拼焊板U形件弯曲成形回弹补偿和焊缝移动规律研究

刘晓晶，周文浩，刘 博，王 哲，王 聪

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040）

拼焊板U形件弯曲成形回弹补偿和焊缝移动规律研究

刘晓晶，周文浩，刘 博，王 哲，王 聪

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040）

为了提高预测回弹的准确性，选用了拼焊板U形件作为研究对象，运用Dynaform软件，进行冲压成形和回弹的有限元数值模拟研究，得出了压边力、板料强度以及板料厚度对焊缝移动的影响规律，并探讨了焊缝、压边力、材料性能参数和板料厚度对回弹的影响，最终进行回弹补偿与实验验证.研究结果表明随着压边力的增大，焊缝向厚侧移动；板料强度不同时，焊缝向强度高的一侧移动；厚度不同时，焊缝向板料厚的一侧移动；焊缝会令板料的回弹量增大；随着压边力的增大，回弹量减小；弹性模量相同的条件下，材料屈服极限σs越高，回弹角越大；材料硬化指数n越小，回弹角越大；保持厚侧板料不变的情况下，另一侧板料越薄，回弹量越大.

拼焊板；有限元分析；移动；回弹补偿

拼焊板是指将两块或两块以上的板料在冲压成形之前焊接在一起，然后进行成形，以满足不同部位零件性能的要求，这些板料可以具有不同厚度、力学性能和电镀层［1-2］.随着人们对节能、环保和安全驾驶等方面的重视，汽车制造者需要不断的创新工艺来降低车身重量，拼焊板为上述问题提供了一个良好的解决方案［3-4］.但是由于拼焊板焊缝和热影响区的存在以及焊缝两侧母材存在机械性能和厚度上的差异，导致成形过程中的破裂、起皱、回弹和焊缝移动，成形性能下降，甚至成形困难［5］.随着焊接质量的提高以及有限元模拟软件功能的日益增加，有限元模拟软件可以预测成形过程中板料的拉裂、起皱、减薄、焊缝移动和回弹等，评估板料的性能，从而为优化工艺参数，缩短模具制造周期提供依据［6-9］.介于拼焊板的回弹问题的影响因素诸多，对拼焊板的成形及回弹仍需做进一步的研究［10-12］.

本文主要通过数值模拟的手段对多种条件下拼焊板U形件的成形及回弹进行模拟，分析拼焊板U形件焊缝移动及回弹规律，并利用补偿的方法修改模具以达到减小回弹的目的［13-15］.

1 焊缝移动及回弹规律的研究

本文对U形件拼焊板的成形进行模拟.具体形状和尺寸如图1所示，零件的宽度为20 mm.

图1 U形件的形状及尺寸（单位：mm）

根据U形件尺寸建立凹模模型，将凹模模型的型面转换为国际常用的片体格式IGES文件，再将其导入到CAE分析软件Dynaform5.6中，压边圈和凸模等工具都是在Dynaform中自动生成的，由于主要研究的是焊缝的移动规律与回弹现象，所以没有设计焊缝宽度，焊缝初始位置在底面中间处，利用软件自带的网格划分工具，平均划分为单元为1 mm的网格，模型如图2所示.

图2 拼焊板U形件拉深有限元模型

1.1 影响焊缝移动的因素分析

一般在弯曲成形中，拉伸变形量主要集中在薄侧，在板料两侧施加压边力相等的情况下，薄侧相对厚侧更容易流入凹模，这就使得焊缝被拉向厚侧.

1.1.1 压边力对焊缝移动的影响

表1是材料为HSLA350，厚度为0.8～1.2 mm的拼焊板焊缝随压边力的变化的移动情况.从表中可以看出，焊缝移动量是随着压边力的增大而增加的.

表1 不同压边力时焊缝移动量

1.1.2 板料强度对焊缝移动的影响

选择固定一侧材料为HSLA350，另一侧材料为HSLA250、HSLA300、HSLA350、HSLA550，厚度为1.2 mm的板料进行模拟，压边力为20 kN.材料的性能参数如表2所示.模拟结果如表3所示（HSLA350一侧为正方向）.

从结果中可以看出，焊缝是向板料强度高的一侧移动，分析原因为板料强度低的一侧屈服极限低，在相同的压边力的作用下，板料的流动性更好，从而板料被拉向强度高的一侧.

表2 材料性能参数

表3 不同板料时焊缝移动量

1.1.3 板料厚度对焊缝移动的影响

选择固定一侧厚度为1.4 mm，另一侧为0.8、1.0、1.2、1.4 mm的板料进行模拟，材料为HSLA350，压边力为25 kN，模拟结果如表4所示.

表4 不同板厚比时焊缝移动量

从结果中可以看出，焊缝是向板料厚的一侧移动，分析原因为在相同的压边力的作用下，板料厚的一侧流动性差，随着板料厚度比的增加，板料的厚度越来越接近，两侧板料流入凹模的量也越来越接近，焊缝移动减小.

1.2 弯曲成形影响回弹的因素分析

拼焊板不同于光板之处就是焊缝的存在，对于两侧材料和厚度都不同的拼焊板，焊缝的存在使其卸载回弹时释放应力更加复杂化.与同种规格的光板相比，即使拼焊板两侧的材料、厚度都相同，由于焊缝的存在，其力学性能也会发生一定的改变.虽然仅仅用刚性节点代替拼焊板的焊缝，但还是不可避免地对回弹产生了一定的影响.

由于U形件回弹后圆角半径发生变化，而直接测量各部分圆角半径很难做到准确.文中采用的是MUMISHEET’93国际会议的标准测量法，其中侧壁部分回弹量由回弹前后侧壁的夹角表示，法兰部分回弹量由回弹前后法兰夹角表示，如图3所示.

图3 回弹角测量示意图

1.2.1 焊缝对回弹的影响

表5为不同压边力下，1.2 mm×1.2 mm的拼焊板和1.2 mm的光板的回弹量（此处回弹量为底部和法兰圆角回弹量之和）.

表5 拼焊板与光板回弹对比

从表中可以看出，由于焊缝的存在，拼焊板的回弹量要大于1.2 mm的光板的回弹量，另外从表中还可以看出，由于焊缝的影响，即使拼焊板两侧板料的厚度和材料性能均相同，其两侧的回弹量也存在差异.

1.2.2 压边力对回弹的影响

选择材料为HSLA350，厚度为0.8～1.2 mm的钢板，凹模底部圆角半径为10.72和10.48 mm，法兰圆角半径为9.4和9.6 mm；凸模底部圆角半径为9.4和9.6 mm，法兰圆角半径为10.72和10.48 mm；凸模底部为阶梯型，凸凹模间隙为1.1倍的板厚；摩擦系数μ为0.125.选取压边力分别为10、15、20、25 kN进行数值模拟，模拟结果如图4所示.

图4 压边力对总回弹角的影响

从图中可以看出，无论是拼焊板还是光板，总的回弹角都是随着压边力的增大而减小的，并且拼焊板的回弹角始终大于对应厚度的光板，原因为焊缝和厚度差的存在导致变形不均匀，增加了回弹角.在10 kN的时候拼焊板的回弹角很大且薄侧大于厚侧，是因为在该压边力作用下，两种板料均处于弹性变形阶段，应力释放后产生的弯矩较大，回弹角较大，而相对于厚板，薄板更容易发生弹性恢复，所以薄侧回弹角大于厚侧；15 kN时，薄侧回弹角急剧减小，小于厚侧回弹角，这是因为随着压边力的增大，薄侧板料由弹性形变转换为塑性变形的量逐渐增大，而厚侧还处于弹性变形阶段；20 kN时，厚侧进入弹性变形的量也增多，回弹角急剧减小；25 kN时，薄厚两侧板料塑性变形的都比较充分，由于厚侧板料参与塑性变形的量比薄侧多，抵抗回弹变形的能力就大，所以厚侧的回弹角比薄侧小.

1.2.3 材料性能参数的影响

选择固定一侧板料为HSLA350，另一侧材料为HSLA250、HSLA300、HSLA350、HSLA550，板料厚度为1.2 mm，压边力为20 kN的钢板进行成形及回弹的有限元模拟，材料参数如表2所示.

屈服极限σs和硬化指数n对回弹角的影响如图5和图6所示.由图可知，材料为HSLA350一侧在另一侧为相同材料时回弹角最小.而另一侧回弹角随着屈服极限σs的增大而增加，随着硬化指数n的增大而减小，这是因为，在塑性弯曲时，弯曲角回弹量和表示为

式中：E为弹性模量；t为板厚；ρ0为板料密度；α为弯曲角.在弹性模量E不变的情况下，材料屈服极限σs越高，回弹角越大；材料硬化指数n越小，回弹角越大.

图5 屈服极限对总回弹角的影响

图6 硬化指数对总回弹角的影响

1.2.4 板料厚度对回弹的影响

选择厚侧板料厚度为1.4 mm，薄侧板料厚度为0.8，1.0，1.2和1.4 mm，板料材质为HSLA350，压边力为25 kN，模具尺寸及间隙根据板料厚度进行修改，模拟结果如图7所示.

图7 板料厚度比对总回弹角的影响

由图可知，随着板厚度比的增加，拼焊板两侧回弹角都减小，板厚比越接近于1，回弹角越小，这与一般光板随厚度变化规律相同.但是对于厚度始终为1.4 mm的一侧来说，回弹角并不是不变的，而是随着厚度比的减小而减小，这是因为随着板厚比的减小，两侧板料在成形时应力分配更均匀，最终1.4 mm板料回弹角也减小.

2 回弹补偿

2.1 模拟设置

选取的U形件如图1所示，板料选择材料和厚度均不相同的两块板拼焊而成，其中厚侧材料为DP500，厚度为1.2 mm；薄侧材料为DQSK，厚度为0.8 mm，两块板料采用底层对齐的方式进行拼焊.表6为两种材料的性能参数.

表6 材料性能参数

将DP500对应的压边圈上施加较大的压边力，初步定为20 kN，材料为DQSK所对应的压边力设定为12 kN.考虑到薄侧压边力小于厚侧压边力，焊缝必然会向厚侧移动，为了获得焊缝在对称中心的U形件，所以将板坯的初始位置从模具中心向薄侧移动8 mm.凸凹模间隙参照母材的厚度，厚侧设定为1.32 mm，薄侧设定为0.88 mm，定义虚拟冲压速度为2 000 mm/s.

回弹模拟结果如图8所示.厚侧回弹角大于薄侧回弹角，原因为厚侧板料变形不充分，进入塑性变形的部分少，且厚侧板料强度大，故回弹角大.

图8 拼焊板U形件回弹前后截面线

2.2 回弹补偿

根据第一次成形和回弹结果，对U形件进行回弹补偿.通过数值模拟，软件对模面进行自动修改，并生成一套新的工具网格，如图9所示，可以看出，模具的凹模、凸模和压料面都做了调整.但是自动生成的模具型面单元有很多发生了扭曲变形，需要手动进行修补，再修补过后重新进行单元检查，直至满足要求为止.

用补偿后的模具重新进行冲压成形的有限元数值模拟，成形的效果与第一次成形的基本相同，这里不做过多介绍，并把模拟后的结果再次进行回弹计算.把回弹后的结果与第一次成形后的结果做对比，并测量二者之间的回弹角（这里称为回弹角，实际为二者之间法兰与侧壁的角度），发现厚侧的回弹角下降比较明显，法兰部分从2.44°降到1.13°，侧壁部分从4.41°降到1.21°.薄侧的回弹角法兰部分从1.32°降到0.94°，侧壁部分从1.55°降到0.43°.为使厚侧回弹角也降到1°以下，所以进行第二次回弹补偿.

重复第一次回弹补偿的过程，进行第二次回弹补偿，并使用补偿过的模具重新进行成形及回弹的有限元数值模拟模拟，并把回弹后的结果与第一次成形后的结果做对比，并测量回弹角，发现薄厚两侧板料的回弹角再次减小了，厚侧法兰部分从1.13°降到-0.19°，侧壁部分从1.21°降到0.71°.薄侧法兰部分从0.94°降到0.49°，侧壁部分从0.43°降到0.11°.并且在第二次补偿回弹过后，厚侧法兰部分已经高于了第一次成形后的厚侧法兰了.

图9 补偿后模具图

3 实验验证

试验中所采用的模具尺寸与模拟时设计的尺寸相同，试验所采用的板坯为1.2 mm的高强钢板和0.8 mm低碳钢板并利用激光焊接的方法焊接而成，焊缝较小，板坯的宽度为20 mm、长度为160 mm，焊接方式采用激光焊接，拼焊板的对齐方式为底部对齐，压边力设定薄侧为12 kN，厚侧为20 kN，其余参数均按照模拟设定的参数.对板坯进行多组冲压试验，选择效果比较好的几组进行对比，发现初始位置在模具中间的式样板坯，在冲压后焊缝向厚侧移动了，经测量移动距离约为7 mm，回弹量厚侧略大于薄侧，模具为第一次成形模拟时的模具.初始位置从模具中心向薄侧移动8 mm的式样板坯，模具为第一次成形模拟时的模具，成形后焊缝略向薄侧移动，回弹量厚侧略大于薄侧.最后的式样板坯初始位置与第二次的位置相同，模具为模拟时第二次补偿后的模具，可以看出成形后焊缝位置基本上在中间，回弹后的零件型面接近标准零件型面.之后将U形件模拟数据与实验数据放到同一表格中进行对比，对比结果如表7所示.

从表格中的数据分析可以得出：

1）拼焊板U形件实验时测得回弹角与模拟时测得的回弹角基本相符，并且实验测得的回弹角略大于模拟时测得的回弹角.

2）试验与模拟中，经过补偿过后的拼焊板U形件回弹角都有明显减小，这说明对模具进行型面补偿可以有效地减小回弹缺陷，获得质量更高的零件.

表7 回弹实验数据

4 结 论

1）随着压边力的增大，一方面拼焊板的回弹角逐渐减小；另一方面焊缝移动量逐渐增加，并且受焊缝和材料厚度差异的影响拼焊板单侧回弹角始终大于对应材料光板回弹角.

2）屈服极限越大，硬化指数越小，回弹角越大，并且拼焊板屈服极限大，硬化指数小的一侧比另一侧回弹角大；焊缝向强度高的板材一侧移动.

3）随着厚度比的增加，拼焊板回弹角逐渐减小，焊缝移动也逐渐减小，且拼焊板薄侧回弹角始终大于厚侧.

4）模具进行型面补偿可以有效地减小回弹缺陷，获得质量更高的零件.

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（编辑 张积宾）

U-shaped pieces of TWB bend forming and springback compensation and the law of weld movement

LIU Xiaojing，ZHOU Wenhao，LIU Bo，WANG Zhe，WANG Cong

（School of Material Science&Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China）

In the paper，in order to improve the accuracy of springback prediction，the u-shaped pieces of tailor-welded blanks（TWB）is selected as the research object，and metal forming and rebound are analyzed by using Dynaform software.The paper reveals the effect of blank holder force（BHF），strength and thickness of the two sheets on the weld-seam movement and springback，ultimately，performs springback compensation and experimental verification.The results show that with the increase of BHF，the movement amount of weld seam increases，and movesto the thicker side；when strengths of the two sheets are different，weld seam moves to sheet with higher strength；when thicknesses of the two sheets are different，weld seam moves to the thicker sheet.Weld seam could increase the amount of springback of sheet metal.With the increase of BHF，it could decrease the springback amount；Under the same condition of elastic modulus，the springback angle increases with increasing yield strength and decreasing the hardening exponent.When the thickness of the thicker sheet is constant，the springback amount increases with the decreasing of the thickness of thinner sheet.

tailor-welded blanks；finite element analysis；movement；springback compensation

TQ330.4+1

A

1005-0299（2015）06-0114-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20150621

2014-12-21.

黑龙江省自然科学基金（E201102）.

刘晓晶（1966—），女，博士，教授，硕士生导师.

刘晓晶，E-mail：lxj812@126.com.