汽车车身激光拼焊板国内外研究进展*

李艳华，林建平

(同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

前言

车身轻量化和提高安全性与舒适性是汽车制造商面临的巨大挑战。拼焊板作为车身轻量化的重要技术获得了广泛应用。然而，由于焊缝的存在和厚度与材料性能的差异，拼焊板的成形性能低于单一板材。因此，国内外学者在拼焊板成形性方面进行了大量深入的研究，取得了丰富的研究成果。随着拼焊板应用范围和应用形式的发展，其相关研究逐渐从实验转向变形的内在机理方面。

本文中对拼焊板国内外的最新研究进行了分类总结，从成形极限、变形行为与预测方法、拼焊板成形影响因素和拼焊板设计技术4个方面简要介绍了拼焊板的研究成果，讨论了存在的问题和进一步研究的方向。

1 拼焊板成形极限研究进展

拼焊板的成形极限是反映和评价拼焊板成形性能、分析影响其成形性能因素的重要指标。但由于从实验中获取成形极限非常困难且成本较高，国内外研究学者通常从理论和数值模型方面计算和预测拼焊板的成形极限。这些模型主要可以分为两类:宏观尺度模型和微观尺度模型。宏观尺度模型关注塑性失稳，而微观尺度模型则基于连续损伤理论，考虑微裂纹或微孔洞效应的影响。

1.1 宏观尺度成形极限模型

宏观尺度模型是从宏观参数方面描述和表征材料的失稳和失效。文献［1］中使用等效应变率、主应变率、厚度应变率和厚度梯度4种准则判定板材的颈缩，从而预测拼焊板的成形极限，并对极限应变率进行了修正。文献［2］和文献［3］中都使用厚度梯度准则对拼焊板成形极限进行了预测。文献［4］中分别通过胀形实验和M－K模型获得纵向焊缝拼焊板的成形极限，根据实验和解析方法确定原始厚度缺陷度值。文献［5］中使用M－K模型，建立了基于HOSFORD屈服准则的拼焊板成形极限。文献［6］中使用基于顶点理论的颈缩准则预测拼焊板成形极限，并对3种不同焊缝方向的拼焊板进行极限胀高实验，预测的成形极限与实验结果较为吻合。

1.2 微观尺度成形极限模型

微观尺度模型是从孔洞和微裂纹等微观参数表征材料的失效，认为孔洞和微裂纹的形成、长大和扩展是导致材料失效的原因。文献［7］中使用GTN模型建立拼焊板的成形极限，模型参数通过响应面法获得。文献［8］中应用破坏损伤准则来确定拼焊板的成形极限，通过实验获得不同应变下的损伤参数，并使用这些参数和损伤准则在LS－DYNA中进行拼焊板成形仿真。

1.3 存在的问题和进一步研究的方向

宏观尺度模型和微观尺度模型都从各自的角度描述和解释拼焊板的失稳和失效，并建立成形极限。然而，基于应变率的成形极限建立方法必须借助于有限元分析，现实中无法直接测量。M－K模型中的初始厚度缺陷值f对成形极限结果影响较大，人们对其值的选择具有随意性，现实中难以直接应用。GTN模型和损伤模型须对损伤因子进行精确测量，而且这些方法须对软件进行二次开发，因而在实际应用中受到限制。因此，对于拼焊板，通过对其变形机理的研究，使用其他评价尺度和评价方法来描述成形极限是今后值得深入研究的地方。

2 拼焊板变形行为与预测研究进展

拼焊板的变形行为与变形预测是其应用的重要前提，也是国内外学者研究的热点所在。拼焊板由于存在焊缝和材料性能与厚度的差异，其变形行为和单一板明显不同。目前国内外学者主要是从变形行为和预测方法方面对拼焊板进行研究。

2.1 变形行为

拼焊板变形行为是指拼焊板在某种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。文献［9］中通过物理实验与数值模拟，对拼焊板的胀形变形进行了研究，发现其胀形高度随着厚度比增加而降低，焊缝向厚侧(强侧)移动，最大胀形力小于单一板。文献［10］中研究了DP600/DP600和TRIP700/TRIP700的超强度钢拼焊板的单向拉伸和胀形性能。在垂直于焊缝的单向拉伸中，所有试件均在母材处破裂，但抗拉强度均高于母材，延伸率低于母材。文献［11］中通过胀形实验研究了3种类型拼焊板的平面应变变形。结果发现对于异材异厚的拼焊板，横向焊缝(焊缝方向平行于宽度方向)拼焊板的胀形高度高于纵向(焊缝方向平行于长度方向)焊缝拼焊板。

文献［12］中通过二分法研究了拼焊板锥形件成形的起皱问题，并进行了实验验证。结果表明，二分法能对拼焊板的起皱进行准确预测;而切应力是引起起皱的重要因素。文献［13］中对拼焊板的液压胀形进行了研究。结果表明，与普通成形方式相比，液压胀形能够使得应变分布更为均匀、焊缝移动量更小，极限胀形高度可提高16%。

2.2 变形行为预测

由于拼焊板材料性能差异、厚度比等方面的多样性与复杂性，通过实验研究所有类型拼焊板的变形行为是不切合实际的，因此，通过理论和仿真对变形行为进行预测是解决问题的有效途径。文献［14］和文献［15］中基于人工神经网络技术开发了一个预测拼焊板单向拉伸、筒形件拉深的专家系统，将PAM STAMP数值模拟结果输入到神经网络模型中进行训练。结果表明，此专家系统对于新变形预测的结果与仿真较为符合。

文献［16］中将厚度比、强度比、焊缝方向、焊缝应变硬化指数、焊缝屈服强度和焊缝宽度等作为影响因素，进行6因素3水平正交试验设计，通过ABAQUS软件进行仿真试验，以极限应变、失效位置、最小厚度和应变路径作为输出，输入人工神经网络模型进行训练。神经网络模型预测结果与仿真误差在5%左右。

2.3 存在的问题和进一步研究的方向

目前针对拼焊板的变形行为主要是从单向拉伸、胀形以及不同的成形方法对异材差厚拼焊板进行研究。然而，文献［17］中对比单一板和拼焊板的半球胀形试验结果发现，同材同厚拼焊板纵向变形时的极限胀形高度比单一板下降了30%，横向变形时的极限胀形高度下降为10%左右，如图1所示。这与通过拼焊板成形理论推导得到的结论(母材材料性能和厚度差异造成拼焊板成形能力下降，同材同厚拼焊板的成形能力应与单一板相同)不符，这说明焊缝的存在对于拼焊板的成形存在重大影响。焊缝相对于母材来说是一个准刚性边界或者可视为刚性夹杂，其对母材的变形产生限制效应。从限制效应等成形机理方面研究拼焊板的变形行为是今后拼焊板研究的方向之一。

此外，随着超高强度钢的应用日趋广泛，对于超高强度钢(DP钢和TRIP钢)拼焊板的变形行为将成为研究的热点。

3 拼焊板成形影响因素研究进展

激光拼焊板是由激光焊缝和母材构成，不同母材、不同焊接参数下的焊缝性能存在差异，拼焊板成形数值模拟也须输入焊缝的材料参数，因此，研究焊缝的材料本构关系对于研究激光拼焊板至关重要。由于激光焊缝宽度为1mm左右，常规实验方法很难获得焊缝的材料参数。此外，母材的材料与厚度、焊缝热影响区和焊缝方向等都影响拼焊板的成形性能，这些影响因素也是拼焊板设计的基础与依据。

3.1 激光焊缝材料本构

在拼焊板成形模拟中，忽略焊缝性能模型在母材差异性较大的情况下适用，两侧母材强度和厚度相当时，对焊缝赋予特殊材料属性的焊缝处理方式与实验较为吻合［18］。精确描述焊缝的材料本构是拼焊板成形仿真的关键。对于焊缝材料本构的研究，一方面是对仅有焊缝的试件和小试件的单向拉伸进行研究［19］，基于“等应变”假设，采用“混合法”，以获得焊缝的应力应变关系［20］;另一方面，通过数字图像相关(DIC)技术测量焊缝的应变场从而获得其本构关系［21］。近年来，随着压痕试验技术的发展，压痕试验成为研究焊缝弹塑性性能的第3种途径。文献［22］中采用压痕实验获得了DP590激光拼焊板焊缝和热影响区的材料性能参数。文献［23］中基于压痕实验，建立了硬度和材料参数之间的关系方程，通过混合法建立了焊缝及热影响区域各个部分材料性能的解析公式，并通过压痕实验进行了验证。

3.2 成形影响因素

拼焊板母材材料和厚度、焊缝方向等都是其成形性的影响因素，以往的研究都是基于板厚比、强度比与综合强度比［24－25］和变形非均匀性［26］等方面，近期的研究则主要侧重于非均质材料性能方面。文献［27］中以拼焊板和相应的无焊缝磨削阶梯板为对象，从焊缝的存在和几何尺寸的非连续性等因素对拼焊板成形性能下降进行研究。结果表明，几何尺寸的非连续性是影响拼焊板成形性能下降的决定性因素，而焊缝的影响仅为6.1%，成形性降低对比见图2。文献［28］中通过仿真与实验研究了单一管和拼焊管的数控弯曲，发现焊缝和热影响区对于激光拼焊管应变分布存在限制效应，焊缝在外部位置条件下的限制效应最小。

3.3 存在的问题和进一步研究的方向

拼焊板激光焊缝是在极高的功率密度下进行焊接的，焊缝组织含有较高的马氏体相。文献［29］的研究结果表明，焊缝材料屈服强度和抗拉强度比母材有显著提高，但延伸率显著下降，焊缝材料呈现细晶硬脆化趋势。对于焊缝材料本构的研究存在以下3个问题:(1)焊缝材料是延性材料还是脆性材料，焊缝材料模型是否仍遵循幂指数方程;(2)“等应变”假设是否成立;(3)焊缝材料的失效准则问题。

延性材料和脆性材料的本构关系截然不同，故须对各种钢种的焊缝材料进行研究，以确定焊缝的本构形式。“等应变”假设认为焊缝与母材的应变是同步的、连续的。然而，文献［30］中认为，对于母材宽度远大于焊缝宽度的单向拉伸试件，焊缝沿长度方向延伸率较大是因为出现了大量与焊缝方向垂直的微裂纹。这些微裂纹扩展到延性较好的母材处停止，但并未产生宏观裂纹，也不引起整个拼焊板的失效。此外，不同变形形式下焊缝的应变状态也不同，必须将应变状态加入到焊缝的失效准则中，例如焊缝受压应力时不会先于母材失效。

目前关于拼焊板成形影响因素的研究已经从板厚比、强度比转移到研究焊缝对成形性的影响上来。焊缝由于屈服强度和抗拉强度高于母材，相当于一个准刚性边界，限制了邻近区域母材的变形。如何从连续介质力学和非均质材料变形角度描述和表征焊缝的限制效应及其与成形极限之间的关系是拼焊板研究的根本和难点。

4 拼焊板设计技术研究进展

对于车身拼焊板零件来说，车身设计者必须根据零件刚度、强度、自然频率和碰撞安全性等指标对拼焊板的材料、厚度、焊缝方向和位置进行设计，并根据成形性模拟来优化零部件的形状，以达到轻量化和安全性的目的。国内外学者在拼焊板设计方面主要是从优化拼焊板的厚度、焊缝位置和材料替换方面进行研究。

4.1 拼焊板零件优化设计

文献［31］中为降低门内板质量并提高其碰撞性能，以强度和抵抗变形能量作为优化的边界条件，使用神经网络和遗传算法对拼焊板门内板进行优化设计。文献［32］中设定焊缝最终的位置与形状目标，应用多步逆向计算拼焊板初始焊缝位置和焊缝形状。文献［33］中在优化门内板拼焊板零件时，根据拓扑技术优化母材和焊缝的数量，最后再进行尺寸优化和形状优化。文献［34］中为了设计成形后无需切边的净成形拼焊板板材，应用追溯映射技术设计拼焊板净成形板材形状和焊缝位置。文献［35］中考虑了强度、弯曲刚度和扭转刚度等限制条件对拼焊板厚度进行优化设计。文献［36］中以车身顶部压溃和侧碰性能为指标，通过支持向量衰减方法，使用拼焊板结构对车身B柱进行了轻量化设计。文献［37］中以某拼焊板车门各板件厚度和内板焊缝位置作为变量，综合试验设计、响应面法、优化算法和蒙特卡罗模拟技术，提出了基于6σ稳健性的轻量化方法。文献［38］中以车门内板为研究对象，根据车门的载荷和工况，采用拓扑优化技术对焊缝进行布置，然后在制造性约束条件下，优化板材的厚度，并通过高强度钢对材料进行替换。结果表明，相比于原始设计，优化后的车门内板零件质量减轻且使用性能提高，如图3所示。

4.2 存在的问题和进一步研究的方向

目前关于拼焊板设计方面的研究主要是针对典型拼焊板零件，提出相应的设计和优化方法。这些方法主要是以减轻零件质量为目标，以零件的使用性能为约束条件，使用各种优化方法对汽车零件拼焊板进行设计。然而，有些研究仅仅考虑了拼焊板零件的使用性能，未能兼顾零件的可制造性。有的研究虽然兼顾使用性能和可制造性，但未考虑高强度钢与低碳钢之间的激光焊接性能。此外，拼焊板的设计仍然是依靠设计者的经验，今后应在单一板零件基础上进行修改和完善，研究拼焊板零件的设计方法并制定统一的设计指导规范。

5 结论

拼焊板成形性能和设计技术一直是国内外研究的重点和热点。然而，对于拼焊板的变形机理、设计准则等共性技术的研究仍然欠缺。连续介质力学和非均质材料是今后拼焊板研究的主要方向。

此外，在迄今所见国内外关于拼焊板的研究论文中，大部分研究学者没有重视远离平衡态的高能束流(特别是具有最高功率密度的激光束)加工条件下物理冶金过程对微观和宏观组织的重要影响及其最终对塑性变形的影响，这和常规激光焊接过程有显著差别，也是激光拼焊板进一步深入研究必须注意的问题。

随着汽车轻量化的发展，高强度和超高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金等新材料在拼焊板上的应用日益广泛，这些拼焊板的焊接特性、焊缝性能和变形行为须进行深入的研究，以最大限度地实现车身的轻量化。

［1］Srinivas Naik B，Janaki Ramulu P，Ganesh Narayanan R，et al.Application of a Few Necking Criteria in Predicting the Forming Limit of Unwelded and Tailor－welded Blanks［J］.The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2010，45(2):79 －96.

［2］Ganesh Narayanan R，Narasimhan K.Predicting the Forming Limit Strains of Tailor－welded Blanks［J］.The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2008，43(7):551 －563.

［3］侯波，冯华云，陈炜，等.激光拼焊板成形极限的预测方法研究［J］.塑性工程学报，2008，15(4):28 －31.

［4］Menhaj A，Abbasi M，Sedighi M，et al.A New Concept in Obtaining a Forming Limit Diagram of Tailor Welded Blanks［J］.The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2011，46:1 －9.

［5］陈炜，彭志刚，侯波，等.激光拼焊板成形极限图的理论建立方法［J］.机械工程学报，2009，45(4):183 －186，191.

［6］Jie M，Cheng C H，Chow C L，et al.Limit Dome Height and Failure Location of Stainless Steel Tailor－welded Blanks［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，2007，221(Part C):1497 －1506.

［7］Abbasi M，Bagheri B，Ketabchi M，et al.Application of Response Surface Methodology to Drive GTN Model Parameters and Determine the FLD of Tailor Welded Blank［J］.Computational Materials Science，2012，53:368 －376.

［8］Chan L C，Cheng C H，Jie M，et al.Damage－based Formability Analysis for TWBs［J］.International Journal of Damage Mechanics，2005，14:83 －96.

［9］Sushanta Kumar Panda，Ravi Kumar D.Experimental and Numerical Studies on the Forming Behavior of Tailor Welded Steel Sheets in Biaxial Stretch Forming［J］.Materials and Design，2010，31:1365－1383.

［10］Uwe Reisgen，Markus Schleser，Oleg Mokrov，et al.Uni－and Biaxial Deformation Behavior of Laser Welded Advanced High Strength Steel Sheets［J］.Journal of Materials Processing Technology，2010，210:2188 －2196.

［11］Sushanta Kumar Panda，Ravi Kumar D.Study of Formability of Tailor－welded Blanks in Plane－strain Stretch Forming［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，44(7/8):675－685.

［12］Abbasi M，Ketabchi M，Labudde T，et al.New Attempt to Wrinkling Behaviour Analysis of Tailor Welded Blanks During the Deep Drawing Process［J］.Materials and Design，2012，40:407 －414.

［13］Sushanta Kumar Panda，Ravi Kumar D.Improvement in Formability of Tailor Welded Blanks by Application of Counter Pressure in Biaxial Stretch Forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，204:70 －79.

［14］Veera Babu K，Ganesh Narayanan R，Saravana Kumar G.An Expert System Based on Artificial Neural Network for Predicting the Tensile Behavior of Tailor Welded Blanks［J］.Expert Systems with Applications，2009，36:10683－10695.

［15］Veera Babu K，Ganesh Narayanan R，Saravana Kumar G.An Expert System for Predicting the Deep Drawing Behavior of Tailor Welded Blanks［J］.Expert Systems with Applications，2010，37:7802－7812.

［16］Abhishek Dhumal，Ganesh Narayanan R，Saravana Kumar G.Estimation of Tailor－Welded Blank Parameters for Acceptable Tensile Behaviour Using ANN［C］.PReMI 2009，2009，LNCS 5909:140－145.

［17］Saunders F I，Wagoner R H.Forming of Tailor－welded Blanks［J］.Metallurgical and Materials Transactions，1996，27A(9):2605－2616.

［18］林建平，胡巧声，邬晔佳，等.激光拼焊板焊缝仿真处理方式研究［J］.塑性工程学报，2009，16(6):113 －118.

［19］Milian J L，Adonyi Y.Formability of Tailored Blanks for Automotive Applications［C］.34th MWSP Conference Proceedings，Montreal，Canada，ISS－AIME，1992，:83 －91.

［20］Abdullah K，Wild P M，Jeswiet J J，et al.Tensile Testing for Weld Deformation Properties in Similar Gage Tailor Welded Blanks Using the Rule of Mixtures［J］.Journal of Materials Process Technology，2001，112:91－97.

［21］Scintilla L D，Tricarico L，Brandizzi M，et al.Nd:YAG Laser Weldability and Mechanical Properties of AZ31 Magnesium Alloy Butt Joints［J］.Journal of Materials Process Technology，2010，210:2206－2214.

［22］Chung K，et al.Characterization of Mechanical Properties by Indentation Tests and FE Analysis－validation by Application to a Weld Zone of DP590 Steel［J］.International Journal of Solids and Structures，2009，46(2):344－363.

［23］Song Y，et al.Characterization of the Inhomogeneous Constitutive Properties of Laser Welding Beams by the Micro－vickers Hardness Test and the Rule of Mixture［J］.Materials and Design，2012，37(0):19－27.

［24］孙东继，林建平，邢丹英，等.拼焊板母材性能参数与其板厚匹配关系研究［J］.系统仿真学报，2011(6):1113－1118.

［25］孙东继，林建平，刘瑞同，等.激光拼焊板综合强度比及其动态变化规律研究［J］.中国机械工程，2009，24:3002 －3007.

［26］邬晔佳，林建平，孙东继，等.拼焊板单向拉伸变形非均匀性［J］.塑性工程学报，2009，16(03):35 －39.

［27］Abbasi M，et al.Investigation into the Effects of Weld Zone and Geometric Discontinuity on the Formability Reduction of Tailor Welded Blanks［J］.Computational Materials Science，2012，59:158－164.

［28］Ren N，et al.Constraining Effects of Weld and Heat－affected Zone on Deformation Behaviors of Welded Tubes in Mumerical Control Bending Process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212(5):1106－1115.

［29］魏延鹏，虞钢，段祝平.高温高应变率下异种不锈钢激光焊接件的力学性能［J］.爆炸与冲击，2011，31(5):455 －462.

［30］Arcelor Mittal－stamping of Tailor Welded Blanks［J/OL］.http://www.arcelormittal.com/fce/repository/Tailored_Blanks/Catalogue－Chapter3.pdf.

［31］Zhu P，et al.Optimum Design of an Automotive Inner Door Panel with a Tailor－welded Blank Structure［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D(Journal of the Automobile Engineering)，2008，222(D8):1337－1348.

［32］Lee Choong Ho，Huh Hoon，Han Soo Sik，et al.Optimum Design of Tailor Welded Blanks in Sheet Metal Forming Processes by Inverse Finite Element Analysis［J］.Metals and Materials，1998，4(3):458－463.

［33］Shin J K，Lee K H，Song S I，et al.Automotive Door Design with the ULSAB Concept Using Structural Optimization［J］.Structural and Multidisciplinary Optimization，2002，23:320－327.

［34］Ku Tae－Wan，Kang Beom－Soo，Park Hoon－Jae.Tailored Blank Design and Prediction of Weld Line Movement Using the Backward Tracing Scheme of Finite Element Method［J］.International Journal of Advanced Manufacture Technology，2005，25:17 －25.

［35］Shi Yuliang，Zhu Ping，Shen Libing，et al.Lightweight Design of Automotive Front Side Rails with TWB Concept［J］.Thin－walled Structures，2007，45:8－14.

［36］Pan F，Zhu P，Zhang Y.Metamodel－based Lightweight Design of B－pillar with TWB Structure via Support Vector Regression［J］.Computers and Structures，2010，88(1－2):36－44.

［37］黄石华，成艾国，胡朝辉，等.基于6σ稳健性的拼焊板车门轻量化研究［J］.汽车工程，2011，33(3):262 －266.

［38］陈水生.汽车车身零件拼焊板设计关键技术及方法研究［D］.上海:同济大学，2011.