專(zhuān)利名稱(chēng)：激光拼焊板成形極限圖的建立和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及板料成形加工領(lǐng)域，涉及差厚激光拼焊板失效判據(jù)的建立和使用方
法，主要用于準(zhǔn)確判斷差厚激光拼焊板的頸縮或破裂，評(píng)價(jià)其成形性能。
背景技術(shù)：
激光拼焊板是指將兩塊或兩塊以上不同厚度、不同材料及不同表面狀況的板料通 過(guò)激光焊接而成一整塊板，然后進(jìn)行沖壓，以滿足沖壓零件不同位置對(duì)板料不同的性能要 求。激光拼焊板由于其減輕車(chē)身重量、提高安全性能和降低制造成本等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)工業(yè)中 得到廣泛運(yùn)用，如歐、美、日等國(guó)家的汽車(chē)廠車(chē)身制造，國(guó)內(nèi)一汽大眾奧迪的前地板、上海大 眾的Po 1 o轎車(chē)中央通道及門(mén)內(nèi)板均采用了激光拼焊板。 拼焊板成形性能大幅下降是激光拼焊板廣泛運(yùn)用的主要障礙之一，其成形性下降 的主要原因是由于焊縫和熱影響區(qū)的存在，導(dǎo)致拼焊板變形不均勻，最終失效表現(xiàn)為焊縫 或弱側(cè)母材開(kāi)裂。由于汽車(chē)沖壓件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拼焊板的失效形式也各不相同，人們迫切期望 深入了解激光拼焊板的成形性能，并能預(yù)測(cè)開(kāi)裂的位置和形式，為采取必要的措施提供必 要的依據(jù)。那么，如何判斷激光拼焊板得失效，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其成形能力已成為汽車(chē)業(yè)和鋼鐵業(yè) 的當(dāng)務(wù)之急。 對(duì)于單一板來(lái)說(shuō)，成形極限圖(Forming limit diagram,簡(jiǎn)稱(chēng)FLD)能反映板材在 不同應(yīng)變狀態(tài)下的變形能力，能直觀、有效地預(yù)測(cè)單一板成形能力和失效形式。但是，拼焊 板由于其焊縫和母材的差異性的存在，破壞了材料的均勻性和連續(xù)性，傳統(tǒng)的單一板FLD 不能正確反映拼焊板得成形能力和失效模式。工程中又迫切需要拼焊板成形能力和失效模 式的判斷方法，以正確、有效地評(píng)價(jià)其成形性能。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)拼焊板成形能力的判斷方法進(jìn)行了大量探索，主要是參考單一板成 形極限圖思想，建立拼焊板成形極限圖來(lái)評(píng)價(jià)拼焊板成形能力。 1.僅考慮拼焊板中焊縫材料的成形極限，用焊縫的成形極限曲線(Forming limit curve,簡(jiǎn)稱(chēng)FLC)來(lái)評(píng)價(jià)拼焊板的成形能力。 由于拼焊板失效可能出現(xiàn)在焊縫上，也可能出現(xiàn)在弱側(cè)母材上。上述將焊縫材料 的FLC用來(lái)評(píng)價(jià)拼焊板成形性能，無(wú)法正確預(yù)測(cè)失效出現(xiàn)在弱側(cè)母材的拼焊板。而且，已有 研究表明，焊縫上失效的拼焊板成形性能大大超過(guò)焊縫的成形性能，所以將拼焊板孤立出 來(lái)分析其FLC，不能合理反映失效出現(xiàn)在焊縫上的拼焊板成形性能。 2.僅考慮拼焊板弱側(cè)母材的成形極限，用弱側(cè)母材的成形極限圖(FLD)來(lái)評(píng)價(jià)拼 焊板成形性能。 雖然此方法可合理反映出失效出現(xiàn)在弱側(cè)母材的拼焊板的成形性能，但是無(wú)法反 映失效出現(xiàn)在焊縫上的拼焊板得成形性能和失效模式。 3.結(jié)合焊接區(qū)(包括焊縫和熱影響區(qū))和弱側(cè)母材的FLC的成形極限圖；弱側(cè)母 材FLC采用經(jīng)驗(yàn)公式或厚度梯度獲得，焊縫區(qū)的FLC通過(guò)半球脹形試驗(yàn)建立，如中國(guó)發(fā)明專(zhuān) 利申請(qǐng)200810020646. 0就公開(kāi)了一種這樣的"差厚激光拼焊板成形極限圖的建立和使用方法"。 這種方法可以正確評(píng)價(jià)焊縫上失效的拼焊板成形性能。但是，由于焊縫寬度小、硬 度高等特點(diǎn)，其失效處的主、次應(yīng)變難以獲取，給焊縫區(qū)的FLD建立帶來(lái)困難；另一方面，單 一板的FLD并不能評(píng)價(jià)弱側(cè)失效的拼焊板成形性能。 如上所述，到目前為止，已有的拼焊板評(píng)價(jià)方法均存在局限性，而工程中迫切需要 準(zhǔn)確判斷和評(píng)價(jià)拼焊板成形性能，為實(shí)際沖壓生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種激光拼焊板成形極限圖的建立方法，用于判
斷激光拼焊板的頸縮或破裂，有效評(píng)價(jià)其成形性能，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種激光拼焊板成形極限圖
的建立方法，包括以下步驟 A、建立XY坐標(biāo)系，X方向代表垂直于焊縫方向，Y方向代表平行于焊縫方向；
B、采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合焊接區(qū)材料的性能參數(shù)計(jì)算獲得焊接區(qū)材料的極限應(yīng)變； 再基于焊接區(qū)材料與弱側(cè)母材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合弱側(cè)母材的性能參數(shù)，計(jì)算獲得當(dāng)焊 接區(qū)材料失效時(shí)即Y方向應(yīng)變大于X方向應(yīng)變時(shí)的弱側(cè)母材FLC ; C、采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合弱側(cè)母材的性能參數(shù)，計(jì)算獲得弱側(cè)母材失效時(shí)即Y方向 應(yīng)變小于X方向應(yīng)變時(shí)的弱側(cè)母材FLC ; D、將步驟B和C獲得的弱側(cè)母材FLC同時(shí)標(biāo)繪到XY方向應(yīng)變坐標(biāo)系中，即可建立 激光拼焊板的成形極限圖。 本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供了一種根據(jù)上述方法建立的激光拼焊板 成形極限圖的使用方法，包括以下步驟首先測(cè)得拼焊板零件危險(xiǎn)部位的應(yīng)變，若危險(xiǎn)部位 是焊縫，則測(cè)相鄰弱側(cè)母材單元，將測(cè)得的應(yīng)變值與拼焊板FLC比較，若測(cè)得的應(yīng)變達(dá)到或 超過(guò)與其對(duì)應(yīng)的FLC，認(rèn)為拼焊板零件失效；若測(cè)得的應(yīng)變低于與其對(duì)應(yīng)的FLC，認(rèn)為拼焊 板零件可以成功成形。 進(jìn)一步地，本發(fā)明還可以用于判斷激光拼焊板的質(zhì)量是否合格，若實(shí)際激光拼焊 板成形失效后測(cè)得的應(yīng)變低于FLC值，可判斷焊縫或母材質(zhì)量不合格。 本發(fā)明綜合考慮焊接區(qū)材料、弱側(cè)母材的失效，將焊接區(qū)材料失效形式轉(zhuǎn)換到弱 側(cè)母材極限應(yīng)變狀態(tài)，再與弱側(cè)母材失效的FLC組合成拼焊板的成形極限圖，作為激光拼 焊板的失效判據(jù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 1)本發(fā)明綜合考慮焊接區(qū)材料、弱側(cè)母材的失效，將傳統(tǒng)的主次應(yīng)變圖改為平行 于焊縫與垂直于焊縫兩個(gè)方向的應(yīng)變圖，從而直觀、真實(shí)地反映了拼焊板弱側(cè)母材主應(yīng)變 方向與失效形式的關(guān)系。 2)本發(fā)明將焊接區(qū)材料失效形式轉(zhuǎn)換弱側(cè)母材極限應(yīng)變狀態(tài)，不管何種失效形式 均只需測(cè)量弱側(cè)母材應(yīng)變，從而避開(kāi)了焊縫應(yīng)變測(cè)量困難的問(wèn)題。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是激光拼焊板及所建立的XY坐標(biāo)系的示意圖。
圖2是將焊接區(qū)材料的極限應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)換為弱側(cè)母材極限應(yīng)變狀態(tài)的理論計(jì)算 步驟。 圖3根據(jù)本發(fā)明的方法建立的一種激光拼焊板成形極限圖。 圖4是利用成形極限圖評(píng)價(jià)激光拼焊板能否成功成形的示意圖。 圖5是利用成形極限圖評(píng)價(jià)激光拼焊板是否合格的示意圖。
具體實(shí)施例方式
首先說(shuō)明本發(fā)明建立激光拼焊板成形極限圖的具體步驟。 A、如圖l所示，激光拼焊板主要由強(qiáng)側(cè)母材10、焊接區(qū)材料30(焊縫)、弱側(cè)母材 20這幾部分組成，取平行于焊縫方向?yàn)閅方向，垂直于焊縫方向?yàn)閄方向，建立坐標(biāo)系。目 的是區(qū)分兩種失效形式當(dāng)弱側(cè)母材的Y方向應(yīng)變大于X方向應(yīng)變時(shí)，焊接區(qū)材料失效；當(dāng) Y方向應(yīng)變小于X方向應(yīng)變時(shí)，弱側(cè)母材失效；對(duì)激光拼焊板而言，其焊縫鄰近區(qū)域的失效 形式一般只有這兩種。 B、當(dāng)焊接區(qū)材料失效，即Y方向應(yīng)變大于X方向應(yīng)變時(shí)，弱側(cè)母材FLC的獲取
該部分計(jì)算方法基于下列兩個(gè)基本理論假設(shè) 1、由于拼焊板變形中母材連接處在垂直焊縫和沿焊縫兩個(gè)方向的差異性較大，故 假設(shè)焊縫30與弱側(cè)母材20在此處的面內(nèi)應(yīng)力主軸和應(yīng)變主軸重合，且它們各自的主應(yīng)力 和主應(yīng)變分量始終處于垂直于焊縫和沿焊縫兩個(gè)方向上； 2、根據(jù)拼焊板變形協(xié)調(diào)關(guān)系可假設(shè)焊縫與弱側(cè)母材在Y方向上的主應(yīng)變分量相 等，具體步驟如圖2所示 ①假定一個(gè)焊縫應(yīng)變比"j = T一 (范圍-0. 5
MX
伸狀態(tài))，根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式及焊縫材料參數(shù)t、 n，計(jì)算得到此時(shí)焊縫極限應(yīng)變e
1從單向拉伸狀態(tài)變化到等雙向拉
禾口 eAY
FLD。 = (23. 3+14. 3XtA
勺.21
1 + FZX>0
1
(畫(huà)0.5U
eAY = (l+FLD。) X (l+eAX)05-l (0 < P A < 1) 根據(jù)公知的公式，可以將計(jì)算得到的工程應(yīng)變eAX， eAY換算為真實(shí)應(yīng)變e Ax， e AY。
②根據(jù)焊縫單元與相鄰弱側(cè)母材單元的力學(xué)關(guān)系，計(jì)算當(dāng)焊縫達(dá)到極限應(yīng)變狀態(tài) 時(shí)的相鄰弱側(cè)母材應(yīng)變。 由焊縫單元與相鄰弱側(cè)母材單元的受力平衡式
0 ax tA = o BX tB (1—2) 式中tA、 tB表示焊縫、相鄰弱側(cè)母材在變形過(guò)程的實(shí)時(shí)厚度
又由f
A
■40
:+fay)可得"朋'exp0^ — s狄)=
^0
別 再通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可計(jì)算得到弱側(cè)母材應(yīng)變e
(1)當(dāng)弱側(cè)母材Y方向應(yīng)變大于X方向應(yīng)變時(shí)
(1-3)
(1-5)
eBY以及應(yīng)變比PB<formula>formula see original document page 6</formula>
(2)當(dāng)弱側(cè)母材X方向應(yīng)變大于Y方向應(yīng)變時(shí) 《.(2 + / A)
<formula>formula see original document page 6</formula>
每一個(gè)焊縫應(yīng)變比狀態(tài)下對(duì)應(yīng)可算得母材應(yīng)變值，將算得的各值連成曲線可得焊 縫失效時(shí)的弱側(cè)母材極限曲線，如圖3中的曲線(1)所示。 C、當(dāng)弱側(cè)母材失效，即Y方向應(yīng)變小于X方向應(yīng)變時(shí)，弱側(cè)母材FLC的獲取。
采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合弱側(cè)母材的性能參數(shù)，計(jì)算獲得弱側(cè)母材失效時(shí)，即Y方向應(yīng) 變小于X方向應(yīng)變時(shí)的弱側(cè)母材FLC，如圖3中的曲線(2)所示；
D、采用本發(fā)明提出的方法建立激光拼焊板成形極限圖 如圖3所示，將上述步驟B、C獲得的兩條弱側(cè)母材FLC同時(shí)標(biāo)繪到XY方向應(yīng)變坐 標(biāo)系中，即可建立激光拼焊板的成形極限圖，結(jié)合板料雙拉時(shí)的臨界應(yīng)變狀態(tài)曲線即等雙 拉曲線和單向拉伸曲線，如圖3中的曲線(3) (4) (5)所示，可得拼焊板的安全區(qū)域abcd和 不同應(yīng)變區(qū)域A和B。 下面介紹根據(jù)上述方法建立的激光拼焊板成形極限圖的應(yīng)用。 1、應(yīng)用本發(fā)明建立的激光拼焊板的成形極限圖能夠成功預(yù)測(cè)拼焊板失效，有效評(píng)
價(jià)其成形性能。 采用差厚激光拼焊板脹形成形試樣，測(cè)得拼焊板開(kāi)裂附近應(yīng)變將其標(biāo)繪到激光拼 焊板成形極限圖中，如圖4中的五星形所示，可以看出，拼焊后薄側(cè)母材應(yīng)變值已超過(guò)拼焊 板FLC，即位于曲線(1)的上方或曲線(2)的右側(cè)，說(shuō)明現(xiàn)有工藝條件下，該半球脹形將無(wú)法 成功成形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)試件為縱向焊縫時(shí)，母材的主應(yīng)變方向與焊縫的主應(yīng)變方向 相同，都為平行于焊縫方向，此時(shí)為焊縫首先失效，弱側(cè)應(yīng)變值位于弱側(cè)單一母材極限應(yīng)變 線(6)與新的極限區(qū)域A的弱側(cè)母材極限曲線(1)之間；當(dāng)試件為橫向焊縫時(shí)，母材的主應(yīng) 變方向與焊縫的主應(yīng)變方向相反，為垂直于焊縫方向，此時(shí)弱側(cè)母材先失效，弱側(cè)應(yīng)變值位 于弱側(cè)母材極限應(yīng)變線(2)之外。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了該方法建立的成形極限圖。
2、應(yīng)用本發(fā)明建立的激光拼焊板的成形極限圖還能夠用于判斷板料是否合格。
采用差厚激光拼焊板成形半球脹形試件，測(cè)得拼焊板開(kāi)裂附近應(yīng)變將其標(biāo)繪到差 厚激光拼焊板成形極限圖中，如圖5中兩個(gè)黑圓點(diǎn)所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于此試件，母 材的主應(yīng)變方向與焊縫的主應(yīng)變方向相同，都為平行于焊縫方向。焊縫失效時(shí)，相鄰母材的應(yīng)變值位于新的極限區(qū)域A之內(nèi)。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)焊縫合格時(shí)，焊縫達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，相 鄰母材對(duì)應(yīng)的應(yīng)變應(yīng)處于曲線(1)上，而此試件在焊縫破裂時(shí)，對(duì)應(yīng)的母材應(yīng)變小于曲線 (1)上的值，可見(jiàn)這是由于焊縫質(zhì)量不合格造成的。同理，也可以判斷母材的質(zhì)量是否合格。
另外，上述成形極限圖還可以用于比較不同激光拼焊板成形性能的高低，對(duì)于一 系列由不同鋼材焊接而成的激光拼焊板，將它們的FLC進(jìn)行比較，曲線位置較高者成形性 能較佳。 總之，本發(fā)明能建立適合于工程應(yīng)用的激光拼焊板成形極限圖，很好地反映拼焊 板的成形特征，有效評(píng)價(jià)拼焊板成形極限。
權(quán)利要求
一種激光拼焊板成形極限圖的建立方法，其特征是，包括以下步驟A.建立XY坐標(biāo)系，X方向代表垂直于焊縫方向，Y方向代表平行于焊縫方向；B.采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合焊接區(qū)材料的性能參數(shù)計(jì)算獲得焊接區(qū)材料的極限應(yīng)變；再基于焊接區(qū)材料與弱側(cè)母材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合弱側(cè)母材的性能參數(shù)，計(jì)算獲得當(dāng)焊接區(qū)材料失效時(shí)即Y方向應(yīng)變大于X方向應(yīng)變時(shí)的弱側(cè)母材FLC；C.采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合弱側(cè)母材的性能參數(shù)，計(jì)算獲得弱側(cè)母材失效時(shí)即Y方向應(yīng)變小于X方向應(yīng)變時(shí)的弱側(cè)母材FLC；D.將步驟B和C獲得的弱側(cè)母材FLC同時(shí)標(biāo)繪到XY方向應(yīng)變坐標(biāo)系中，即可建立激光拼焊板的成形極限圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光拼焊板成形極限圖的建立方法，其特征是，在步驟B中， 所述焊接區(qū)材料的性能參數(shù)通過(guò)對(duì)焊縫平行于拉伸方向的激光拼焊板進(jìn)行單拉實(shí)驗(yàn)獲得。
3. —種根據(jù)權(quán)利要求1所述方法建立的激光拼焊板成形極限圖的使用方法，其特征 是，測(cè)得拼焊板零件危險(xiǎn)部位的應(yīng)變，若危險(xiǎn)部位是焊縫，則測(cè)相鄰弱側(cè)母材單元，將測(cè)得 的應(yīng)變值與拼焊板FLC比較，若測(cè)得的應(yīng)變達(dá)到或超過(guò)與其對(duì)應(yīng)的FLC，認(rèn)為拼焊板零件失 效；若測(cè)得的應(yīng)變低于與其對(duì)應(yīng)的FLC，認(rèn)為拼焊板零件可以成功成形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的使用方法，其特征是，若實(shí)際材料成形失效后測(cè)得的應(yīng)變低 于FLC值，可判斷焊縫或母材質(zhì)量不合格。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光拼焊板成形極限圖的建立方法，包括以下步驟A、建立XY坐標(biāo)系，X代表垂直于焊縫方向，Y代表平行于焊縫方向；B、采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合焊接區(qū)材料的性能參數(shù)計(jì)算焊接區(qū)材料的極限應(yīng)變；再基于焊接區(qū)材料與弱側(cè)母材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合弱側(cè)母材的性能參數(shù)，計(jì)算獲得當(dāng)焊接區(qū)材料失效時(shí)即Y方向應(yīng)變大于X方向應(yīng)變時(shí)的弱側(cè)母材FLC；C、采用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合弱側(cè)母材的性能參數(shù)，計(jì)算弱側(cè)母材失效時(shí)即Y方向應(yīng)變小于X方向應(yīng)變時(shí)的弱側(cè)母材FLC；D、將步驟B和C獲得的弱側(cè)母材FLC同時(shí)標(biāo)繪到XY方向應(yīng)變坐標(biāo)系中，即可建立激光拼焊板的成形極限圖。本發(fā)明能建立適合于工程應(yīng)用的激光拼焊板成形極限圖，有效評(píng)價(jià)拼焊板成形極限。
文檔編號(hào)B23K26/20GK101739489SQ200910199980
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者孫成智, 戴軼, 林建平, 胡巧聲, 邢丹英, 陳水生, 鮑文華 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)