激光拼焊板冲压过程焊缝流动研究

引言

汽车用激光拼焊板是近年来发展很快的一项技术，目前已经共有100多条拼焊板生产线分布于世界各地，其应用范围也从单纯解决板材宽度不足问题，而逐渐趋向于对不同厚度、不同材质以及不同表面处理钢板的拼焊。即将原来由几块不同厚度和不同强度板材分别冲压成零部件，然后焊接成整体件的工序，改成先将不同强度和不同厚度的板材冲裁、焊接成整体毛坯，然后进行整体冲压成型。这对减轻汽车重量、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。通过激光拼焊的方法减少了原先冲压工序次数，现改为一次冲压成形，对控制板材冲压成形废品率起到一定的作用，但同时由于激光焊缝部位的硬化，给冲压过程也带来了一定的挑战。其中在冲压过程中焊缝的流动便是其中问题之一。这就需要在模具设计时考虑焊缝可能的流动现象，从而使其设计结构合理。图1所示为由于模具设计未考虑到焊缝流动现象而导致的零件冲压开裂现象。

图1 焊缝流动导致的开裂

从图1可以看出，由于焊缝的流动导致了焊缝的开裂。由此可见，对激光焊缝在冲压时的流动现象进行研究有十分重要的意义。

1、实验材料

本次实验所采用的材料为冷轧钢板，其化学成分见下表1所示。实验材料的厚度为0.8mm 与1.2mm 的激光拼接。

表1 实验材料的化学成分

2、实验方法

2.1 激光焊接

对上述0.8 与1.2mm 的差厚材料进行激光焊接，由于试验采用的激光束光斑直径小和待焊钢板较薄，在本研究中采用激光切割对其边部进行准备，经研究表明采用激光切割准备的边部可以满足激光拼焊时对边部质量的要求。在本次试验中采用PRC CO2 激光器对实验材料进行激光焊接。激光焊接功率采用4000W，焊接保护气体为氦气，试样激光焊接速度为3400mm/min，聚焦焦距为220mm。图2 为激光焊接后的试样尺寸和试件图。

(a)拼焊板尺寸 (b)实验用激光拼焊板
图2 数值模拟和实验用拼焊板

2.2 数值模拟和试验方案

对激光拼焊板进行冲压的拉延深度定为90mm，其成形相对高度可用h/r来表示（其中h 为成形高度，r为零件的拐角半径），其h/r 值近似等于2。运用DynaForm 软件，采用方案1：普通压边圈和方案2：厚度变化式压边圈这两种方案来模拟研究激光拼焊零件冲压过程中的焊缝移动、厚度变化及应力应变等，同时通过实际激光拼焊板零件的实冲试验来与模拟分析结果作比较分析。

3、讨论

3.1 最大焊缝移动和材料流动

以垂直于初始焊缝的方向（X-X 方向）为参考方向，材料流动、焊缝移动均指沿此方向，若材料流动或焊缝移动与此方向相反，则以“－”号表示。图3 为采用两种方案成形仿真模拟后的材料流动分布示意图。图中左侧为0.8mm 厚度板料，右侧为1.2mm 厚度板料。

(a)方案1下的材料流动分布图(b)方案2下的材料流动分布图
图3 方案1和方案2的材料流动分布图

从图中可以看出，方案1所导致的厚侧材料流入最少，薄侧材料也以方案1流入最多，由此相应地导致焊缝移动量也是以方案1为最多。表2为两种方案下数值模拟与实冲试验后焊缝上测量的各点移动值。

表2 两种方案下的焊缝移动量实验值和数值模拟值

从表中可以看出，采用方案1：实冲试验值与数值模拟值之间的误差较大，而方案2：实冲试验值与数值模拟值之间的误差较小，数值模拟能够较为精确的预测焊缝移动量的大小。

3.2 薄侧板料最大增厚率

激光拼焊板在冲压过程中，起皱一般容易发生在薄侧材料，因而对在本研究中两种方案下的薄侧材料最大增厚率进行数值模拟计算，如表3所示，以求得不同方案对激光拼焊板起皱趋势的影响程度。

表3 两种方案下薄侧材料的最大增厚率

从数值结果可以看到，采用方案2 冲压，拼焊板的最大增厚率小于方案1。这表明方案1的起皱趋势最大，而方案2则有助于减轻起皱趋势。

3.3 板料最大拉应力

表4、表5分别表示在不同方案成形后激光拼焊板的最大径向拉应力和最大切向拉应力。从数值结果可以看出，方案2的最大径向拉应力和最大切向拉应力均小于方案1，从而可见方案2对改善焊缝流动有一定的效果。

表4 两种方案下的最大径向拉应力

表5 两种方案下的最大切向拉应力

4、结论

(1) 数值模拟可以预测激光拼焊板冲压过程中焊缝流动现象。
(2) 对于激光拼焊板在冲压过程中，通过对压边圈进行特殊处理，能够减少激光拼焊板板成形过程中的焊缝移动数量，从而减轻薄侧材料的起皱，减少最大拉应力和危险点的应变，最终提高激光拼焊板的成形性能。

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