汽車車身激光拼焊板國內外研究進展*

李艷華，林建平

(同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804)

前言

車身輕量化和提高安全性與舒適性是汽車制造商面臨的巨大挑戰。拼焊板作為車身輕量化的重要技術獲得了廣泛應用。然而，由于焊縫的存在和厚度與材料性能的差異，拼焊板的成形性能低于單一板材。因此，國內外學者在拼焊板成形性方面進行了大量深入的研究，取得了豐富的研究成果。隨著拼焊板應用范圍和應用形式的發展，其相關研究逐漸從實驗轉向變形的內在機理方面。

本文中對拼焊板國內外的最新研究進行了分類總結，從成形極限、變形行為與預測方法、拼焊板成形影響因素和拼焊板設計技術4個方面簡要介紹了拼焊板的研究成果，討論了存在的問題和進一步研究的方向。

1 拼焊板成形極限研究進展

拼焊板的成形極限是反映和評價拼焊板成形性能、分析影響其成形性能因素的重要指標。但由于從實驗中獲取成形極限非常困難且成本較高，國內外研究學者通常從理論和數值模型方面計算和預測拼焊板的成形極限。這些模型主要可以分為兩類:宏觀尺度模型和微觀尺度模型。宏觀尺度模型關注塑性失穩，而微觀尺度模型則基于連續損傷理論，考慮微裂紋或微孔洞效應的影響。

1.1 宏觀尺度成形極限模型

宏觀尺度模型是從宏觀參數方面描述和表征材料的失穩和失效。文獻［1］中使用等效應變率、主應變率、厚度應變率和厚度梯度4種準則判定板材的頸縮，從而預測拼焊板的成形極限，并對極限應變率進行了修正。文獻［2］和文獻［3］中都使用厚度梯度準則對拼焊板成形極限進行了預測。文獻［4］中分別通過脹形實驗和M－K模型獲得縱向焊縫拼焊板的成形極限，根據實驗和解析方法確定原始厚度缺陷度值。文獻［5］中使用M－K模型，建立了基于HOSFORD屈服準則的拼焊板成形極限。文獻［6］中使用基于頂點理論的頸縮準則預測拼焊板成形極限，并對3種不同焊縫方向的拼焊板進行極限脹高實驗，預測的成形極限與實驗結果較為吻合。

1.2 微觀尺度成形極限模型

微觀尺度模型是從孔洞和微裂紋等微觀參數表征材料的失效，認為孔洞和微裂紋的形成、長大和擴展是導致材料失效的原因。文獻［7］中使用GTN模型建立拼焊板的成形極限，模型參數通過響應面法獲得。文獻［8］中應用破壞損傷準則來確定拼焊板的成形極限，通過實驗獲得不同應變下的損傷參數，并使用這些參數和損傷準則在LS－DYNA中進行拼焊板成形仿真。

1.3 存在的問題和進一步研究的方向

宏觀尺度模型和微觀尺度模型都從各自的角度描述和解釋拼焊板的失穩和失效，并建立成形極限。然而，基于應變率的成形極限建立方法必須借助于有限元分析，現實中無法直接測量。M－K模型中的初始厚度缺陷值f對成形極限結果影響較大，人們對其值的選擇具有隨意性，現實中難以直接應用。GTN模型和損傷模型須對損傷因子進行精確測量，而且這些方法須對軟件進行二次開發，因而在實際應用中受到限制。因此，對于拼焊板，通過對其變形機理的研究，使用其他評價尺度和評價方法來描述成形極限是今后值得深入研究的地方。

2 拼焊板變形行為與預測研究進展

拼焊板的變形行為與變形預測是其應用的重要前提，也是國內外學者研究的熱點所在。拼焊板由于存在焊縫和材料性能與厚度的差異，其變形行為和單一板明顯不同。目前國內外學者主要是從變形行為和預測方法方面對拼焊板進行研究。

2.1 變形行為

拼焊板變形行為是指拼焊板在某種成形方式下的成形性能，是反映拼焊板成形性的重要表征方式。文獻［9］中通過物理實驗與數值模擬，對拼焊板的脹形變形進行了研究，發現其脹形高度隨著厚度比增加而降低，焊縫向厚側(強側)移動，最大脹形力小于單一板。文獻［10］中研究了DP600/DP600和TRIP700/TRIP700的超強度鋼拼焊板的單向拉伸和脹形性能。在垂直于焊縫的單向拉伸中，所有試件均在母材處破裂，但抗拉強度均高于母材，延伸率低于母材。文獻［11］中通過脹形實驗研究了3種類型拼焊板的平面應變變形。結果發現對于異材異厚的拼焊板，橫向焊縫(焊縫方向平行于寬度方向)拼焊板的脹形高度高于縱向(焊縫方向平行于長度方向)焊縫拼焊板。

文獻［12］中通過二分法研究了拼焊板錐形件成形的起皺問題，并進行了實驗驗證。結果表明，二分法能對拼焊板的起皺進行準確預測;而切應力是引起起皺的重要因素。文獻［13］中對拼焊板的液壓脹形進行了研究。結果表明，與普通成形方式相比，液壓脹形能夠使得應變分布更為均勻、焊縫移動量更小，極限脹形高度可提高16%。

2.2 變形行為預測

由于拼焊板材料性能差異、厚度比等方面的多樣性與復雜性，通過實驗研究所有類型拼焊板的變形行為是不切合實際的，因此，通過理論和仿真對變形行為進行預測是解決問題的有效途徑。文獻［14］和文獻［15］中基于人工神經網絡技術開發了一個預測拼焊板單向拉伸、筒形件拉深的專家系統，將PAM STAMP數值模擬結果輸入到神經網絡模型中進行訓練。結果表明，此專家系統對于新變形預測的結果與仿真較為符合。

文獻［16］中將厚度比、強度比、焊縫方向、焊縫應變硬化指數、焊縫屈服強度和焊縫寬度等作為影響因素，進行6因素3水平正交試驗設計，通過ABAQUS軟件進行仿真試驗，以極限應變、失效位置、最小厚度和應變路徑作為輸出，輸入人工神經網絡模型進行訓練。神經網絡模型預測結果與仿真誤差在5%左右。

2.3 存在的問題和進一步研究的方向

目前針對拼焊板的變形行為主要是從單向拉伸、脹形以及不同的成形方法對異材差厚拼焊板進行研究。然而，文獻［17］中對比單一板和拼焊板的半球脹形試驗結果發現，同材同厚拼焊板縱向變形時的極限脹形高度比單一板下降了30%，橫向變形時的極限脹形高度下降為10%左右，如圖1所示。這與通過拼焊板成形理論推導得到的結論(母材材料性能和厚度差異造成拼焊板成形能力下降，同材同厚拼焊板的成形能力應與單一板相同)不符，這說明焊縫的存在對于拼焊板的成形存在重大影響。焊縫相對于母材來說是一個準剛性邊界或者可視為剛性夾雜，其對母材的變形產生限制效應。從限制效應等成形機理方面研究拼焊板的變形行為是今后拼焊板研究的方向之一。

此外，隨著超高強度鋼的應用日趨廣泛，對于超高強度鋼(DP鋼和TRIP鋼)拼焊板的變形行為將成為研究的熱點。

3 拼焊板成形影響因素研究進展

激光拼焊板是由激光焊縫和母材構成，不同母材、不同焊接參數下的焊縫性能存在差異，拼焊板成形數值模擬也須輸入焊縫的材料參數，因此，研究焊縫的材料本構關系對于研究激光拼焊板至關重要。由于激光焊縫寬度為1mm左右，常規實驗方法很難獲得焊縫的材料參數。此外，母材的材料與厚度、焊縫熱影響區和焊縫方向等都影響拼焊板的成形性能，這些影響因素也是拼焊板設計的基礎與依據。

3.1 激光焊縫材料本構

在拼焊板成形模擬中，忽略焊縫性能模型在母材差異性較大的情況下適用，兩側母材強度和厚度相當時，對焊縫賦予特殊材料屬性的焊縫處理方式與實驗較為吻合［18］。精確描述焊縫的材料本構是拼焊板成形仿真的關鍵。對于焊縫材料本構的研究，一方面是對僅有焊縫的試件和小試件的單向拉伸進行研究［19］，基于“等應變”假設，采用“混合法”，以獲得焊縫的應力應變關系［20］;另一方面，通過數字圖像相關(DIC)技術測量焊縫的應變場從而獲得其本構關系［21］。近年來，隨著壓痕試驗技術的發展，壓痕試驗成為研究焊縫彈塑性性能的第3種途徑。文獻［22］中采用壓痕實驗獲得了DP590激光拼焊板焊縫和熱影響區的材料性能參數。文獻［23］中基于壓痕實驗，建立了硬度和材料參數之間的關系方程，通過混合法建立了焊縫及熱影響區域各個部分材料性能的解析公式，并通過壓痕實驗進行了驗證。

3.2 成形影響因素

拼焊板母材材料和厚度、焊縫方向等都是其成形性的影響因素，以往的研究都是基于板厚比、強度比與綜合強度比［24－25］和變形非均勻性［26］等方面，近期的研究則主要側重于非均質材料性能方面。文獻［27］中以拼焊板和相應的無焊縫磨削階梯板為對象，從焊縫的存在和幾何尺寸的非連續性等因素對拼焊板成形性能下降進行研究。結果表明，幾何尺寸的非連續性是影響拼焊板成形性能下降的決定性因素，而焊縫的影響僅為6.1%，成形性降低對比見圖2。文獻［28］中通過仿真與實驗研究了單一管和拼焊管的數控彎曲，發現焊縫和熱影響區對于激光拼焊管應變分布存在限制效應，焊縫在外部位置條件下的限制效應最小。

3.3 存在的問題和進一步研究的方向

拼焊板激光焊縫是在極高的功率密度下進行焊接的，焊縫組織含有較高的馬氏體相。文獻［29］的研究結果表明，焊縫材料屈服強度和抗拉強度比母材有顯著提高，但延伸率顯著下降，焊縫材料呈現細晶硬脆化趨勢。對于焊縫材料本構的研究存在以下3個問題:(1)焊縫材料是延性材料還是脆性材料，焊縫材料模型是否仍遵循冪指數方程;(2)“等應變”假設是否成立;(3)焊縫材料的失效準則問題。

延性材料和脆性材料的本構關系截然不同，故須對各種鋼種的焊縫材料進行研究，以確定焊縫的本構形式?！暗葢儭奔僭O認為焊縫與母材的應變是同步的、連續的。然而，文獻［30］中認為，對于母材寬度遠大于焊縫寬度的單向拉伸試件，焊縫沿長度方向延伸率較大是因為出現了大量與焊縫方向垂直的微裂紋。這些微裂紋擴展到延性較好的母材處停止，但并未產生宏觀裂紋，也不引起整個拼焊板的失效。此外，不同變形形式下焊縫的應變狀態也不同，必須將應變狀態加入到焊縫的失效準則中，例如焊縫受壓應力時不會先于母材失效。

目前關于拼焊板成形影響因素的研究已經從板厚比、強度比轉移到研究焊縫對成形性的影響上來。焊縫由于屈服強度和抗拉強度高于母材，相當于一個準剛性邊界，限制了鄰近區域母材的變形。如何從連續介質力學和非均質材料變形角度描述和表征焊縫的限制效應及其與成形極限之間的關系是拼焊板研究的根本和難點。

4 拼焊板設計技術研究進展

對于車身拼焊板零件來說，車身設計者必須根據零件剛度、強度、自然頻率和碰撞安全性等指標對拼焊板的材料、厚度、焊縫方向和位置進行設計，并根據成形性模擬來優化零部件的形狀，以達到輕量化和安全性的目的。國內外學者在拼焊板設計方面主要是從優化拼焊板的厚度、焊縫位置和材料替換方面進行研究。

4.1 拼焊板零件優化設計

文獻［31］中為降低門內板質量并提高其碰撞性能，以強度和抵抗變形能量作為優化的邊界條件，使用神經網絡和遺傳算法對拼焊板門內板進行優化設計。文獻［32］中設定焊縫最終的位置與形狀目標，應用多步逆向計算拼焊板初始焊縫位置和焊縫形狀。文獻［33］中在優化門內板拼焊板零件時，根據拓撲技術優化母材和焊縫的數量，最后再進行尺寸優化和形狀優化。文獻［34］中為了設計成形后無需切邊的凈成形拼焊板板材，應用追溯映射技術設計拼焊板凈成形板材形狀和焊縫位置。文獻［35］中考慮了強度、彎曲剛度和扭轉剛度等限制條件對拼焊板厚度進行優化設計。文獻［36］中以車身頂部壓潰和側碰性能為指標，通過支持向量衰減方法，使用拼焊板結構對車身B柱進行了輕量化設計。文獻［37］中以某拼焊板車門各板件厚度和內板焊縫位置作為變量，綜合試驗設計、響應面法、優化算法和蒙特卡羅模擬技術，提出了基于6σ穩健性的輕量化方法。文獻［38］中以車門內板為研究對象，根據車門的載荷和工況，采用拓撲優化技術對焊縫進行布置，然后在制造性約束條件下，優化板材的厚度，并通過高強度鋼對材料進行替換。結果表明，相比于原始設計，優化后的車門內板零件質量減輕且使用性能提高，如圖3所示。

4.2 存在的問題和進一步研究的方向

目前關于拼焊板設計方面的研究主要是針對典型拼焊板零件，提出相應的設計和優化方法。這些方法主要是以減輕零件質量為目標，以零件的使用性能為約束條件，使用各種優化方法對汽車零件拼焊板進行設計。然而，有些研究僅僅考慮了拼焊板零件的使用性能，未能兼顧零件的可制造性。有的研究雖然兼顧使用性能和可制造性，但未考慮高強度鋼與低碳鋼之間的激光焊接性能。此外，拼焊板的設計仍然是依靠設計者的經驗，今后應在單一板零件基礎上進行修改和完善，研究拼焊板零件的設計方法并制定統一的設計指導規范。

5 結論

拼焊板成形性能和設計技術一直是國內外研究的重點和熱點。然而，對于拼焊板的變形機理、設計準則等共性技術的研究仍然欠缺。連續介質力學和非均質材料是今后拼焊板研究的主要方向。

此外，在迄今所見國內外關于拼焊板的研究論文中，大部分研究學者沒有重視遠離平衡態的高能束流(特別是具有最高功率密度的激光束)加工條件下物理冶金過程對微觀和宏觀組織的重要影響及其最終對塑性變形的影響，這和常規激光焊接過程有顯著差別，也是激光拼焊板進一步深入研究必須注意的問題。

隨著汽車輕量化的發展，高強度和超高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等新材料在拼焊板上的應用日益廣泛，這些拼焊板的焊接特性、焊縫性能和變形行為須進行深入的研究，以最大限度地實現車身的輕量化。

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