基于工藝參數變化的中央通道拼焊板回彈趨勢研究

李章恒

（廣州汽車集團股份有限公司，廣東 廣州 511434）

0 引言

激光拼焊板（TWB）是指在沖壓成形之前把不同厚度、材料性能或表面涂層的板材，用激光焊接的方法拼焊在一起，重新組成的一種新型復合板材，它可以同時滿足零件的不同部位對板料不同性能的要求[1]。隨著汽車減重和被動安全的需求逐漸增長，汽車輕量化成為降低油耗的有效途徑，激光拼焊技術作為一個有效的解決方案也得到更多的重視。

激光拼焊板由焊縫、焊縫兩側母材以及熱影響區組成。這種固有結構有別于傳統板材，不同母材存在機械性能和厚度上的差異，導致成形過程中更容易發生破裂、起皺、回彈和焊縫移動，成形性能下降，甚至成形困難[2]，因此有必要研究激光拼焊板的材料變化對成形性能的影響。

拼焊板的沖壓成形過程是一個綜合而復雜的力學過程。目前在國內較多生產現場，往往是通過反復進行成形試制，多次修改工藝參數或修改模具結構，避免出現拉裂、起皺和回彈等失效形式，進而提高成形質量[3]。這種方式不僅影響加工效率，而且增加生產成本。

目前國內外有大量學者對拼焊板的沖壓性能進行大量的研究。BradKinsey[4]提出采用夾持工具控制焊縫的移動以改善拼焊板成形性能，并且將沖壓仿真以及實驗結果進行了對比驗證；S H Chang[5]等人分析了不同板厚比和焊縫位置對回彈預測的影響。劉曉晶[6～7]等人通過U型件進行了焊縫位置和回彈預測，并應用于車門內板，得到最佳的工藝參數，有效地減小了回彈，提高零件的裝配精度；龔志輝[8]等人應用均勻拉丁方方法構建響應面近似模型，最后通過遺傳優化計算獲得坯料上最佳的焊縫線分布。

對回彈的進行準確預測才能合理設置補償，有效控制回彈量。本文以某一車型的中央通道加強板為例，采用Autoform R7軟件進行成形過程數值模擬，將焊縫及熱影響區的強度變化視為剛性忽略，研究不同工藝參數條件下回彈的變化趨勢，為實際生產提供工藝參數規范依據，制定最佳的工藝參數。

1 激光拼焊板研究方法

激光拼焊成形技術是將兩塊或兩塊以上的板料用激光焊接的方式焊接在一起，然后進行沖壓成形，以中央通道加強板為例，拼焊過程如圖1所示。

本文對于拼焊板回彈影響量研究流程如圖2所示。

圖1 中央通道拼焊板料焊接工藝示意圖

圖2 拼焊板回彈影響量研究流程

2 數值模擬

2.1 模型導入與材料設置

研究的零件為某一車型的中通道加強板，如圖3，圖中左側為厚鋼板區域，右側為薄鋼板區域。中通道加強板時前地板的典型大尺寸U形件，零件所使用的材料為GC340LAD/厚度1.2mm和GC340LAD/厚度1.0mm板材，厚度不同的板材經過焊接得到拼焊板。兩種材料的性能參數如表1所示。因為材料采用高強鋼，故回彈是U型件成形的主要缺陷，嚴重影響零件的尺寸精度，從而影響后續的裝配[9]，所以研究不同工藝參數中通道加強板的回彈并進行預測具有重要意義。

圖3 中通道加強板零件造型

表1 兩種材料的材料性能參數

2.2 工具設置

將零件導入Autoform R7中進行建模，增加壓料面及工藝補充面，得到所需要的凹模、凸模和壓邊面，如圖4、5。改變精度參數，自適應劃分網格。根據不同的工藝參數進行沖壓數值模擬計算。

圖4 中通道面板凹模示意圖

圖5 中通道面板凸模和壓邊面示意圖

考慮到拉延筋對成形性和回彈的影響，如圖6所示，采用方形拉延筋，可根據設置不同的結構參數，得到不同的拉延筋系數，對板料造成不同大小的壓緊力。一般拼焊板較厚一側拉延筋系數設置偏小，因為厚板的一側的內應力相比于薄板較大，故設置拉延筋系數應隨之變小，否則會導致焊縫移動量過大。在拉延過程中，一般邊角部分板料加多，板料流入量較小，所以在邊角處不設置拉延筋，通過不斷的試算，得到最佳的拉延筋布置如圖7所示。

圖6 拉延筋結構圖

圖7 拉延筋在模具上的布置示意圖

2.3 初步模擬結果

經多次調整參數，初步得到模擬中通道加強版模擬結果如圖8所示。

圖8為初步拉延結束后的最大減薄率，明顯右側端頭處存在減薄率過大的問題，理論上已經發生破裂，其他區域減薄率合理，可參考圖8成形極限圖進行分析。板料在左端和上下區域流入量大，右端板料幾乎不流入，可見右端拉延筋系數過大，應適當減小此處拉延筋系數。

圖8 初步拉延結束后最大減薄率示意圖

由圖9可看出，在初步拉延成形之后，中通道加強版中部的法蘭邊的回彈量最大，最大值可達9.459mm，且上下不對稱，說明上下拉延筋應對稱分布，還可考慮之后增加整形工序。

圖9 拉延過后成形計算圖FLD

3 工藝參數對回彈大小的影響

3.1 U形件回彈研究

一般的U形件的回彈和破裂問題可以通過調整工藝參數合理解決，但是回彈問題涉及各個方面，較難解決，而拼焊板由于兩側板料材料參數不同，拼焊區域的強度、硬度都有所變化，所以更難準確預估回彈量的大小。中央通道加強板的一般回彈形式如圖10所示，以下研究通過改變工藝參數，研究不同條件下的回彈量變化趨勢。

圖10 初步拉延成形后回彈示意圖

劉曉晶[6]等人提出以下公式進行U形件側壁回彈角的預測：

式中：E—彈性模量；t—板料厚度；ρ0—板料密度；α—彎曲角。

由式（1）可知回彈角隨材料性質的變化趨勢：控制彈性模量E不變的情況下，材料的屈服強度越高，回彈角越大；材料硬化指數越小，則回彈角隨之變小；材料厚度越大，回彈角越大，而圖7中厚板側回彈小于薄板側，則是由于中通道加強板結構導致。

可將式（1）進行拓展，由正余弦公式，可以推得側壁回彈最大值對應的公式：

可利用式（3）對回彈量進行大致的預測，結合軟件可進行準確的預估。法蘭回彈量也可經過類似推理得到相應結論，本文不再贅述。一般對于U形件，普遍法蘭回彈較高，如圖7所示（初步模擬結果圖）。以下研究選取最大回彈量作為研究目標。

聯立式（1）和式（2）可得：

3.2 焊縫對回彈的影響

表2為不同壓邊力條件下，1.0mm厚鋼板、1.2mm厚鋼板以及拼焊板的最大回彈量對比研究。

圖11 U形件回彈示意圖

表2 不同板料在的回彈量對比

由表2可看出，在相同的工藝條件下，拼焊板兩側的最大回彈都是大于光板的。這是由于一方面拼焊板的上存在焊縫，焊縫的強度和硬度比光板大，焊縫帶來的回彈較大，進而擴散周圍區域，造成總體最大回彈量偏大；另一方面，拼焊板兩側的板料性質不同，拉延成形過程中，兩側受力更復雜，內應力不同也導致回彈量更大。

3.3 壓邊力對回彈的影響

對中央通道加強板模具定義不同的壓邊力，仿真實驗之后，對拼焊板的厚側和薄側進行回彈的測量，得到最大回彈量隨壓邊力的變化，見圖13。

圖12 壓邊力隨行程的變化

由圖13可看出，隨著壓邊力的增大，無論是拼焊板的厚側還是薄側，最大回彈量都逐漸減小，這是由于壓邊力增大，板料流入量相對變少，成形區域的板料塑性變形充分，應力釋放后產生的彎矩較小，回彈角小，最終法蘭邊最大回彈區域的回彈隨之變小。

另外，拼焊板的厚鋼板側的最大回彈量總是小于薄鋼板側，這是由于在相同變形條件下，充分塑形變形之后，薄鋼板側由于板厚較小，屈服強度低，產生的彎矩更加容易導致薄鋼板變形，回彈量因此較大；厚側板料參與塑性變形的量比薄側多，抵抗回彈變形的能力就大，所以厚側的回彈角比薄側小。

但是隨著壓邊力的增大，回彈量的減小程度相對較低，一方面壓邊力的變化區間較小，另一方面，在拉延筋確定的條件下，單一的壓邊力變化對成形之后的回彈影響程度相對較小，并且實際生產中不能一味增加壓邊力，過大的壓邊力會導致成形破裂。

圖13 壓邊力對回彈量的影響

3.4 板材不同厚度對回彈的影響

設置厚鋼板一側厚度為1.2mm，薄鋼板一側厚度分別為 0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，壓邊力設置為 100kN，相應的模具在軟件中自適應更改。最終得到模擬結果如圖14所示。

由圖14可知，隨著薄板厚度的增加，拼焊板兩側鋼板厚度差逐漸減小，最大回彈量逐漸減小，在兩塊鋼板厚度比接近于1時，回彈量最小。

圖14 不同板厚對壓邊力的影響

雖然厚鋼板側的厚度一直為1.2mm沒有變化，但是隨著薄板厚度的增大，其回彈量也在減小，這是因為焊接板板厚差的減小，兩側板料在成形時應力分配更均勻，最終厚板側回彈量也變小。

4 實驗驗證

針對應于上述研究，進行中通道加強板沖壓成形試制。在滿足成形性和起皺要求的前提下，設置虛擬拉延筋系數為0.3（部分特殊區域變動±0.5），壓邊力為1100kN，板料厚度為1.2mm和1.0mm。其他工藝參數按照初始拉延成形進行設置，最終得到拉延之后的真實回彈量，如圖15為通過電子掃描得到的實際生產零件與數模的對比回彈圖。

圖15 零件試制后電子掃描回彈量示意圖

由圖15中可以看出，回彈量最大的位置存在于焊縫區域和距離焊縫不遠處的薄板處，大小分別為6.321mm和6.786mm，其他區域的回彈量相對較小。對比于上述研究中的其他范例，零件回彈得到部分改善，可繼續增加一道整形工序，盡量減小回彈量，提高裝配精度。

5 結論

通過對中央通單拼焊板的研究，以及零件試制之后的對比，可以得出結論：

（1）中央通道拼焊板中，薄板區域的最大回彈量較厚板側大，拉延過程中應盡量針對于薄板區域回彈進行設計。

（2）隨著壓邊力和拉延筋系數的增大，板料塑形變形充分，零件最大回彈量逐漸降低，所以應在保證成形性的前提下合理提高壓邊力和拉延筋系數大小。

（3）板料的厚度差對回彈影響較大，過大的厚度差導致板料不均勻，最終導致回彈增大，所以拼焊板的設計應適當選擇兩側的厚度差。

[1]徐長敏.汽車用激光拼焊板成形性能研究[D].天津：天津大學材料科學與工程學院.

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[5]Chang S H，Shin J M，Heo Y M，et al．Springback characteristics of the tailor-welded strips in U-bending[J]．Journal of MaterialsProcessingTechnology．2002，130-131：14-19．

[6]劉曉晶，周文浩，劉博，等.拼焊板U形件彎曲成形回彈補償和焊縫移動規律研究[J].材料科學與工藝2015，6.

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