预测拼焊板拉深成形过程焊缝移动的分析方法
M. Abbasi[a] amp; S. R. Hamzeloo[b] amp;
M. Ketabchi , M. A. Shafaat , B. Bagheri[c]
a：伊朗喀山大学工程学院
b：伊朗德黑兰培训大学机械工程系
c：伊朗德黑兰阿米尔卡比尔理工大学采矿和冶金系
摘要：为实现汽车的最佳材料配置和减重，提高机器的灵活性和加工效率，在冲压前将不同性能的金属薄板焊接成单一的平板毛坯。在TWBs焊接工艺中，焊缝的移动一直是一个具有挑战性的问题。本文提出了一种新的焊缝运动预测分析方法。分析结果与有限元模拟结果及实验数据的对比表明，所提出的方法在焊缝移动和圆屋顶高度两种情况下预测结果具有良好的一致性。此外，所建立的分析方法可以适当地考虑厚度比对焊缝移动和焊缝高度的影响。结果表明，随着厚度比的增大，焊缝的移动量增大。
关键词：拼焊板 焊缝移动 分析方法 仿真
术语
R 拉深成形过程中穹顶曲率的半径
h 穹顶的高度
RD 模具半径
t 毛坯厚度
毛坯宽度
A 环形部分的横截面，sigma;1应用的地方
穹顶的一半弧长
L 拼焊板的弧长
Delta;L 焊缝移动
x，y 笛卡尔坐标系的分量
theta;c 半径(对应于模具内坯料上的一个固定点)与冲头对称轴之间的夹角
F 冲裁力
ε1 ε2, ε3 沿子午线(1)、圆环(2)、厚度(3)方向的主应变分量
有效应变
sigma;1, sigma;2, sigma;3 沿子午线(1)、圆环(2)、厚度(3)方向的主应力分量
有效应力
应力比(sigma;2/sigma;1)
应变比(ε2/ε1)
n 应变硬化指数
k 强度系数
c 常数
- 介绍
对于燃油经济性标准的限制，汽车制造商们在不断寻找降低汽车重量和节约制造成本的创新方法。拼焊板(TWBs)为满足这些看似矛盾的要求提供了一个很有前途的机会。根据Gaied等人的[1]，由具有不同厚度、不同强度、不同涂层或不同冶金等级的不同基体金属板在成形前焊接在一个平面上，称为拼焊板。虽然拼焊板具有提高尺寸精度、节省制造成本、减轻产品[2]重量等显著优势，但在它的成型过程中也存在一些困难。
Narayanan和Narasimhan[3]采用基于厚度梯度的缩颈准则研究了焊接毛坯的成形极限应变。他们报告说，在焊接热影响区内材料性能的变化导致材料在撕裂前的耐受应变降低。他们还指出，在拼焊板的成型区域，较薄/较弱材料的变形要高于较厚/较强材料的变形。这种现象是在焊缝线从薄边向厚边移动过程中观察到的，从而导致薄边产生撕裂。为了防止缺陷的形成，并确保成形过程后所需的最终形状，对焊缝运动进行准确的控制或适当的预测是至关重要的。
He等人[4]和Ahmetoglu等人[5]试图利用压边力控制策略来控制焊缝的运动。此外，Kinsey和Cao[6]通过使用带有局部自适应控制器夹具的分段模具成功地减少了焊缝移动。对于焊缝移动的预测，Ku等人[7]采用了一种系统的方法(后向跟踪方案)来设计初始拼焊毛坯。实验结果与预测结果吻合较好。此外，Kinsey和Cao[8]还建立了基于力平衡法的二维分析截面模型来估计成形高度和焊缝移动。Tang等人采用一步有限元法结合优化算法对焊缝运动进行了预测。然而，由于他们在工作中做了一些简化和假设，实验得到的数据与模型估计的数据存在一些差异。
本文提出了一种不依赖于化学成分和微观组织，只依赖于拼焊板的力学性能和刀具、模具的几何性能来预测焊缝运动的分析方法。该方法为拉深成形过程中考虑不同应变比和厚度比下焊缝的运动提供了可能性。分析结果与有限元模拟和实验结果进行了比较。
- 材料和方法
2.1材料
研究采用厚度为1.2mm和0.8mm的if-镀锌钢板作为母材。所有的测试材料都是从一个材料批次中收集的，尽管每个厚度的批次是不同的。表1为本研究所用钢的化学成分。以ASTM-E8[10]为基础，采用沉降拉深试样进行拉深试验，得到母板的应力应变数据。母板的真实应力应变图如图1所示。
采用CO2激光束焊接机对焊毛坯。采用田口法确定了最佳焊接工艺参数，即气体压力、速度和功率。
|
元素 |
碳 |
硅 |
锰 |
镍 |
铝 |
钛 |
铜 |
磷 |
硫 |
钒 |
铬 |
铁 |
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质量百分比 |
0.002 |
0.004 |
0.149 |
0.015 |
0.033 |
0.046 |
0.017 |
0.015 |
0.007 |
0.002 |
0.022 |
99.682 |
||
表1研究中碳钢的化学成分
图1研究母板坯料的真应力-应变曲线
2.2试验方法
根据Hecker方法[12]制备了8个不同纵横比、不同应变比的拼焊板矩形试样。对中间焊缝处的试样进行半球形冲压试验，直至试样失效。对于所有的拼焊板试件，焊缝线垂直于主应力和轧制方向。半球形冲头试验冲模组原理图如图2所示。采用摩擦系数为0.15的钢表面间油作为润滑剂，减少摩擦。在TWB的不同部分上施加约50kN的夹紧力，使用按预定扭矩拧紧的螺栓。实验采用0.1mm/s的冲裁速度。采用Hecker方法得到了所研究的TWB的成形极限图(FLD)。
2.3分析方法
“Abaqus-6.10”软件[15]的仿真结果表明，在使用TRgt;1的TWB成形过程中，所施加的冲力按照圆弧长度分布在薄段和厚段之间。成形初期，冲头与坯料接触时，两段受力相同；在成形过程中，由于焊缝向厚段移动，对薄段施加的垂直力大于对厚段施加的垂直力。
为此，开发了一个程序(第2.2.4节)来评估不同厚度比矩形薄板的焊缝移动。下面介绍了基本的数学关系。该程序使用Mathematica6软件[16]运行。
2.3.1曲率函数
在拉深成形过程中，坯料受到拉延筋[13]的约束。为了简化，假设坯料夹紧在模具内半径处，如图3所示。
当穹顶高度为h时，穹顶曲率半径可估算为:
图2实验所用仪器及其几何形状
(1)
其中R和分别为坯料曲率半径和模具半径。
在拉深过程中，R的值最初为无穷大(h=0)，最终为圆头形状完全转换为半球时的模半径(图4)。根据图5所示的笛卡尔坐标，可以建立如下关系:
(2)
由图5可以得到如下关系:
,, (3)
其中为模具约束的坯料不动点对应半径与冲床对称轴的夹角；也是圆屋顶的半弧长(图5)。
2.3.2应变函数
Hosford和Caddle[17]认为，在半球形冲床上拉伸(夹在拉延筋上)的板料时，板料与冲床之间的摩擦力决定了失效部位的形成。在高摩擦条件下，失效通常发生在靠近冲头/毛坯接触区域的无支撑材料中，此时该无支撑材料处于平面应变状态(环向受与冲头接触的相邻材料的限制)。相反，当摩擦较低时(即使没有类似于液压胀形试验中出现的摩擦情况)，破坏部位向穹顶中心/顶部移动，临界穹顶高度增加。
图3为简化分析，对假设进行了说明。
a在实际中，毛坯的边缘受到拉延筋的约束。 图5假定的笛卡尔坐标及其原点的表示
b在分析分析过程中，假定毛坯的边缘固定
在模具的内半径处
图4坯料变形过程中穹顶半径的变化 图6变形前后的坯料元素的表示
考虑坯料内部沿子午方向的每一元素的纵向应变为（图6），结合Hosford和Caddle[17]的计算结果，可以近似估计出坯料变形后的半长：
(4)
另一方面，根据数学关系[18]，定义曲线[y=y(x)]的半长表示为：
(5)
比较方程式(4)和(5)，可建立如下关系：
(6)
根据式(2)，并基于方程(6)，获得所需的方程为
(7)
2.3.3力函数
图7为冲头在单形正压力(p)作用下的变形毛坯示意图。作用于截面为A的毛坯子午单元上的力(dF)垂直分量为：
(8)
当趋近于零时，和分别趋近于零和一。在这方面：
(9)
其中是坯料法向量与冲头对称轴之间的角度，它对冲头上的角度为（图7）；和A分别是子午线施加的应力和元素的横截面。整合的方程（9）在整个冲头接触区域（0le;le;）给出变形坯料上的总垂直力（F）：
(10)
对于各向同性材料，基于Von Mises屈服准则的有效应力函数和等效应变增量（）可以认为是[19]：
(11)
关于应力比（）和应变比（）的定义，以及Von Mises屈服准则的应用，平面应力条件下的有效应力和应变函数为[19]：
(12)
应用式(12)，和[=(1 2)/(2 )]的关系并假设应力和应变之间的幂律方程()，可以建立如下的主应力和应变之间的关系：
(13)
此外，将式(13)代入式(10)得到总冲力为：
(14)
由于材料的体积在塑性变形期间是恒定的，因此的值等于-（ ）。因此，可以得到如下关系式：
(15)
通过使用实际厚度应变（t和t0是坯料的瞬时和初始厚度），可以推导出式（16）：
(16)
最后，将式(16)和各单元的截面面积(A=t·w)代入式(14)，其中w为坯料宽度，得到以下方程：
(17)
2.3.4流程图
为了预测不同厚度比的拼焊板焊缝的移动，采用Wolfram Mathematica软件开发了一种分析方法[16]。分析方法的算法如图8所示。
假设最初在拼焊板上施加小的冲压力，此后，在成形过程中，该力持续增加。在每个步骤中，确定焊缝移动并且修改施加在每个区段（拼焊板的薄和厚区段）上的冲压力的程度。如前所述，假设施加在每个段上的冲压力的大小与圆弧成比例，即f=c，其中。因此，考虑到作为的总冲压力和焊缝位移，在第i个增量处对薄段和厚段的施加力如下所示：
(18)
假设在步骤（i）施加在拼焊板上的总力是，该总力的一部分（）施加在薄的坯料上，其余的（）用于使厚的母坯变形。为了计算焊缝线的移动，假设2 应用在一个完整的薄坯料上，2 应用在厚的整个坯料上（图9）。通过将与薄和厚相关的力代入到等式（19）（见附录1），确定每一个的theta;c。
(19)
通过使用式（1）和（3），计算假设的单个薄和厚的坯料的曲率半径和穹顶高度，最后估计半弧长（和） 。假设每步的拼焊板弧长（）与假设的薄单层和厚单层的半弧长之和相同，则和之间的差值等于焊缝位移量。关于边界条件（如theta;c=pi;/2，R=）并应用拼焊板的总弧长，TWB的穹顶
英语原文共 11 页
资料编号：[5806]
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