雙相鋼激光拼焊板溫成形拉深性能分析研究

陳 煒，何振良，郭玉琴，劉 政，王 通

（江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江212013）

雙相鋼激光拼焊板溫成形拉深性能分析研究

陳 煒，何振良，郭玉琴，劉 政，王 通

（江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江212013）

板料的溫塑性成形方法已經得到廣泛使用，可以運用到雙相鋼激光拼焊板成形中以提高其成形性能。以盒形件為分析對象對雙相鋼激光拼焊板的溫拉深性能進行了研究，通過溫單拉實驗、盒形件溫拉深過程的有限元模擬與實沖實驗以及金相實驗，分析了雙相鋼激光拼焊板由常溫到500℃各個溫度下的力學性能與拉深性能。結果表明：成形溫度對雙相鋼激光拼焊板溫拉深影響比較顯著，在400～500℃溫度范圍內進行溫成形，能獲得較好的成形性能。

激光拼焊板；溫拉深；盒形件；雙相鋼

雙相鋼屬于相變強化高強度鋼，由鐵素體與馬氏體組成，具有屈強比低、無屈服延伸、應變強化指數高和良好的抗碰撞性能等特點，已發展成為一種汽車用高強度新型沖壓用鋼［1－4］。

雙相鋼激光拼焊板兼有雙相鋼板與激光拼焊板技術的優點，但是在常溫下難以成形［5－7］。近年來，板料的溫塑性成形方法開始得到廣泛使用［8］，可以運用到雙相鋼激光拼焊板成形中以提高其成形性能。然而，隨著板料強度的增加，其成形性變差，特別是在拉深成形過程中，容易引起模具磨損、工件破裂等缺陷，雙相鋼激光拼焊板溫拉深過程也不例外。

在工程實踐中，工件多為非軸對稱回轉形狀，而盒形件具有典型非回轉對稱形狀特征，特別是其拉深過程中各部分的應力應變分布狀態與復雜覆蓋件有著諸多共性。因此本工作以盒形件為分析對象對雙相鋼激光拼焊板溫拉深性能進行了研究，通過溫單拉實驗、盒形件拉深過程的有限元模擬與實沖實驗以及金相實驗，分析了雙相鋼激光拼焊板由常溫到500℃各個溫度下的力學性能與拉深性能，為雙相鋼激光拼焊板非回轉特征工件的溫拉深工藝及模具設計的優化提供了一定依據。

1 雙相鋼拼焊板母材及焊縫在各個溫度的流變應力

流變應力是研究板料成形最基本的信息，并且其應力應變關系對于成形過程的有限元仿真也是必要的。因此本工作進行了B340／590DP雙相鋼母材和拼焊板由常溫到500℃的溫單拉實驗，得到了拼焊板和母材的應力應變數據，通過等應變法［9，10］計算得到焊縫的應力應變曲線，最終經實驗和計算所得的母材和焊縫的真實應力應變曲線如圖1（a），（b）所示。

圖1 不同溫度下母材和焊縫的真實應力－應變曲線（a）母材；（b）焊縫Fig．1 True stress－strain curve of base metal and weld at different temperature （a）base sheet；（b）weld

由圖1（a）可以看出，雙相鋼母材在200～300℃之間存在明顯的加工硬化現象，并且隨著溫度的升高發生了強度增大、塑性和韌性降低的現象。與常溫下母材的拉伸實驗相比，在200～300℃區間雙相鋼的成形性能幾乎沒有提高。在400～500℃區間成形時，主要是發生加工硬化和動態回復，根據拉伸真實應力－應變曲線可以看出，材料有明顯的軟化現象，雙相鋼強度小于室溫拉伸時的強度，成形性能較好。由圖1（b）可以看出，在室溫～500℃區間，焊縫的強度要遠高于母材。

2 雙相鋼拼焊板的溫拉深研究

2．1 盒形件溫拉深Abaqus有限元模擬

由于溫拉深過程是一個復雜的動態非線性接觸過程，因此，本工作選擇ABAQUS／Explicit動態顯式算法作為模擬平臺。在ABAQUS前處理模塊里完成板料和模具幾何模型的建立。在ABAQUS的Property模塊中賦予拼焊板的材料性能，B340／590DP雙相鋼激光拼焊板的母材和焊縫力學性能由前述實驗得到，其中彈性模量為210GPa，泊松比為0．3，材料密度為7826kg／m3。需要定義4個接觸面，3組接觸對，它們分別是：板料上表面與凸模，板料下表面與凹模，板料上表面與壓邊圈下表面。選擇剛體表面作為主面，變形體表面為從面。板料與模具接觸面換熱系數為3483W／（m2·K）。本分析過程是一個幾何非線性、材料非線性和接觸非線性的過程，選用C3D8R六面體縮減實體單元劃分模具和板料網格。根據對焊縫和熱影響區的綜合考慮，拼焊板焊縫的寬度定為2mm。為節省計算時間，提高計算效率，采用1／2模型，如圖2所示。其中，模具設置為剛體，板料為變形體。細化焊縫區網格，板料厚度方向劃分為五層單元，焊縫與母材采用剛性連接處理，板料及焊縫網格劃分如圖3所示。

對1．0／1．0厚度比的拼焊板在室溫、200℃、300℃、400℃和500℃下的等溫拉深過程進行數值模擬。各溫度下拼焊板的成形工況一致，即壓邊力為10MPa，沖壓速率為10 mm／s，摩擦因數為0．1，根據工程實際情況，本工作采用厚度減薄率達到30%為破裂準則［11］。各溫度下，拼焊板盒形件模擬的極限拉深高度如圖4所示。可以看出，在同一成形工況下溫度對拼焊板盒形件的極限拉深高度影響比較明顯。在各成形溫度下，拼焊板盒形件的最大等效應變位置均處在凸模圓角或凹模圓角區域，其中凸模圓角為減薄區，凹模圓角為增厚區。焊縫區與周圍母材區的等效應變基本一致。隨著溫度的升高，焊縫區強度足夠，不易發生破裂失效。

圖4 各溫度下盒形件拉深的等效應變云圖（a）室溫；（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 盒形件溫拉深實沖試驗

為了研究B340／590DP雙相鋼激光拼焊板在各個溫度下實際的溫拉深性能，本工作進行了方形盒形件實沖實驗。圖5顯示了各個溫度下雙相鋼激光拼焊板盒形件的極限拉深高度，圖6指出了400℃時破裂發生在盒形件圓角處，焊縫界面沒有發生破裂失效，其他溫度下，破裂位置與焊縫界面情況與之相同。

實驗結果表明，在同一溫拉深工況下，溫度對雙相鋼拼焊板盒形件的極限拉深高度影響顯著，200℃和300℃拼焊板盒形件由于鋼的藍脆現象其成形性能不如室溫，而400℃和500℃的成形性能則高于室溫。在室溫到500℃溫度范圍內，焊縫具有足夠的強度和剛度，而不致發生失效破裂。

圖5 溫度對拼焊板盒形件拉深高度的影響Fig．5 Effect of temperature on drawing height of rectangular cup

圖6 B340／590DP雙相鋼拼焊板400℃時拉深結果Fig．6 Experimental results of rectangular cup at 400℃

這些實沖結果與有限元模擬基本一致，驗證了有限元模擬的可靠性，拼焊板盒形件的數值模擬預測高度與實驗拉深高度比較如圖7所示，模擬值比實驗結果偏大，但其誤差小于7%。

400℃和500℃時拼焊板成形性能要明顯好于室溫、200℃和300℃。這除了400℃不在拼焊板的藍脆區的原因以外，還有動態回復和部分動態再結晶的產生使得材料出現了軟化現象。為了進一步分析研究，本文用光學顯微鏡對400℃拉深后的盒形件分區域進行了微觀組織觀察，分別是：盒形件的平面凸緣部分（區域①）、盒形件拐角的直壁部分（區域②）、凸模圓角部分（區域③）和盒底部分（區域④），四個區域的金相組織如圖8所示。可以看出，變形程度較大的區域②和③處于動態再結晶的起始階段，發生了少量的動態再結晶但是動態再結晶程度較低。變形程度較低的區域①和④動態再結晶幾乎為零。從金相分析實驗來看，400℃和500℃時雙相鋼盒形件成形性能提高的原因主要是由于動態回復產生的軟化。

圖7 盒形件極限拉深高度數值模擬與實驗結果比較Fig．7 Comparison between numerical and experimental limit drawing height of rectangular cup

圖8 400℃盒形件不同區域金相組織Fig．8 Metallographic structure of different sites of rectangular cup at 400℃

3 結論

（1）通過溫單拉實驗，盒形件溫拉深數值模擬與實驗分析對B340／590DP雙相鋼激光拼焊板的溫拉深性能進行了研究。通過實驗分別得到了B340／590DP雙相鋼激光拼焊板從室溫到500℃的力學性能和盒形件溫拉深的極限拉深高度，為實際工程應用提供了一定的參考價值。

（2）成形溫度對雙相鋼激光拼焊板盒形件極限拉深高度的影響比較顯著，隨著溫度的上升，拼焊板盒形件的極限拉深高度呈上升趨勢，但在200～400℃溫度范圍內出現了藍脆現象。研究表明雙相鋼拼焊板在400～500℃溫度范圍內進行溫成形，能獲得較好的成形性能。

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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

國家自然科學基金資助項目（50775102）；上海市數字化汽車車身工程重點實驗室開放基金課題（2009003）

2011－07－26；

2011－12－05

陳煒（1965—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為板料塑性成形技術、精密成形與微成形、模具CAD／CAE／CAM一體化技術，聯系地址：江蘇大學機械工程學院模具技術研究所（212013），E－mail：chen＿wei＠ujs ．edu．cn