摘要: 采用激光焊接技术对冷轧薄钢板进行拼焊,通过对拼焊板进行拉伸试验和模拟成形性能试验,研究分析了焊缝对拉伸性能参数和成形性能参数的影响,比较了拼焊板与母材性能的差异,分析了强度比和厚度比对塑性变形的影响及应变分布。
关键词: 拼焊板; 焊缝; 成形性能; 应变分布

1 引言

激光拼焊板是利用激光加工技术,在零件冲压成形前将不同厚度、不同材质或不同表面涂层的平板材料焊接在一起的平板坯料。激光拼焊板在汽车工业中得到广泛应用。据介绍[ 1 ] ,一辆汽车的车身和底盘由300 余种零件组成,而激光拼焊薄板坯的应用可使零件数减少66 % ,大大减少了零部件的冲压模具。如果采用拼焊板成形技术,各部分坯料拼焊后再整体冲压成形,产品整体质量得到提高,对减轻汽车重量、减少加工工序、降低成本、提高生产效率、减少材料消耗都有十分重要的作用。目前,国内开展激光拼焊板的研究项目不多,中科院金属研究所的张士宏教授[2～4 ] 、宝钢用户技术研究中心与上海交大等在实验室进行了激光拼焊的研究[5 ,6 ] 。国内大多数汽车厂都是引进生产线或直接进口拼焊板,随着我国汽车工业的发展,对激光拼焊薄板的需求日益增加,形成由专门生产激光拼焊薄板的公司向汽车生产厂提供各种拼焊板的新兴产业。因此,开展拼焊板的研究具有重要的意义。笔者对冷轧薄板的激光拼焊板进行了拉伸性能和成形性能试验研究。

2 试验材料

试验选用的冷轧薄板材料分别为St12 ,St16 和镀锌板,母材及拼焊板材料及板厚见表1 。在华中科技大学激光加工中心进行激光拼焊,将拼焊板加工成拉伸试样、扩孔试样、杯突试样和FLD 试样。拉伸试样分别设计成焊缝与拉伸方向垂直和与拉伸方向平行,焊缝在试样中心部位;扩孔和杯突试样的焊缝也在试样中心部位; FLD 试样设计成焊缝平行于主应变方向和垂直于主应变方向两种方式。

3 试验结果及分析

拉伸试验在INSTRON 5569 型试验机上测试,模拟成形性能试验在BCS230D 试验机上测试,应变测量分析用ASAME 自动应变测量系统。

3. 1 焊缝对拉伸性能的影响

3. 1. 1 焊缝平行于拉伸方向

当焊缝平行于拉伸方向时,由于焊缝的强度比母材高,塑性较差,一般在焊缝处被拉断。与相同条件焊缝垂直于拉伸方向的试验结果比较,拼焊板的屈服强度和抗拉强度提高,应变硬化指数n 和伸长率A 降低,见表2 。图1 是应力2应变曲线的比较,

图2 是拼焊板拉伸试验后的试样。

3. 1. 2 焊缝垂直于拉伸方向

当焊缝垂直于拉伸方向时,有以下三种情况:

(1) 同一材料等厚板拼焊,由于材料性能相同,因此拼焊板的拉伸性能基本与母材一致,由于焊缝的影响使材料的伸长率降低,见表2 和图1。

(2) 不同材料等厚板拼焊,拼焊板的拉伸性能取决于两种材料强度的大小。如果两种材料强度相差不大,在焊缝两边试样的变形基本相同。由于焊缝部位强度高,越靠近焊缝变形越小,最终在强度偏低材料的一侧破裂。从图3 中F27 和F35 的拉伸曲线可以看出,拼焊板的屈服强度和抗拉强度比St16 材料略有提高,比St12 材料低,拼焊板的应变硬化指数n 和伸长率A 降低。如果两种材料强度相差较大,在强度较高的材料一侧变形较小或根本不发生塑性变形,而在强度较低的材料一侧发生塑性变形后断裂,这时拼焊板拉伸性能主要以强度较低的材料为主。图3 中的F17 和F20 拉伸曲线显示,拼焊板的屈服强度比St16 材料提高15 %～2 0 % ,抗拉强度提高5 % ,拼焊板的应变硬化指数n和伸长率A 降低。因此,等厚拼焊板的塑性变形随着强度比的增加而显著降低。

(3) 当用不同材料和不同厚度的钢板拼焊时,拼焊板的拉伸性能取决于两种材料的强度比和厚度比。试验结果表明,大多数情况断裂都发生在板厚较薄材料一侧,厚度比越大,薄板一侧变形越大;如果厚板一侧材料强度越高,其变形越小或几乎不变形,塑性变形全部集中在薄板一侧。要使两块不同厚度的材料都发生变形,要求薄板材料比厚板材料强度高。图5 分别绘制出了不同厚度拼焊板的应力2应变曲线,从图5 可以看出, F11 拼焊板由于两边母材厚度、强度不同,试样上产生的塑性变形和应力也是不同的,首先St12 (M3) 材料发生屈服,其后镀锌板(M9) 发生屈服并有明显的物理屈服点,当拉伸载荷继续增加达到St12 (M3) 材料的抗拉强度时,镀锌板(M9) 材料接近抗拉强度。可以看出两块材料都产生了最大均匀变形,由于厚板材料强度低,所以厚板一侧被拉断。

3. 1. 3 厚度比对Rp0. 2 , n 值和A 值的影响

试验结果表明,不等厚拼焊板的塑性变形随着厚度比的增加而显著降低。从图4 可以看出,随着拼焊板厚度比的增加伸长率和硬化指数值降低,而Rp0. 2 则略有提高。

3. 2 焊缝对模拟成形性能的影响

3. 2. 1 焊缝对扩孔率的影响

图6a 是等厚同材料拼焊板的扩孔率与母材扩孔率的比较,可以看出等厚拼焊板的扩孔率比母材下降了50 %～60 %。图6b 是等厚同材料与不同材料拼焊板扩孔率的比较,可以看出St12 与St16 材料拼焊板的扩孔率比St12 同材料拼焊板的扩孔率高,而比St16 材料拼焊板的扩孔率低,说明不同材料拼焊板扩孔率除了焊缝的影响之外还与材料性能有关。试验结果表明,由于焊缝区域材料强度较高,基本不变形,焊缝对材料的流动影响很大,强度较高一侧板料变形较小,而强度较低一侧板料变形较大,使焊缝两边形成不均匀变形,所以使扩孔率显著降低。尤其在不等厚拼焊板扩孔试验中有较大的体现,由于板厚和强度的差异,不等厚拼焊板扩孔率比母材降低了80 % ,焊缝明显向厚板一侧偏移,而且随着板厚和强度差异的增加其扩孔率降低,见图6c 。图6d 是母材扩孔率与板厚的关系。图7 是扩孔变形后的试样照片和扩孔变形的极限应变分布,由于焊缝的影响,拼焊板的极限主应变和次应变值降低,逐渐靠近平面应变状态。

3. 2. 2 焊缝对杯突值的影响

由表3 可以看出,等厚拼焊板的杯突值比母材下降了13 %～23 % ,不等厚拼焊板的杯突值比母材降低了35 % ,由于焊缝两边不均匀变形,使焊缝发生偏移。

3. 2. 3 焊缝对FLD 的影响

等厚拼焊板在成形时,拼焊板的成形性能除了与材料的性能有关外,还取决于焊缝与受力方向(主应变方向) 的相互关系,图8 是拼焊板FLD 试样。试验结果表明,当焊缝平行于受力方向时(主应变方向) ,在焊缝部位出现破裂,使成形性能(FLD) 降低,拼焊板的极限拱顶高度LDH 与母材相比下降了23 %;当焊缝垂直于受力方向时,焊缝强度较高不易变形,所以不易在焊缝处破裂,通常是在薄弱材料(或厚度较薄) 一侧发生破裂。这时,性能较差的材料是限制成形的主要因素,其变形程度与母材基本一致或略低于母材,图9 和图10 分别是LDH(极限拱顶高度) 和FLD(成形极限图) 。

不等厚拼焊板在成形时,拼焊板的成形性能与两种材料的厚度比有关,因为成形极限的平面应变点( FLD0 ) 与板厚有直接关系, FLD0 = (67. 304t +110. 95) n ,厚度大的钢板其冲压成形性能显然比薄的钢板好。试验结果表明,大多数情况断裂都发生在板厚较薄材料一侧,厚度比越大,薄板一侧变形越大,与焊缝垂直于拉伸方向的拉伸试验结果相似。从图8b 可以看出,一般在离焊缝3～5mm 部位破裂,由于厚度差异造成截面显著改变,而产生了应力集中,在此处变形急剧增大,导致开裂。

4 结论

(1) 焊缝对拉伸试验的塑性变形有明显影响,使拼焊板的屈服强度提高,应变硬化指数n 值和伸长率A 值降低。

(2) 焊缝使模拟成形性能的扩孔率、杯突值和成形极限显著降低。在FLD试验中,焊缝的受力方向(主应变方向) 与变形有直接关系,焊缝平行于受力方向时(主应变方向) 拼焊板的成形性能最差。

(3) 不等厚拼焊板的成形性能取决于两种材料的强度比和厚度比,焊缝明显向厚板一侧偏移。因此,合理地选用拼焊材料,使拼焊板冲压零件的变形保持均匀,而焊缝偏移最小,是今后拼焊板应用技术的重点。