專利名稱：激光拼焊板成形極限圖的建立和使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及板料成形加工領域，涉及差厚激光拼焊板失效判據(jù)的建立和使用方
法，主要用于準確判斷差厚激光拼焊板的頸縮或破裂，評價其成形性能。
背景技術：
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 過激光焊接而成一整塊板，然后進行沖壓，以滿足沖壓零件不同位置對板料不同的性能要 求。激光拼焊板由于其減輕車身重量、提高安全性能和降低制造成本等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中 得到廣泛運用，如歐、美、日等國家的汽車廠車身制造，國內一汽大眾奧迪的前地板、上海大 眾的Po 1 o轎車中央通道及門內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，導致拼焊板變形不均勻，最終失效表現(xiàn)為焊縫 或弱側母材開裂。由于汽車沖壓件結構復雜，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，并能預測開裂的位置和形式，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，準確預測其成形能力已成為汽車業(yè)和鋼鐵業(yè) 的當務之急。 對于單一板來說，成形極限圖(Forming limit diagram,簡稱FLD)能反映板材在 不同應變狀態(tài)下的變形能力，能直觀、有效地預測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、有效地評價其成形性能。 國內外學者對拼焊板成形能力的判斷方法進行了大量探索，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評價拼焊板成形能力。 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,簡稱FLC)來評價拼焊板的成形能力。 由于拼焊板失效可能出現(xiàn)在焊縫上，也可能出現(xiàn)在弱側母材上。上述將焊縫材料 的FLC用來評價拼焊板成形性能，無法正確預測失效出現(xiàn)在弱側母材的拼焊板。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焊縫的成形性能，所以將拼焊板孤立出 來分析其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.僅考慮拼焊板弱側母材的成形極限，用弱側母材的成形極限圖(FLD)來評價拼 焊板成形性能。 雖然此方法可合理反映出失效出現(xiàn)在弱側母材的拼焊板的成形性能，但是無法反 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.結合焊接區(qū)(包括焊縫和熱影響區(qū))和弱側母材的FLC的成形極限圖；弱側母 材FLC采用經(jīng)驗公式或厚度梯度獲得，焊縫區(qū)的FLC通過半球脹形試驗建立，如中國發(fā)明專 利申請200810020646. 0就公開了一種這樣的"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價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，其失效處的主、次應變難以獲取，給焊縫區(qū)的FLD建立帶來困難；另一方面，單 一板的FLD并不能評價弱側失效的拼焊板成形性能。 如上所述，到目前為止，已有的拼焊板評價方法均存在局限性，而工程中迫切需要 準確判斷和評價拼焊板成形性能，為實際沖壓生產(chǎn)提供指導依據(jù)。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問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，有效評價其成形性能，以克服現(xiàn)有技術的上述缺陷。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術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)驗公式，結合焊接區(qū)材料的性能參數(shù)計算獲得焊接區(qū)材料的極限應變； 再基于焊接區(qū)材料與弱側母材的應力應變關系，結合弱側母材的性能參數(shù)，計算獲得當焊 接區(qū)材料失效時即Y方向應變大于X方向應變時的弱側母材FLC ; C、采用經(jīng)驗公式，結合弱側母材的性能參數(shù)，計算獲得弱側母材失效時即Y方向 應變小于X方向應變時的弱側母材FLC ; D、將步驟B和C獲得的弱側母材FLC同時標繪到XY方向應變坐標系中，即可建立 激光拼焊板的成形極限圖。 本發(fā)明要解決的另一個技術問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得拼焊板零件危險部位的應變，若危險部位 是焊縫，則測相鄰弱側母材單元，將測得的應變值與拼焊板FLC比較，若測得的應變達到或 超過與其對應的FLC，認為拼焊板零件失效；若測得的應變低于與其對應的FLC，認為拼焊 板零件可以成功成形。 進一步地，本發(fā)明還可以用于判斷激光拼焊板的質量是否合格，若實際激光拼焊 板成形失效后測得的應變低于FLC值，可判斷焊縫或母材質量不合格。 本發(fā)明綜合考慮焊接區(qū)材料、弱側母材的失效，將焊接區(qū)材料失效形式轉換到弱 側母材極限應變狀態(tài)，再與弱側母材失效的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)有技術相比具有如下優(yōu)點 1)本發(fā)明綜合考慮焊接區(qū)材料、弱側母材的失效，將傳統(tǒng)的主次應變圖改為平行 于焊縫與垂直于焊縫兩個方向的應變圖，從而直觀、真實地反映了拼焊板弱側母材主應變 方向與失效形式的關系。 2)本發(fā)明將焊接區(qū)材料失效形式轉換弱側母材極限應變狀態(tài)，不管何種失效形式 均只需測量弱側母材應變，從而避開了焊縫應變測量困難的問題。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。
圖1是激光拼焊板及所建立的XY坐標系的示意圖。
圖2是將焊接區(qū)材料的極限應變狀態(tài)轉換為弱側母材極限應變狀態(tài)的理論計算 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價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價激光拼焊板是否合格的示意圖。
具體實施例方式
首先說明本發(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側母材10、焊接區(qū)材料30(焊縫)、弱側母材 20這幾部分組成，取平行于焊縫方向為Y方向，垂直于焊縫方向為X方向，建立坐標系。目 的是區(qū)分兩種失效形式當弱側母材的Y方向應變大于X方向應變時，焊接區(qū)材料失效；當 Y方向應變小于X方向應變時，弱側母材失效；對激光拼焊板而言，其焊縫鄰近區(qū)域的失效 形式一般只有這兩種。 B、當焊接區(qū)材料失效，即Y方向應變大于X方向應變時，弱側母材FLC的獲取
該部分計算方法基于下列兩個基本理論假設 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方向的差異性較大，故 假設焊縫30與弱側母材20在此處的面內應力主軸和應變主軸重合，且它們各自的主應力 和主應變分量始終處于垂直于焊縫和沿焊縫兩個方向上； 2、根據(jù)拼焊板變形協(xié)調關系可假設焊縫與弱側母材在Y方向上的主應變分量相 等，具體步驟如圖2所示 ①假定一個焊縫應變比"j = T一 (范圍-0. 5
MX
伸狀態(tài))，根據(jù)如下經(jīng)驗公式及焊縫材料參數(shù)t、 n，計算得到此時焊縫極限應變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，可以將計算得到的工程應變eAX， eAY換算為真實應變e Ax， e AY。
②根據(jù)焊縫單元與相鄰弱側母材單元的力學關系，計算當焊縫達到極限應變狀態(tài) 時的相鄰弱側母材應變。 由焊縫單元與相鄰弱側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、相鄰弱側母材在變形過程的實時厚度
又由f
A
■40
:+fay)可得"朋'exp0^ — s狄)=
^0
別 再通過應力應變關系可計算得到弱側母材應變e
(1)當弱側母材Y方向應變大于X方向應變時
(1-3)
(1-5)
eBY以及應變比PB<formula>formula see original document page 6</formula>
(2)當弱側母材X方向應變大于Y方向應變時 《.(2 + / A)
<formula>formula see original document page 6</formula>
每一個焊縫應變比狀態(tài)下對應可算得母材應變值，將算得的各值連成曲線可得焊 縫失效時的弱側母材極限曲線，如圖3中的曲線(1)所示。 C、當弱側母材失效，即Y方向應變小于X方向應變時，弱側母材FLC的獲取。
采用經(jīng)驗公式，結合弱側母材的性能參數(shù)，計算獲得弱側母材失效時，即Y方向應 變小于X方向應變時的弱側母材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獲得的兩條弱側母材FLC同時標繪到XY方向應變坐 標系中，即可建立激光拼焊板的成形極限圖，結合板料雙拉時的臨界應變狀態(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用。 1、應用本發(fā)明建立的激光拼焊板的成形極限圖能夠成功預測拼焊板失效，有效評
價其成形性能。 采用差厚激光拼焊板脹形成形試樣，測得拼焊板開裂附近應變將其標繪到激光拼 焊板成形極限圖中，如圖4中的五星形所示，可以看出，拼焊后薄側母材應變值已超過拼焊 板FLC，即位于曲線(1)的上方或曲線(2)的右側，說明現(xiàn)有工藝條件下，該半球脹形將無法 成功成形。從實驗結果可見，當試件為縱向焊縫時，母材的主應變方向與焊縫的主應變方向 相同，都為平行于焊縫方向，此時為焊縫首先失效，弱側應變值位于弱側單一母材極限應變 線(6)與新的極限區(qū)域A的弱側母材極限曲線(1)之間；當試件為橫向焊縫時，母材的主應 變方向與焊縫的主應變方向相反，為垂直于焊縫方向，此時弱側母材先失效，弱側應變值位 于弱側母材極限應變線(2)之外。實驗結果很好地驗證了該方法建立的成形極限圖。
2、應用本發(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，測得拼焊板開裂附近應變將其標繪到差 厚激光拼焊板成形極限圖中，如圖5中兩個黑圓點所示。從實驗結果可見，對于此試件，母 材的主應變方向與焊縫的主應變方向相同，都為平行于焊縫方向。焊縫失效時，相鄰母材的應變值位于新的極限區(qū)域A之內。根據(jù)理論計算，當焊縫合格時，焊縫達到極限應變時，相 鄰母材對應的應變應處于曲線(1)上，而此試件在焊縫破裂時，對應的母材應變小于曲線 (1)上的值，可見這是由于焊縫質量不合格造成的。同理，也可以判斷母材的質量是否合格。
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，有效評價拼焊板成形極限。
權利要求
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)驗公式，結合焊接區(qū)材料的性能參數(shù)計算獲得焊接區(qū)材料的極限應變；再基于焊接區(qū)材料與弱側母材的應力應變關系，結合弱側母材的性能參數(shù)，計算獲得當焊接區(qū)材料失效時即Y方向應變大于X方向應變時的弱側母材FLC；C.采用經(jīng)驗公式，結合弱側母材的性能參數(shù)，計算獲得弱側母材失效時即Y方向應變小于X方向應變時的弱側母材FLC；D.將步驟B和C獲得的弱側母材FLC同時標繪到XY方向應變坐標系中，即可建立激光拼焊板的成形極限圖。
2. 根據(jù)權利要求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)通過對焊縫平行于拉伸方向的激光拼焊板進行單拉實驗獲得。
3. —種根據(jù)權利要求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，測得拼焊板零件危險部位的應變，若危險部位是焊縫，則測相鄰弱側母材單元，將測得 的應變值與拼焊板FLC比較，若測得的應變達到或超過與其對應的FLC，認為拼焊板零件失 效；若測得的應變低于與其對應的FLC，認為拼焊板零件可以成功成形。
4. 根據(jù)權利要求3所述的使用方法，其特征是，若實際材料成形失效后測得的應變低 于FLC值，可判斷焊縫或母材質量不合格。
全文摘要
本發(fā)明公開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)驗公式，結合焊接區(qū)材料的性能參數(shù)計算焊接區(qū)材料的極限應變；再基于焊接區(qū)材料與弱側母材的應力應變關系，結合弱側母材的性能參數(shù)，計算獲得當焊接區(qū)材料失效時即Y方向應變大于X方向應變時的弱側母材FLC；C、采用經(jīng)驗公式，結合弱側母材的性能參數(shù)，計算弱側母材失效時即Y方向應變小于X方向應變時的弱側母材FLC；D、將步驟B和C獲得的弱側母材FLC同時標繪到XY方向應變坐標系中，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用的激光拼焊板成形極限圖，有效評價拼焊板成形極限。
文檔編號B23K26/20GK101739489SQ200910199980
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權日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 申請人:同濟大學