拉深成形的激光拼焊板和仿真实验验证.docx

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拉深成形的激光拼焊板和仿真实验验证

拉深成形的激光拼焊板和仿真实验验证

T.MeindersA.vandenBergJ.Huétink

Twente大学，机械工程，宝系217箱，7500曝光恩斯赫德，电子邮件：

vtmeinders@wb.utwente.nl

Hoogovens合并研发，产品应用中心，宝10000箱，电子邮件1970CA的IJmuiden：

Ankie.vdBerg@hoogovens.nl

摘要：

越来越多地使用激光拼焊板在汽车行业。

不同材料，厚度和可焊涂层的结合在一起，形成了汽车车身冲压件的空白。

使用激光拼焊板的主要优势是拥有在特定部分的空白具体特点，以降低材料的重量和成本。

为了研究激光拼焊板拉深过程中的行为，有限元程序DiekA使用。

本文对两个使用激光拼焊板拉深模拟产品进行了讨论。

为了验证，这两种产品都刻实验获得的信息。

通过与实验结果与模拟结果的相关性似乎是令人满意的。

关键词：

拉深，实验，模拟，定制空白

1。

简介

在传统的应用，车身板通常由几个较小的组成部分。

每个组件是单独成立，并随后焊接在一起以创建所需的车身面板。

这种方法采用的工具和材料成本高。

此外，这种方法有助于在装配过程的三维误差。

因此，它的吸引力，形成使用激光拼焊板在一个单一的车身冲压。

量身定制的空白包括几个以前被焊接在一起形成平板。

不同材料，厚度和可焊涂层的结合在一起，形成了汽车车身冲压件的空白。

量身定制的使用空白的主要优势是拥有在特定部分的空白具体特点，以减轻重量和成本。

特殊的空白部分，可以从一个较厚的材料，或更强的刚度和强度增加，而不必在本地的其他部分较薄的材料。

也是空白，可替代部分由钢板腐蚀增加，而在其他章节有裸钢的耐磨性。

使用的激光拼焊板提供了其他几个方面的优势产品，工艺和设计：

•改善公差，因为一个产品的不同部分，被焊接在一起形成之前采用连续焊接工艺操作

•碰撞耐久性的改进：

更多的控制过程中的碰撞能量吸收的潜力更大

•在减量化废由于该产品的不规则形状。

小块的材料形成一个不规则的形状可嵌套空白容易更好的材料利用率

•各部分的数目减少到装配，这造成了对物流的简化

•处理包括减少死亡和装置

•人员和生产成本

•潜在的延伸产品造型设计

对拼焊这些优势有些可以有助于更轻的汽车的设计开发，在燃料消耗减少。

这是非常实际的环境导向的时代观重要。

面对拼焊板的优势也存在一些缺点和它的使用出现。

该平板焊接是在生产过程中添加了额外的成本第一步;而且焊缝和热影响区产生负面影响的空白，由于成形的马氏体结构的发展[1][2]，[3][4]。

拼焊板越来越多地应用于汽车产品的优势在那里多补了它的害处产量。

一些汽车零部件的激光拼焊板制成的例子有：

•A，B和C柱，在门两旁坐落，见图1

•内门板

•纵骨

•横梁保险杠

•地板

•车轮房子

•尾闸内板

然而，激光拼焊板的关键属性是减少的成形性，由于焊接过程中，相对于基材料的成形性。

在第2注意本文是支付给这个问题。

还有一个需要了解在成形过程中的焊接过程的影响，对焊缝成形，焊缝的位置和直线运动。

关于这些物品的信息，可以使用获得的数值模拟有限元方法。

设定为这些模拟描述了在第3，使用有限元程序DiekA。

在第4的实验装置，提出将用于验证定制空白模拟（第5条）。

最后，一些结论。

2。

拼焊板成形性

2.1焊缝成形性类型

要创建一个定制的两个或更多张空白被焊接在一起。

这可以通过各种焊接工艺，其中泥缝焊接和激光焊接是常用程序，完成​​见图2。

重叠的部分要加入约1-2倍，平均醪缝焊板材厚度[3]。

Figure2.Weldtypes

这两种焊接类型都有其自身的特点。

一个泥缝焊包括热影响区宽度为10-15毫米，宽度的激光焊接热影响区包括1-2毫米[4]。

在激光焊接马氏体体积分数较大，由于高温率在了激光焊接冷却。

由于在泥缝焊温度较低税率，减少马氏体形成的，因此不太硬焊形成。

其结果是泥缝焊能有一个更好的比激光焊接成形性。

作者：

泥缝焊的缺点是它相对于几乎看不见的激光焊接的知名度。

因此醪缝焊拼焊不会用在汽车的可见部分。

激光焊接的优点是几乎不影响焊缝窄，在激光拼焊镀锌阴极保护。

1995年，桑德斯等人。

研究了度身订造银行的行为。

他们得出结论，当地焊接性能不显着，即没有成形性之间的混搭中缝焊接和激光焊接显着差异[1]。

可能是一个混搭缝焊马氏体比例较低的优点是消灭了少量的厚度的增加而仍停留在混搭缝焊，见图2。

对于特殊的应用，有时醪冷缝焊压平，从而降低了焊缝成形的混搭缝很大原因是硬度约20％[3]增加。

2.2拼焊板失效行为

两个过程中可能出现故障类型的激光拼焊板，无论是失败是在焊缝或较弱的基料开始即见图3变形。

在第一次失败所造成的紧张型平行于焊缝由于焊接低延展性。

的方向平行于焊缝成形性取决于焊接性能。

第二次发生故障的类型由紧张的量身定制的空白垂直焊接线。

该菌株将定位于基础较弱的焊接材料，因为具有比基体材料更高的流量压力，因此在这个方向上较弱的成形性基础材料特性而定。

在两种情况下，按故障类型的焊缝成形性降低线往深拉地区的位置重要举措，例如产品的角落。

这种效应是基体材料之间的强度比增加更强。

2.3拼焊板拉深

适用于汽车行业的高品质的定制空白产品，重要的是要了解在拉深成形的激光拼焊板的行为。

对拼焊板，在焊接过程的影响，对焊缝成形，焊缝的位置和直线运动的故障类型，必须予以追究。

施[5]认为有必要努力加强材料焊缝的移动量是一个较弱的基体材料在应变局部化的措施。

这个焊接运动强烈依赖，而不是对焊缝熔宽的类型和强度比和基料的位置。

桑德斯等进行了实验。

基地。

[1]的确显示了一个定制的空白性能取决于焊缝移动量。

焊缝运动预测是非常重要的，因此媒体预测成形性的量身定制空白（应变状态，故障）。

有限元方法可能有助于量身定制的空白行为及其制造预测。

3。

仿真设置

为了探讨在拉深的激光拼焊板焊缝移动，有限元程序DiekA[6]使用。

一个预先的激光拼焊板拉深处理器已经发展到生成模拟程序的输入。

该战略的主要特点这个预处理器的处理本

3.1焊接建

有两种策略模型在有限元程序拼焊板。

第一个策略是模型的焊接准确。

在这种情况下，焊缝类型考虑，即尺寸和形状的焊接，并在焊缝和热影响区马氏体的体积分数都考虑在内。

这种方法需要在焊接领域的罚款元网格。

第二个策略是忽视焊缝类型，只有焊接的地方是考虑。

在这最后一种方法，焊缝及热影响区是一项（粗）元素的行为蓝本，或仅仅是忽略了认为，在最后一个选项的起源马氏体不考虑。

第二种模式的战略可以为拉深变形不高的地方，在焊缝区模拟有用[4]。

由于在这纸张上的应力状态出现的产品预计将相对简单，焊缝本身不会在量身定制的空白建模仿真。

3.2表建模

空白处是参照三节点三角形平面应力元素。

三种不同的元素类型可用来模拟激光拼焊板拉深，即膜元件，约占薄膜应力只，基尔霍夫元素，弯曲应力，以及帐户和Mindlin元素，这也为剪应力帐户。

考虑到模拟产品的几何形状，弯曲应力和剪应力不如预期的膜应力。

因此，这将足以用膜元件。

对于接触的表和工具的特殊描述6节点三角形元素是用来联系[7]，见图4。

接触元素（靠近板单元）内的节点连接到板节点;节点板之间的距离和联系节点的片材厚度的一半。

接触元素的外部节点将通过投影显示在工具表面。

应用这些接触单元，接触行为，以及在拉深过程中的摩擦行为可以被描述。

如前所述，焊缝本身不会为蓝本，但将作为一个不同的基体材料之间的简单边界条件的代表。

这种造型，就是如图5所示。

两个基地焊接材料必须是数字。

一个统一的空白，该板块节点是主节点和节点接触单元从节点。

不过这种方法要为拼焊适应。

在上面的例子基料1选择作为主材料。

这意味着，在元素节点的层次结构相当于一个统一的空白的。

这个拥有2为基料，以及，除了元素节点的第一行。

在此行中的节点被视为板的板基料一邻近节点从节点。

接触单元的基础材料2（接触节点）节点内也连接到基板材料的1个主板节点。

接触元素（轮廓节点）基材料2外的节点连接到同一材料的接触节点维护一个准确的工具的说明。

3.3建模工具

由于激光拼焊板拉深的拉深坯料均匀不同，这些工具必须适应这一进程，尤其是在不同厚度的基础材料正在加入。

必要的调整总结如下深为每个绘图工具，假设不同厚度的基材。

压边

平坦的刚性压边不能防止在拉深压边力和基体材料较薄起皱不能更改对产品法兰。

对压边，以避免可能的适应这些皱纹是加强刚性压边，一变形压边压边和分割，让每段[8]个人的力量控制。

一个加强刚性压边只能够减少因为在拉深起皱，压边松动的空白与稀释剂由于在一些地区破坏法兰接触。

该压边可以防止起皱变形，但接触压力几乎在整个法兰不变。

这种高压力，为了避免皱纹强基料，可导致早产的薄基材缩颈。

分段压边既防止起皱和过早撕裂由于对产品的法兰变压边力。

在有限元程序DiekA同时加强和分段压边都可以使用。

通常，在较厚的基体材料对一个产品的底部焊缝移动，在一个更高的材料流出入模腔的法兰的薄基材产生。

这将产生对产品中的基体材料较薄法兰焊接线的议案。

为了避免压边破坏期间由较厚的基材之间必须在压边空白，创造了较厚的一种工具，工具一步偏移造成拉深，见图6，这使得较薄的材料起皱。

冲床

冲头只需要适应，如果下冲焊位置。

在这种情况下，一个单位不能防止打孔焊接线附近的皱纹。

阶梯式冲床可以解决这个问题的解决方案。

然而，在拉深线位移的焊缝可能会引起问题。

当对稀释剂材料由于对较薄材料高压边压，加强和工具之间的空白必须增加抵消了更薄的材料，允许轻微起皱焊缝移动。

模具

两种策略可以遵循适应的激光拼焊板深拉工具。

要么都有冲头和压边必须适应离开死不变，或死亡，而要打孔和压边适应，因为它们可以维持。

通常是产品的外部必须平坦，这意味着第一个战略建议。

因此模具不会在这种情况下进行调整。

3.4一个定制坯范例所产生的预处理程序

一个预处理程序已经发展到使用的生成有限元程序的输入文件。

这个预处理器允许用户创建复杂的形状和不同的焊缝形状，即直线或圆形焊缝拼焊板。

量身定制的一个坯，例如，通过采用预处理程序，并随后使用变形有限元程序生成的，是描绘在图7。

空白组装出具有1.0毫米（左上）和0.7毫米（中右）初始厚度和中频钢为1.0毫米（中左）和0.7毫米厚度的初始（右）的HS-钢。

4。

实验装置

对于简单的产品进行的实验已经在荷兰皇家Hoogovens合并内华达州公司研发部门。

该产品已深拉文广在300吨压。

由于激光焊接变得越来越重要，在汽车行业中，只有激光焊接激光拼焊板已盖章。

冲头被改编成基材料的厚度偏差。

为了克服厚度偏差方面的压边问题，用不同厚度的半圆环已被放置在压边和薄基料。

该压边力施加在4点，可能有每个地方不同的值。

该拼焊板已被润滑机油LicalEP2。

的摩擦系数为0.12和0.15之间的估计。

三基材料已被用于创建两个不同厚度的拼焊板的组合。

这些材料的材料性能列于表1。

5。

应用

贴身的造型坯背景是由于在本文件第3条。

几种可能的建模技术总结，也是简化提到这是在本文模拟了激光拼焊板拉深用。

本节中的全方位产品拉深模拟的实验结果。

两个模拟集已完成，纳入上述简化。

第一组是一个平底轮产品，第二组是一个圆球形底部的产品。

同一组的实验已经进行的模拟结果进行比较，从而得出结论是否模拟，包括简化，获得准确的结果与否。

当它看来，模拟获得准确的结果，有限元程序，可以用来预测在深拉伸的应力状态，应变情况，并在坯定制焊接线的议案。

5.1全方位产品平底

用平底圆形的产品已被按下，使用了293毫米直径和一个295毫米直径的死一拳。

无论是冲头肩和肩的模具半径为20毫米。

最初的毛坯直径为480毫米。

阶梯式压边已被用于实验。

两个厚度组合已经过测试。

一个1.0毫米的钢加入到0.7毫米和0.8毫米钢钢加入到0.7毫米钢。

三种不同的焊接位置已被选中，一是在-130的产品的中心（左），一个在该产品中，在130的产品（右）中心mm一毫米。

六种不同的实验中已经进行了焊缝的位置和不同的材料组合已[9]。

该产品高度结合的厚度和焊缝的位置而定，见表2。

本实验的和大胆的组合模拟在打印结果，将讨论这一分节。

5.1.1定制坯由一个1.0-0.7mm底座的材料组合，中间焊接

为了模拟这种产品拉深约3600膜元件使用了，见图8。

塑料材料的弹性模型，使用和材料的行为被假定为与希尔根据表1的参数各向异性。

仿真停止在100毫米深的绘图。

法兰盘形状比较计算，并与实验结果产生的结论焊缝的位置，模拟与实验结果吻合良好，见图9。

在模拟过程中也深冲焊直线运动是描绘在图9。

在底部，对较厚的材料，这意味着的应变是在基体材料较薄本地化的焊接动作。

总在整个产品焊接排量只有8毫米后100毫米深的绘图。

5.1.2定制坯由一个0.8-0.7mm底座的材料组合，在左侧焊接

前者仿真是用塑料材料的弹性模型。

由于C.P.U.那是相当大的计算时间，这个模拟已与刚塑性材料模型进行。

仿真后已停止50毫米深，并再次模拟结果与实验相比，见图10。

模拟焊接位置吻合与实验，模拟实验法兰从一些地方的形状偏离。

也许这是由于假设均匀压边的压力，这是不是在现实的统一。

在此期间直线运动产品图纸焊接远远高于前者的产品，这是由初始焊接非对称的位置造成的。

5.2圆球形产品底部

与底部的圆球形产品已被按下，使用与产品压圆一个平底的几何形状相同的工具，除了球冲它具有146.5毫米鼻子半径。

在同一组进行实验，对此类产品类型[10]，其中产品的高度结合的厚度和焊缝的位置而定，见表3。

在本次实验和部分讨论模拟结果都加粗

5.2.1定制坯由一个1.0-0.7mm底座的材料组合，中间焊接

大约3600膜元件已被用来模拟此产品类型拉深。

考虑到计算时间，一个希尔各向异性硬质塑料材料模型，而不是一个弹塑性材料模型使用。

经过150毫米深的计算法兰盘形状和焊缝位置进行比较实验结果，见图11。

计算出的法兰盘形状与实验吻合得很好。

然而，在拉深焊缝议案被高估。

经过150毫米深的位置绘制在焊缝偏差为25毫米。

这种高估是由于采用硬质塑料材料模型，因为在这个模型的塑性应变是不应变区高估。

5.2.2定制坯由一个0.8-0.7mm底座的材料组合，在左侧焊接

一希尔硬质塑料各向异性材料模型来模拟这种类型的产品，见图12。

该产品的实验和模拟在150毫米深的抽奖结果描绘在图13。

无论是形状和焊接法兰直线运动没有得到很好的模拟，可以作如下解释。

首先之间的实验和模拟的区别，部分是由于非均匀压边力在紧迫。

正如在图13中，上层和空白做很难流向模腔中的对比，左边的空白，降低一部分。

这种流动中不能由各向异性不仅造成差异。

第二个材料的行为被假定为硬质塑料的应变高估了在产品的产量较应变部分。

第三，从[1]，[4]，[8]据了解，焊接本身并没有进行建模时，主要是面向拉伸轴垂直于焊缝。

在本产品的焊接也受到压力焊接线平行的，其中认为焊缝进行建模以获得准确的模拟结果。

计算出的25毫米后150毫米深冲焊直线运动是对实验结果的低估。

6。

结论

•焊缝直线运动是显着的影响发生的应变状态，尤其是当材料被拉伸垂直于焊缝，由于应变较薄（弱）定位的基础材料。

排量最小的焊缝可以通过放置在一个地区，低株垂直于焊缝焊接线或选择基体材料的应用等负荷承载能力。

•弹性塑料材料的行为是优先于硬质塑料材料的行为，因为在弹性塑料模型的应变并不低高估了应变区。

•该压边力，因此摩擦，是在激光拼焊板拉深的重要参数。

因此，该压边力需要更准确的描述是准确地模拟激光拼焊板。

•也许焊缝本身必须进行建模时，焊缝应变状态受到不属于主要垂直于焊缝线。

必须做进一步的研究来验证这一点。

•有限元方法可以用来预测在深拉伸的应力状态，应变状态和焊接线的议案，如果一弹塑性材料模型，并采用压边力的准确描述。

7。

致谢

G.J.Schotmeijer是为坯的定制预处理程序的发展表示感谢。

8。

参考文献

[1]SaundersF.I.,WagonerR.H.,‘Theuseoftailor-weldedblanksinautomotiveapplications’,SimulationofMaterialsProcessing:

Theory,MethodsandApplications,ShenandDawson（eds.）,1995,p.157-163

[2]SiegertK.,E.Knabe,‘FundamentalResearchandDrawDieConceptsforDeepDrawingofTailoredBlanks’,…..

[3]BouaifiB,D.Sommer,‘Influenceofjoiningtechniquesonthemicrostructureandformabilityofsteelsheet’,WeldingResearchAbroad,vol.42,no.3,1997,p.37-40

[4]SaundersF.I.,WagonerR.H.,‘FormingofTailor-WeldedBlanks’,MetallurgicalandMaterialsTransactionsA:

PhysicalMetallurgyandMaterialsScience,vol.27A,no.9,sep.1996,p.2605-2616

[5]ShiM.F.,K.M.Pickett,K.K.Bhatt,SAEPaper930278,SocietyofAutomotiveEngineers,Inc.400CommonwealthDrive,Warrendale,PA15096-0001,1993

[6]DiekAmanual,release4.0

[7]HuétinkJ.,P.T.Vreede,J.vanderLugt,‘ThesimulationofcontactproblemsinformingprocesseswithamixedEuler-LagrangianFEmethod’,NumericalMethodsinIndustrialFormingProcesses,E.G.Thompson,R.D.Wood,O.C.ZienkiewiczandA.Samuelsson（eds.）,Colorado,1989,p.549-554

[8]DoegeE.,DohrmannH.,KöstersR.,‘SimulationandOptimizationoftheFormingProcessofTailoredBlanks’,Proc.Numisheet’96,J.K.Lee,G.I.KinzelandR.H.Wagoner（eds.）,1996,p.199-204

[9]BergAvanden,‘SimulationandexperimentsofT.M.B.’s,part1:

roundproductwithflatbottom’,internreportno.88745（inDutch）,HoogovensR&D,1997

[10]BergAvanden,‘SimulationandexperimentsofT.M.B.’s,part2:

roundproductwithsphericalbottom’,internreportno.88775（inDutch）,HoogovensR&D,1997