CN101733566A - 激光拼焊板成形性能的评价方法 - Google Patents

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鲍文华
戴轶
邢丹英
陈水生
胡巧声
孙成智
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Abstract

本发明公开了一种激光拼焊板成形性能的评价方法，包括以下步骤：A、针对一种材料匹配的激光拼焊板，选用不同球径的凸模进行胀形试验，建立d-i关系曲线，d为凸模球径，i为极限胀形高度与凸模球径的比值，确定对i值影响不显著的最小临界值C；B、选择球径d0≥C的凸模，以该激光拼焊板进行胀形试验，先使凸模中心与焊缝中心对齐，获得其极限胀形高度h；然后再用该凸模单独对激光拼焊板的弱侧板进行胀形试验，获得弱侧板的极限胀形高度h’，计算出比值R＝h/h’；C、改变该材料匹配激光拼焊板的板厚比E，重复步骤B，建立R-E关系曲线，以该R-E关系曲线中的R值作为标准值，评价相应板厚比的激光拼焊板的成形性能。

Description

激光拼焊板成形性能的评价方法
技术领域
本发明涉及金属板成形性能的评价方法，具体涉及激光拼焊板成形性能的评价方法。
背景技术
胀形试验(杯突试验)是评价金属薄板成形性能的试验方法。单一板金属杯突试验方法(GB4156-84)，试验时用端部为球形的凸模(冲头)，将夹紧的试样压入压模内，直至出现穿透裂缝为止，所测量的杯突深度即为试验结果。试验应在装备有凹模、压边圈和凸模的试验机上进行，其简图如图1所示。其中，D是模具整体尺寸，d是凸模球径，t是板料的厚度。
激光拼焊板是将几块不同材质、不同厚度的金属板材用激光焊接的方式拼成一块整体板，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。现有激光拼焊板的评价方法是参照单一板金属杯突试验方法，选用d为20mm，焊缝位于中央，采用分瓣压边圈(薄侧板的压边圈厚度大于厚侧)，凸模顶点与焊缝中心对齐。测出成形的极限高度h，并根据薄侧板的材料预先确定一个高度H。当h≥H，认为激光拼焊板合格；反之，激光拼焊板不合格。
然而，现有方法存在以下缺陷：
1、预定的激光拼焊板极限成形高度H不合理
激光拼焊板不同的板厚比(拼焊在一起的两块板的板厚的比值)对极限成形高度影响较大。采用同材差厚激光拼焊板，材料为DC56，薄板厚度固定为0.9mm，厚板厚度分别为0.9mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm和1.8mm。通过有限元分析，可以获得激光拼焊板不同板厚比对极限成形高度的影响，如图2所示。从图2可知，随着板厚比的增大，其极限胀形高度显著减小，所以采用相同的H来评价不同板厚比激光拼焊板极限成形高度是不合理的。目前，在企业使用的激光拼焊板质量评价标准中，同一类激光拼焊板的H是一个定值，不能反映出不同板厚比对激光拼焊板极限成形高度的影响，也不能反映激光拼焊板对弱侧板极限胀形高度的减小量。
2、胀形试验的球径d＝20mm不合理
焊缝硬化及其热影响区对激光拼焊板的极限胀形高度影响巨大。在试验测定中应消除焊缝宽度对激光拼焊板成形性能的影响。焊缝宽度对小尺寸胀形实验结果影响明显，对大尺寸胀形试验影响较小。为比较不同凸模球径d的极限胀形高度，采用极限胀形高度与球径之比i作为评价指标。通过有限元分析，获得i与d的关系，如图3所示。从图3可知，i随着d增大而非线性地减小，但当到达一定值后，其值保持恒定。也就是说，d存在一个临界值，当超过这一临界值后，d对i几乎没有影响；而当d在较小的范围内，尤其是20mm时，d对i的影响非常显著。因此，以d＝20mm的凸模球径进行杯突试验获得的胀形高度不能反映大尺寸激光拼焊板的实际成形能力。
所以，目前采用的杯突试验方法不能真实地评价激光拼焊板的成形性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种更加合理的激光拼焊板成形性能的评价方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种激光拼焊板成形性能的评价方法，以成形性能合格的激光拼焊板作为标准试样，进行胀形试验，建立极限胀形高度的标准值，作为评价待检验激光拼焊板成形性能的依据，包括以下步骤：
A.针对一种材料匹配的激光拼焊板，选用不同球径的凸模进行胀形试验，建立d-i关系曲线，其中d为凸模球径，i为极限胀形高度与凸模球径的比值，从而确定对i值影响不显著的最小临界值C；
B.选择球径为d0的凸模，其中d0≥C，以该材料匹配的激光拼焊板进行胀形试验，先使凸模中心与焊缝中心对齐，获得其极限胀形高度h；然后再用该凸模单独对激光拼焊板的弱侧板进行胀形试验，获得弱侧板的极限胀形高度h’，计算出激光拼焊板的极限胀形高度h与其弱侧板的极限胀形高度h’之比R＝h/h’；
C.改变该激光拼焊板的板厚比E，重复步骤B，建立R-E关系曲线，以该R-E关系曲线中的R值作为标准值，评价相应板厚比的激光拼焊板的成形性能。
优选地，在步骤A之前先在计算机上建立有限元模型，然后通过有限元分析法完成步骤A-C。
进一步地，所述有限元模型经过实际胀形试验的验证。
优选地，在评价待检验激光拼焊板的成形性能时，先按步骤B所述的试验方法，采用球径为d0的凸模，对待检验激光拼焊板进行胀形试验，计算出待检验激光拼焊板的极限胀形高度比R1，然后根据该待检验激光拼焊板的板厚比，从步骤C中所建立的R-E关系曲线中查询出所对应的标准值R0，如果R1≥R0，则待检验激光拼焊板的成形性能合格；否则不合格。
本发明评价方法的优点如下：
1、考虑了激光拼焊板板厚比对极限胀形高度的影响，并能反映出激光拼焊板对弱侧板极限胀形高度下降程度。
2、消除了凸模尺寸对激光拼焊板极限胀形高度的影响，由于采用了大于临界值的凸模直径，使凸模球径尺寸对激光拼焊板极限胀形高度的影响降到最低。
因此，本发明激光拼焊板成形性能的评价方法能够更加真实、客观地反映激光拼焊板的成形性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是胀形试验的示意图。
图2是一种激光拼焊板的板厚比与极限成形高度的关系曲线图。
图3是一种激光拼焊板的d-i曲线图。
图4是本发明中建立的一种有限元模型的示意图。
图5是本发明中建立的激光拼焊板有限元模型示意图。
图6是DC56同材异厚激光拼焊板在不同板厚比下的d-i曲线图。
图7是B340同材异厚激光拼焊板在不同板厚比下的d-i曲线图。
图8是本发明建立的一种R-E关系曲线图。
具体实施方式
本发明是通过建立有限元模型，并用物理实验验证模型的正确性，然后采用正确的模型进行激光拼焊板胀形试验分析，并获取需要的数据，作为评价待检验激光拼焊板成形性能的依据。
1、有限元模型建立
为掌握胀形实验中球径尺寸对成形结果的影响，选择不同凸模球径尺寸的胀形实验进行分析。有限元模拟采用商用显式有限元软件Dynaform。采用较大的压边力和拉延筋来确保压边部分材料不流入凹模。成形工具(凹模、凸模、压边圈)均采用刚性壳单元，并完全固定凹模。激光拼焊板的焊缝位于正中位置。为考虑到所用板料各项异性的影响，故采用Belytschko壳单元，单元尺寸1mm。母板材料选用DC56和B340，其材料性能参数如表1。
表1DC56和B340钢板材料性能参数
  材料牌号   屈服强度σ0/MPa   抗拉强度σb/MPa   n值   K值/MPa   r值
  DC56   156   297   0.236   529   2.30
  B340   360   600   1.09   1150   1.09
建立的有限元模型如图4所示，其中板料及焊缝建模如图5所示。
2、有限元模型验证
为了验证所建立的有限元模型正确性，选取球径为100mm，板厚比为0.9∶1.6，材料是DC56，制造胀形实验模具。实验后测得激光拼焊板的极限胀形高度为23.4mm，有限元模拟的极限胀形高度为24.1mm，实验值与模拟值的误差仅为3％左右。实测最大焊缝移动量为4.65mm，有限元仿真得到的最大焊缝移动量为4.75mm，其相对误差为2％左右。实验和仿真的开裂位置均处于薄侧母材胀形顶点处，且开裂方向与焊缝平行。
可见，该激光拼焊板胀形模拟结果与实验结果较为吻合，证明所建立的有限元模型合理，可用于分析不同尺寸对激光拼焊板成形性的研究。
3、胀形试验的冲头直径(凸模球径)确定
拼焊板分别选用母材强度较低的DC56激光拼焊板和母材强度较高的B340激光拼焊板，通过有限元分析其在不同板厚比的情况下i值(极限胀形高度与凸模球径的比值)与胀形试验冲头直径d的关系，如图6、图7所示，薄板板厚均为0.9mm，当厚板厚度为0.9mm和1.2mm时，激光拼焊板失效表现为焊缝开裂，但是板厚比大(1.2∶0.9)的i值均高于板厚比为1(0.9∶0.9)的激光拼焊板；当厚板板厚大于1.2mm后，激光拼焊板失效表现为焊缝附近的薄侧板开裂，板厚比越大，其i值越小。图6反映了母材强度较低的DC56激光拼焊板胀形试验凸模球径d与i的关系，从结果分析可知，DC56激光拼焊板胀形试验凸模球径有一最小临界值C，大于该临界值后，凸模球径对i的影响可以忽略不计，对DC56激光拼焊板而言，该临界值C约为100mm；图7反映了强度较高的B340激光拼焊板胀形试验凸模球径与R的关系，从结果分析可知，B340激光拼焊板胀形试验凸模球径的临界值C约为60mm。由此可见，不同材料和表面状况有不同的凸模球径临界值；选择母材强度较高和较低的两种常用激光拼焊板，可获得常用的激光拼焊板胀形试验中的凸模球径范围是60mm-100mm。
4、建立R-E关系曲线
选择凸模球径为d0的凸模，其中d0≥C，如对DC56激光拼焊板而言，可以选用球径等于100mm的凸模，通过有限元模拟的方法对激光拼焊板进行胀形试验，先使凸模中心与焊缝中心对齐，获得其极限胀形高度h；然后再用该凸模单独对激光拼焊板的弱侧板(强度较弱一侧的金属板)进行胀形试验，获得弱侧板的极限胀形高度h’，计算出激光拼焊板的极限胀形高度h与其弱侧板的极限胀形高度h’之比R＝h/h’；保持材料匹配不变，改变激光拼焊板的板厚比E，重复步骤B，建立R-E关系曲线，如图8所示。
该R-E关系曲线中的R值可以作为标准值，用来评价相应板厚比的激光拼焊板的成形性能。
5、应用
在评价待检验激光拼焊板的成形性能时，采用球径同样为d0的凸模，在试验机上对待检验激光拼焊板进行物理胀形试验，计算出待检验激光拼焊板的极限胀形高度比R1，然后根据该待检验激光拼焊板的板厚比，从以上所建立的R-E关系曲线中查询出所对应的标准值R0，如果R1≥R0，则待检验激光拼焊板的成形性能合格；否则不合格。
上述实施例中选用同材差厚激光拼焊板作为对象，但本发明的方法同样适用于对由不同材质的母材构成的激光拼焊板的评价。

Claims (4)

1.一种激光拼焊板成形性能的评价方法，以成形性能合格的激光拼焊板作为标准试样，进行胀形试验，建立标准值，作为评价待检验激光拼焊板成形性能的依据，其特征是，包括以下步骤：
A.针对一种材料匹配的激光拼焊板，选用不同球径的凸模进行胀形试验，建立d-i关系曲线，其中d为凸模球径，i为极限胀形高度与凸模球径的比值，从而确定对i值影响不显著的最小临界值C；
B.选择球径为d0的凸模，其中d0≥C，以该激光拼焊板进行胀形试验，先使凸模中心与焊缝中心对齐，获得其极限胀形高度h；然后再用该凸模单独对激光拼焊板的弱侧板进行胀形试验，获得弱侧板的极限胀形高度h’，计算出激光拼焊板的极限胀形高度h与其弱侧板的极限胀形高度h’之比R＝h/h’；
C.改变该激光拼焊板的板厚比E，重复步骤B，建立R-E关系曲线，以该R-E关系曲线中的R值作为标准值，评价相应板厚比的激光拼焊板的成形性能。
2.根据权利要求1所述的激光拼焊板成形性能的评价方法，其特征是，在步骤A之前先在计算机上建立有限元模型，然后通过有限元分析法完成步骤A-C。
3.根据权利要求2所述的激光拼焊板成形性能的评价方法，其特征是，所述有限元模型经过实际胀形试验的验证。
4.根据权利要求1所述的激光拼焊板成形性能的评价方法，其特征是，在评价待检验激光拼焊板的成形性能时，先按步骤B所述的试验方法，采用球径为d0的凸模，对待检验激光拼焊板进行胀形试验，计算出待检验激光拼焊板的极限胀形高度比R1，然后根据该待检验激光拼焊板的板厚比，从步骤C中所建立的R-E关系曲线中查询出所对应的标准值R0，如果R1≥R0，则待检验激光拼焊板的成形性能合格；否则不合格。
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