲线基于厚度梯度准则，结合对拼焊板成形极限试验的有限元仿真计算获得。使用方法为：测得拼焊板零件危险部位的应变值，将其区分为焊接区、薄侧母材的应变；将测得的应变与其对应的焊接区、拼焊后薄侧母材的成形极限曲线进行比较，判断拼焊板零件失效与否。本发明能准确建立差厚激光拼焊板成形极限图，成功预测拼焊板失效，有效评价其成形性能。
Description
技术领域
本发明涉及板料成形加工领域，涉及差厚激光拼焊板失效判据的建立和使用方法，主要用于准确判断差厚激光拼焊板的颈缩或破裂，评价其成形性能。
背景技术
差厚激光拼焊板是指将两块不同厚度的薄板材料在落料后、冲压成形前采用激光焊接在一起，以满足不同部位零件的性能厚度等要求。差厚激光拼焊板具有减轻车身重量、提高安全性、降低制造成本等众多优势，目前已在欧、美、日各大汽车厂的整车制造中得到广泛应用，国内一汽奥迪A6的前地板、上海大众的Polo轿车中央通道也采用了激光拼焊板进行冲压生产。
由不均匀变形引起的颈缩或破裂是差厚激光拼焊板的成形难题。为了得到所需形状，人们迫切需要了解差厚激光拼焊板的成形性能，判断其在成形过程中何时、何处会发生失效，从而采取措施加以避免。如何准确判断差厚激光拼焊板的失效，有效评价其成形性能成为汽车和钢铁工业界十分关心的问题。
成形极限图(Forming limit diagram，简称FLD)能反映板材在不同应变状态和成形工作模式下的可变形程度，是评价其成形性能最直观、有效的方法。由于母材性质差别、焊缝的存在改变了板材的均匀性和连续性，传统单一板的FLD已不适于描述差厚激光拼焊板的成形极限，工程中迫切需要准确建立差厚激光拼焊板的FLD，以正确、有效地评价其成形性能。
国内外学者对差厚激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法已进行了一些探索。目前差厚激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法主要有：
1)仅考虑拼焊板中焊缝材料的成形极限，将焊缝的成形极限曲线(Forminglimit curve，简称FLC)作为拼焊板的失效判据。采用M-K理论，引入Hosford’1979屈服准则，结合焊缝材料的性能参数计算获得焊缝的FLC；M-K理论中所需初始不均度值f0通过对焊缝材料的单拉极限应变值(ε1，ε2)样本进行统计分析获得；(ε1，ε2)样本通过对仅包含焊缝材料的微型试件进行单拉试验测得。
将焊缝材料的FLC作为拼焊板的失效判据仅能判断焊缝失效，无法反映拼焊板母材的失效；将焊缝分割出来单独研究其成形极限，无法反映焊缝与热影响区部位的实际成形特点。
2)将焊接区(包括焊缝和热影响区)、拼焊前母材的FLC组合成拼焊板的成形极限图；拼焊前母材的FLC采用经验公式计算获得，焊接区的FLC通过半球凸模胀形试验建立。其使用方法为：当焊缝位于高应变区时，采用焊接区的FLC判断失效；当焊缝远离高应变区时，采用拼焊前母材的FLC判断失效。
这种方法仅能判断焊接区材料、拼焊前母材的失效，而无法反映拼焊后母材的失效；在拼焊板成形极限试验中，焊接区材料的颈缩现象难以捕捉，难以获得稳定的试验结果。
3)仅考虑拼焊后薄侧母材的成形极限，仅用拼焊后薄侧母材的FLC判断拼焊板的失效。拼焊后薄侧母材的FLC通过试验法和理论计算法获得，试验法是通过半球凸模胀形试验建立拼焊后薄侧母材的FLC；理论计算法有：(1).考虑应变速率敏感指数m的影响，假设存在包含拼焊板薄、厚母材性质的本构关系，推导拼焊后薄侧母材FLC的计算公式；(2).将各向异性损伤模型引入Ls-Dyna仿真软件，对拼焊板成形极限试验进行仿真，结合损伤集中失稳准则计算获得拼焊后薄侧母材的FLC。
将拼焊后薄侧母材的FLC作为失效判据仅能判断拼焊后母材的失效，无法反映焊接区材料的失效；拼焊板成形极限图的试验制作过程十分繁杂，且受到试验条件和测量方法的影响，难以获得稳定的试验数据。
如上所述，目前差厚激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法均存在局限性，工程中迫切需要准确建立差厚激光拼焊板成形极限图，以正确、有效地评价其成形性能，从而在实际冲压生产中起到指导作用。本发明就是在这种背景下产生的。
发明内容
针对目前差厚激光拼焊板成形极限图建立、使用方法存在的局限性，本发明提供一种差厚激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法，用于准确判断差厚激光拼焊板的颈缩或破裂，有效评价其成形性能。
本发明综合考虑焊接区材料、拼焊后薄侧母材的失效，将焊接区材料、拼焊后薄侧母材的FLC组合建立差厚激光拼焊板的成形极限图。本发明采用以下技术方案来实现：
1.采用M-K失稳理论，引入Hosford屈服函数，结合焊接区材料的性能参数计算获得焊接区材料的FLC。M-K理论中的初始不均度值f0通过对焊接区材料的单拉极限应变值即真实主应变、次应变(ε1，ε2)样本进行统计分析获得；焊接区材料的单拉极限应变值(ε1，ε2)，焊接区材料的性能参数如应***化指数n、强度系数K等通过对焊缝布置为平行于拉伸方向的拼焊板进行单拉试验获得。
2.基于厚度梯度准则，结合对拼焊板成形极限试验的有限元仿真计算获得拼焊后薄侧母材的FLC。仿真中拼焊板成形极限试验采用半球凸模胀形试验法，拼焊板试件中焊缝布置为垂直于主应变方向；当拼焊板试件的厚度梯度值R达到或接近厚度梯度极值Rc时，其主应变最大节点的主、次应变值即为该试件的极限应变，测得各个试件的极限应变值并标绘成拼焊后薄侧母材的FLC。
3.将计算获得的焊接区材料FLC、拼焊后薄侧母材的FLC同时标绘到主、次应变坐标系中，即可建立差厚激光拼焊板的成形极限图。
4.所述步骤建立的差厚激光拼焊板的成形极限图的使用方法为：首先测得拼焊板零件危险部位的应变，并将其区分为焊接区材料的应变、拼焊后薄侧母材的应变；再分别将焊接区材料、拼焊后薄侧母材的应变与其对应的焊接区材料FLC、拼焊后薄侧母材FLC进行比较，若测得应变值达到或超过与其对应的FLC，认为拼焊板零件发生失效；若焊接区材料、拼焊后薄侧母材的应变均低于与之对应的FLC，认为拼焊板零件可以成功成形。
5.在使用时，对于一系列不同钢种、不同电镀类型、不同厚度钢板焊接而成的差厚激光拼焊板，将它们的焊接区材料FLC、拼焊后薄侧母材FLC进行比较，焊接区材料、拼焊后薄侧母材FLC位置均最高的拼焊板成形性能最佳；反之，焊接区材料、拼焊后薄侧母材FLC位置均最低的拼焊板成形性能最差。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)本发明综合考虑焊接区材料、拼焊后薄侧母材的失效，将焊接区材料、拼焊后薄侧母材的FLC组合建立差厚激光拼焊板的成形极限图，能够同时判断焊接区材料、拼焊后薄侧母材的颈缩或破裂，真实反映了差厚激光拼焊板在实际成形中的失效特点。
2)本发明通过理论计算法建立焊接区材料、拼焊后薄侧母材的FLC，避免了进行过程繁杂、耗时耗材的差厚激光拼焊板成形极限图试验；能够准确获得焊接区材料、拼焊后薄侧母材开始颈缩时的极限应变值，免于受到试验条件、测量方法的影响，准确、快速地建立差厚激光拼焊板的成形极限图。
附图说明
图1差厚激光拼焊板的组成结构示意图
1厚侧母材 2焊缝 3热影响区 4薄侧母材
图2焊接区材料成形极限曲线的建立方法
(a)M-K理论模型原理图
5均匀区A 6凹槽区B
(b)焊接区材料初始不均度f0样本的建立方法
7焊接区材料单拉极限应变值(ε1，ε2)样本 8取不同f0值计算获得的一系列理论FLC
图3拼焊后薄侧母材成形极限曲线的建立方法
(a)半球凸模胀形试验的有限元计算模型图
9阶梯凹模 10拼焊板试件 11焊缝 12平底压边圈 13半球凸模
(b)仿真中厚度梯度值R的计算方法示意图
14厚度最小处的单元15厚度最小处的相邻单元16厚度最小处的节点17厚度最小处的相邻节点
图4差厚激光拼焊板的成形极限图
18拼焊后薄侧母材的FLC 19焊接区材料的FLC
图5差厚激光拼焊板成形极限图的使用方法
(a)差厚激光拼焊板成形盒形件示意图
20焊缝21拼焊板盒形件的危险区域
(b)拼焊板盒形件危险区域应变与差厚激光拼焊板FLD的比较
22拼焊后薄侧母材危险区域的应变 23焊接区材料危险区域的应变
(c)差厚激光拼焊板成形半球胀形件示意图
20焊缝 24拼焊板胀形件的危险区域
(d)半球胀形件危险区域应变与差厚激光拼焊板FLD的比较
25拼焊后薄侧母材危险区域的应变 26焊接区材料危险区域的应变
具体实施方式
下面结合所附图1～图5说明采用本发明提出的方法来建立和使用差厚激光拼焊板成形极限图所需要的细节。
1.差厚激光拼焊板主要由厚侧母材(1)、焊缝(2)、热影响区(3)和薄侧母材(4)这几部分组成，如图1所示。
2.差厚激光拼焊板焊接区材料FLC的建立方法。
其中图2(a)为M-K理论模型原理图。σ1与σ2分别代表第一主应力方向和第二主应力方向，在承受双向拉应力的板料表面，与第一主应力σ1垂直的方向上存在初始不均度f0＝t0B/t0A，其中t0A和t0B分别为均匀区A(5)和凹槽区B(6)的初始厚度。
图2(b)为焊接区材料初始不均度f0样本的建立方法。采用M-K模型，结合Hosford屈服函数和焊接区材料的性能参数，取不同的f0值计算获得一系列理论FLC(8)；通过判断焊接区材料单拉极限应变值(ε1，ε2)(7)落在理论FLC(8)上的次数，建立初始不均度值f0的样本。根据f0的样本建立其分布函数，定义0.1％的失效概率即可获得焊接区材料的初始不均度f0。最终计算获得焊接区材料的FLC。
3.差厚激光拼焊板拼焊后薄侧母材FLC的建立方法。
其中图3(a)为半球凸模胀形试验的有限元计算模型图。随着半球凸模(13)向上运动，拼焊板试件(10)在凸模力的作用下产生胀形，逐渐达到极限状态。当拼焊板试件(10)的厚度梯度R达到或接近厚度梯度极值Rc时，其主应变最大节点的主、次应变值即为该试件的极限应变；测得各个试件的极限应变值，即可标绘成拼焊后薄侧母材的FLC。
图3(b)介绍的是仿真中厚度梯度值R的计算方法。首先找出厚度最小的节点(16)，确定该点为颈缩位置；在垂直于颈缩方向找到与节点(16)相邻的节点(17)，采用节点(16)的厚度tI除以节点(17)的厚度tII来获得厚度比tI/tII，再以厚度比tI/tII除以节点(16)与节点(17)之间的距离d获得厚度梯度R。单元(14)、(15)是相邻的两个单元，单元(14)为厚度最小处的单元。
4.采用本发明提出的方法建立差厚激光拼焊板的成形极限图。
如图4所示，分别采用图2、图3所述方法建立焊接区材料的FLC(19)、拼焊后薄侧母材的FLC(18)，将它们标绘到主、次应变坐标系中，即可建立差厚激光拼焊板的成形极限图。
5.应用本发明所建立的差厚激光拼焊板成形极限图能够成功预测拼焊板失效，有效评价其成形性能。
实施例1：图5(a)所示为差厚激光拼焊板成形盒形件试样，危险区域(21)为盒形件薄侧的圆角和侧壁位置；测得拼焊板盒形件危险区域的应变并将其区分为拼焊后薄侧母材的应变(22)、焊接区材料的应变(23)，将它们标绘到差厚激光拼焊板成形极限图中，如图5(b)所示；可以看出，拼焊后薄侧母材危险区域的应变值(22)均低于拼焊后薄侧母材的FLC(18)，焊接区材料危险区域的应变值(23)均低于焊接区材料的FLC(19)，说明该盒形件零件能够成功成形。
实施例2：图5(c)所示为差厚激光拼焊板成形半球胀形试件，危险区域(24)位于半球胀形件的顶部区域；测得拼焊板半球胀形件危险区域的应变并将其区分为拼焊后薄侧母材的应变(25)、焊接区材料的应变(26)，标绘到差厚激光拼焊板成形极限图中，如图5(d)所示；可以看出，焊接区材料危险区域的应变值(26)均低于焊接区材料的FLC(19)，而拼焊后薄侧母材危险区域的应变值(25)已超过拼焊后薄侧母材的FLC(18)，说明该零件顶部危险区域(24)已发生颈缩或破裂，在现有工艺条件下该半球胀形件无法成功成形。
本发明所述差厚激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法能准确建立其成形极限图，成功预测拼焊板失效，有效评价其成形性能。
Claims (6)
1.差厚激光拼焊板成形极限图的建立方法，其特征在于差厚激光拼焊板的成形极限图由焊接区(包括焊缝和热影响区)、拼焊后薄侧母材的成形极限曲线组合而成；焊接区的成形极限曲线采用M-K失稳理论，引入Hosford屈服函数，结合焊接区材料的性能参数计算获得；拼焊后薄侧母材的成形极限曲线基于厚度梯度准则，结合对拼焊板成形极限试验的有限元仿真计算获得；基于厚度梯度准则建立拼焊后薄侧母材的成形极限曲线时，仿真中拼焊板成形极限试验采用半球凸模胀形试验法，拼焊板试件中焊缝均布置为垂直于主应变方向；当拼焊板成形极限试件的厚度梯度值R达到或接近厚度梯度极值RC时，该时间步长中主应变最大的节点的主、次应变值即为该试件的极限应变；测得各个试件的极限应变值即可标绘成拼焊后薄侧母材的成形极限曲线。
2.根据权利要求1所述的差厚激光拼焊板成形极限图的建立方法，其特征在于采用M-K理论计算焊接区材料的成形极限曲线时，M-K理论中的初始不均度值f0是通过对焊接区材料的单拉极限应变值(ε1，ε2)样本进行统计分析获得；焊接区材料的(ε1，ε2)样本、性能参数如应***化指数n、强度系数K等通过对焊缝布置为平行于拉伸方向的差厚激光拼焊板进行单拉试验获得。
3.根据权利要求1所述差厚激光拼焊板成形极限图的建立方法，其特征在于仿真中厚度梯度值R的计算方法为：首先找出厚度最小的节点I，确定该处为颈缩位置；在垂直于颈缩方向找到与节点I相邻的节点II，采用节点I的厚度tI除以节点II的厚度tII获得厚度比tI/tII，再以厚度比tI/tII除以节点I与节点II之间的距离d即可获得拼焊后薄侧母材的厚度梯度值R。
4.根据权利要求1所述差厚激光拼焊板成形极限图的建立方法，其特征在于厚度梯度极值RC的计算方法为：首先模拟薄侧母材的单向拉伸试验，当单拉试件变形达到最大伸长率时认为材料达到颈缩极限，计算此时的厚度梯度值，作为拼焊板成形极限试验有限元模拟中的厚度梯度极值RC。
5.根据权利要求1、2所述方法建立的差厚激光拼焊板成形极限图的使用方法，其特征在于测得拼焊板零件危险部位的应变，将其区分为焊接区、拼焊后薄侧母材的应变；分别将焊接区、拼焊后薄侧母材的应变与其对应的焊接区、拼焊后薄侧母材的成形极限曲线进行比较；若测得应变达到或超过与其对应的成形极限曲线，说明拼焊板零件发生失效；若焊接区、拼焊后薄侧母材的应变均低于与其对应的成形极限曲线，说明拼焊板零件可以成功成形。
6.根据权利要求5所述差厚激光拼焊板成形极限图的使用方法，其特征在于对于不同钢种、不同电镀类型、不同厚度钢板焊接而成的激光拼焊板，通过比较它们的焊接区材料、母材成形极限曲线的高度，判断其成形性能的优劣；焊接区材料、拼焊后薄侧母材成形极限曲线位置均最高的拼焊板成形性能最佳；焊接区材料、拼焊后薄侧母材成形极限曲线位置均最低的拼焊板成形性能最差。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100623 Termination date: 20140219 |