双相钢激光拼焊板温成形拉深性能分析研究

陈 炜，何振良，郭玉琴，刘 政，王 通

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

双相钢激光拼焊板温成形拉深性能分析研究

陈 炜，何振良，郭玉琴，刘 政，王 通

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

板料的温塑性成形方法已经得到广泛使用，可以运用到双相钢激光拼焊板成形中以提高其成形性能。以盒形件为分析对象对双相钢激光拼焊板的温拉深性能进行了研究，通过温单拉实验、盒形件温拉深过程的有限元模拟与实冲实验以及金相实验，分析了双相钢激光拼焊板由常温到500℃各个温度下的力学性能与拉深性能。结果表明：成形温度对双相钢激光拼焊板温拉深影响比较显著，在400～500℃温度范围内进行温成形，能获得较好的成形性能。

激光拼焊板；温拉深；盒形件；双相钢

双相钢属于相变强化高强度钢，由铁素体与马氏体组成，具有屈强比低、无屈服延伸、应变强化指数高和良好的抗碰撞性能等特点，已发展成为一种汽车用高强度新型冲压用钢［1－4］。

双相钢激光拼焊板兼有双相钢板与激光拼焊板技术的优点，但是在常温下难以成形［5－7］。近年来，板料的温塑性成形方法开始得到广泛使用［8］，可以运用到双相钢激光拼焊板成形中以提高其成形性能。然而，随着板料强度的增加，其成形性变差，特别是在拉深成形过程中，容易引起模具磨损、工件破裂等缺陷，双相钢激光拼焊板温拉深过程也不例外。

在工程实践中，工件多为非轴对称回转形状，而盒形件具有典型非回转对称形状特征，特别是其拉深过程中各部分的应力应变分布状态与复杂覆盖件有着诸多共性。因此本工作以盒形件为分析对象对双相钢激光拼焊板温拉深性能进行了研究，通过温单拉实验、盒形件拉深过程的有限元模拟与实冲实验以及金相实验，分析了双相钢激光拼焊板由常温到500℃各个温度下的力学性能与拉深性能，为双相钢激光拼焊板非回转特征工件的温拉深工艺及模具设计的优化提供了一定依据。

1 双相钢拼焊板母材及焊缝在各个温度的流变应力

流变应力是研究板料成形最基本的信息，并且其应力应变关系对于成形过程的有限元仿真也是必要的。因此本工作进行了B340／590DP双相钢母材和拼焊板由常温到500℃的温单拉实验，得到了拼焊板和母材的应力应变数据，通过等应变法［9，10］计算得到焊缝的应力应变曲线，最终经实验和计算所得的母材和焊缝的真实应力应变曲线如图1（a），（b）所示。

图1 不同温度下母材和焊缝的真实应力－应变曲线（a）母材；（b）焊缝Fig．1 True stress－strain curve of base metal and weld at different temperature （a）base sheet；（b）weld

由图1（a）可以看出，双相钢母材在200～300℃之间存在明显的加工硬化现象，并且随着温度的升高发生了强度增大、塑性和韧性降低的现象。与常温下母材的拉伸实验相比，在200～300℃区间双相钢的成形性能几乎没有提高。在400～500℃区间成形时，主要是发生加工硬化和动态回复，根据拉伸真实应力－应变曲线可以看出，材料有明显的软化现象，双相钢强度小于室温拉伸时的强度，成形性能较好。由图1（b）可以看出，在室温～500℃区间，焊缝的强度要远高于母材。

2 双相钢拼焊板的温拉深研究

2．1 盒形件温拉深Abaqus有限元模拟

由于温拉深过程是一个复杂的动态非线性接触过程，因此，本工作选择ABAQUS／Explicit动态显式算法作为模拟平台。在ABAQUS前处理模块里完成板料和模具几何模型的建立。在ABAQUS的Property模块中赋予拼焊板的材料性能，B340／590DP双相钢激光拼焊板的母材和焊缝力学性能由前述实验得到，其中弹性模量为210GPa，泊松比为0．3，材料密度为7826kg／m3。需要定义4个接触面，3组接触对，它们分别是：板料上表面与凸模，板料下表面与凹模，板料上表面与压边圈下表面。选择刚体表面作为主面，变形体表面为从面。板料与模具接触面换热系数为3483W／（m2·K）。本分析过程是一个几何非线性、材料非线性和接触非线性的过程，选用C3D8R六面体缩减实体单元划分模具和板料网格。根据对焊缝和热影响区的综合考虑，拼焊板焊缝的宽度定为2mm。为节省计算时间，提高计算效率，采用1／2模型，如图2所示。其中，模具设置为刚体，板料为变形体。细化焊缝区网格，板料厚度方向划分为五层单元，焊缝与母材采用刚性连接处理，板料及焊缝网格划分如图3所示。

对1．0／1．0厚度比的拼焊板在室温、200℃、300℃、400℃和500℃下的等温拉深过程进行数值模拟。各温度下拼焊板的成形工况一致，即压边力为10MPa，冲压速率为10 mm／s，摩擦因数为0．1，根据工程实际情况，本工作采用厚度减薄率达到30%为破裂准则［11］。各温度下，拼焊板盒形件模拟的极限拉深高度如图4所示。可以看出，在同一成形工况下温度对拼焊板盒形件的极限拉深高度影响比较明显。在各成形温度下，拼焊板盒形件的最大等效应变位置均处在凸模圆角或凹模圆角区域，其中凸模圆角为减薄区，凹模圆角为增厚区。焊缝区与周围母材区的等效应变基本一致。随着温度的升高，焊缝区强度足够，不易发生破裂失效。

图4 各温度下盒形件拉深的等效应变云图（a）室温；（b）200℃；（c）300℃；（d）400℃；（e）500℃Fig．4 Equivalent strain distributions of deep drawing of rectangular cup at elevated temperatures（a）room temperature；（b）200℃；（c）300℃；（d）400℃；（e）500℃

2．2 盒形件温拉深实冲试验

为了研究B340／590DP双相钢激光拼焊板在各个温度下实际的温拉深性能，本工作进行了方形盒形件实冲实验。图5显示了各个温度下双相钢激光拼焊板盒形件的极限拉深高度，图6指出了400℃时破裂发生在盒形件圆角处，焊缝界面没有发生破裂失效，其他温度下，破裂位置与焊缝界面情况与之相同。

实验结果表明，在同一温拉深工况下，温度对双相钢拼焊板盒形件的极限拉深高度影响显著，200℃和300℃拼焊板盒形件由于钢的蓝脆现象其成形性能不如室温，而400℃和500℃的成形性能则高于室温。在室温到500℃温度范围内，焊缝具有足够的强度和刚度，而不致发生失效破裂。

图5 温度对拼焊板盒形件拉深高度的影响Fig．5 Effect of temperature on drawing height of rectangular cup

图6 B340／590DP双相钢拼焊板400℃时拉深结果Fig．6 Experimental results of rectangular cup at 400℃

这些实冲结果与有限元模拟基本一致，验证了有限元模拟的可靠性，拼焊板盒形件的数值模拟预测高度与实验拉深高度比较如图7所示，模拟值比实验结果偏大，但其误差小于7%。

400℃和500℃时拼焊板成形性能要明显好于室温、200℃和300℃。这除了400℃不在拼焊板的蓝脆区的原因以外，还有动态回复和部分动态再结晶的产生使得材料出现了软化现象。为了进一步分析研究，本文用光学显微镜对400℃拉深后的盒形件分区域进行了微观组织观察，分别是：盒形件的平面凸缘部分（区域①）、盒形件拐角的直壁部分（区域②）、凸模圆角部分（区域③）和盒底部分（区域④），四个区域的金相组织如图8所示。可以看出，变形程度较大的区域②和③处于动态再结晶的起始阶段，发生了少量的动态再结晶但是动态再结晶程度较低。变形程度较低的区域①和④动态再结晶几乎为零。从金相分析实验来看，400℃和500℃时双相钢盒形件成形性能提高的原因主要是由于动态回复产生的软化。

图7 盒形件极限拉深高度数值模拟与实验结果比较Fig．7 Comparison between numerical and experimental limit drawing height of rectangular cup

图8 400℃盒形件不同区域金相组织Fig．8 Metallographic structure of different sites of rectangular cup at 400℃

3 结论

（1）通过温单拉实验，盒形件温拉深数值模拟与实验分析对B340／590DP双相钢激光拼焊板的温拉深性能进行了研究。通过实验分别得到了B340／590DP双相钢激光拼焊板从室温到500℃的力学性能和盒形件温拉深的极限拉深高度，为实际工程应用提供了一定的参考价值。

（2）成形温度对双相钢激光拼焊板盒形件极限拉深高度的影响比较显著，随着温度的上升，拼焊板盒形件的极限拉深高度呈上升趋势，但在200～400℃温度范围内出现了蓝脆现象。研究表明双相钢拼焊板在400～500℃温度范围内进行温成形，能获得较好的成形性能。

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Analytical Studies for Deep Drawing Formability of DP590 Tailor－welded Blanks on Warm Sheet Metal Forming

CHEN Wei，HE Zhen－liang，GUO Yu－qin，LIU Zheng，WANG Tong
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China）

The warm forming process has been widely applied as a promising alternative，which can be applied to the forming of dual phase steel（DP）laser tailor－welded blanks（TWBs）to improve their drawing formability．The deep drawing formability of DP－TWBs on warm sheet forming has been investigated by the square cup．Tensile tests，finite element and experimental analysis on deep drawing of square cup，metallographic tests were used to investigate the formability of DP－TWBs at various temperatures ranging from room temperature to 500℃．The results show that the forming temperature has great effect on the formability of DP－TWBs，and the formability is much better when they are formed at the temperature from 400℃to 500℃．

laser tailor welded blanks；warm deep drawing；square cup；dual phase steel

TG457．11；TG113

A

1001－4381（2012）07－0015－05

国家自然科学基金资助项目（50775102）；上海市数字化汽车车身工程重点实验室开放基金课题（2009003）

2011－07－26；

2011－12－05

陈炜（1965—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为板料塑性成形技术、精密成形与微成形、模具CAD／CAE／CAM一体化技术，联系地址：江苏大学机械工程学院模具技术研究所（212013），E－mail：chen＿wei＠ujs ．edu．cn