《特種塑性成型》課件-8.拼焊成形

1.拼焊成形的原理及特點關(guān)注的問題能源的大量消耗汽車工業(yè)在不降低轎車結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時減輕車身質(zhì)量。要求拼焊技術(shù)便是其中之一，滿足了在提高汽車結(jié)構(gòu)安全性的同時降低車重的特定要求。拼焊成形的原理及特點冷軋鋼板冷軋鋼板汽車生產(chǎn)大力推廣激光技術(shù)不同表面處理不同鋼種不同厚度兩塊或多塊鋼板通過激光焊接方法，自由組合使之成為一個毛坯件，汽車廠直接使用此毛坯件沖壓成零部件。拼焊成形的原理及特點具有自由組合性質(zhì)，可將不同的鋼板進行拼接。拼焊板超輕型車體ULSAB項目縱梁保險杠門內(nèi)板地板立柱拼焊成形的原理及特點圖8.1車身側(cè)圍板采用激光拼焊板激光拼焊技術(shù)圖8.2BMWPL2地盤后軸縱臂拼焊成形的原理及特點拼焊成形基本原理1拼焊成形技術(shù)特點2內(nèi)

容拼焊成形的原理及特點內(nèi)

容

拼焊成形基本原理1拼焊成形技術(shù)特點2拼焊成形基本原理：將不同厚度、形狀、成分、性能以及不同表面涂層的坯料拼焊在一起形成成形前的毛坯，然后在模具中加壓成形出所需零件形狀。成形的特點：在零件的不同部位可以獲得不同的使用性能，從而達(dá)到減輕構(gòu)件的質(zhì)量、加強構(gòu)件局部抗腐蝕能力、提高強度和剛度的目的。圖8.3拼焊成形原理示意圖一、拼焊成形的基本原理1.由于在變形前已將各部件焊接在一起，可以基本消除焊接殘余應(yīng)力，提高構(gòu)件整體精度和質(zhì)量；2.在成形前進行拼焊或在軋制過程中焊接，焊接工藝簡捷；優(yōu)點3.零件整體化，減少裝配數(shù)量，簡化安裝程序；4.改善部件抗沖擊能力，焊接件的抗沖擊能力比組裝件好；5.減輕部件質(zhì)量，降低材料成本，充分發(fā)揮材料作用。二、拼焊成形技術(shù)特點起皺條件改變由于拼焊板(管)壁厚或材質(zhì)的不同引起板料的不均勻變形給沖壓成形工藝帶來一系列問題問題壓邊圈需要改型焊縫發(fā)生不均勻偏移二、拼焊成形技術(shù)特點小結(jié)拼焊成形基本原理1拼焊成形技術(shù)特點2基本原理：將不同厚度、形狀、成分、性能以及不同表面涂層的坯料拼焊在一起形成成形前的毛坯，然后在模具中加壓成形出所需零件形狀。提高構(gòu)件整體精度和質(zhì)量焊接工藝簡捷簡化安裝程序抗沖擊能力強降低材料成本拼焊成形的原理及特點2.拼焊成形的應(yīng)用拼焊成形的提出1拼焊成形的應(yīng)用2目錄現(xiàn)實生產(chǎn)中要想得到不同性能要求的成形件，最常見的方法：不同坯料沖壓成若干零件點焊或鉚焊成一整體零件焊接變形焊接殘余應(yīng)力整體剛度不好質(zhì)量難以保證改善整體零件的質(zhì)量和性能采用整板成形法零件質(zhì)量明顯提高缺點整個部件都用同樣貴重的材料，既是浪費，又增加重量，已基本被放棄。拼焊板成形技術(shù)可避免這些問題，產(chǎn)品整體質(zhì)量得到提高一、拼焊成形的提出閱讀材料拼焊板在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用概況拼焊在汽車上的應(yīng)用日本本田汽車公司：利用邊角小料做車身側(cè)內(nèi)板而采用的一項技術(shù)。拼焊板成形最早起源于20世紀(jì)60年代二、拼焊成形的應(yīng)用20世紀(jì)70年代采用自制的激光拼焊板做車身沖壓件，但尚未形成規(guī)模化和商業(yè)化。拼焊板才受到越來越廣泛的關(guān)注。20世紀(jì)80年代德國蒂森鋼鐵公司生產(chǎn)出第一批寬幅拼焊板，并成功地用于Audi100車底板，激光拼焊板進入快速發(fā)展階段。1985年20世紀(jì)90年代全球18個國家35家鋼鐵公司參加的超輕鋼車身(ULSAB)計劃二、拼焊成形的應(yīng)用1998年3月采用了16個拼焊板沖壓件車身零件數(shù)量減少20%質(zhì)量減輕25%生產(chǎn)出第一輛樣車激光拼焊板在整車上的應(yīng)用拼焊板生產(chǎn)的汽車零部件車身構(gòu)件外覆蓋件內(nèi)覆蓋件A立柱B立柱車門內(nèi)板底板車輪支架減振器支架橫梁二、拼焊成形的應(yīng)用市場和法規(guī)都需求一種輕型材料來替代鋼鐵材料以減輕汽車質(zhì)量燃油消耗排放要求低密度特性得到極大的重視對鋼鐵在汽車上的應(yīng)用構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)鋼鐵公司新型的鋼鐵結(jié)構(gòu)拼焊板二、拼焊成形的應(yīng)用允許車身零件采用不等厚板鉸鏈處定位點處拼焊板結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域采用厚斷面板避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中需要增加加強板、進行點焊等后續(xù)步驟優(yōu)點減輕質(zhì)量和零件整合提高材料利用率、減少模具數(shù)目提高結(jié)構(gòu)性能二、拼焊成形的應(yīng)用1999年寶鋼技術(shù)中心引進激光拼焊試驗裝置，對激光拼焊板技術(shù)進行研究，完成多家汽車廠部分零件的工藝研究，且進行了試沖試驗，達(dá)到實際車身零件對激光拼焊板的要求。阿賽洛(Arcelor)公司成立合資公司專門大規(guī)模生產(chǎn)激光拼焊板滿足國內(nèi)汽車廠對于激光拼焊板的需求某轎車的前門內(nèi)板某轎車的后邊梁某轎車的前縱梁加強版二、拼焊成形的應(yīng)用國內(nèi)技術(shù)的應(yīng)用與研究尚處于起步階段自主設(shè)計制造的能力較弱一些汽車車身的重要零件還需要用國外進口的拼焊板進行沖壓，所以成形模具亦依賴進口。二、拼焊成形的應(yīng)用小結(jié)拼焊成形的提出1拼焊成形的應(yīng)用2拼焊成形的應(yīng)用小結(jié)拼焊成形的提出1拼焊成形的應(yīng)用23.1拼焊板成形工藝（1）焊縫的移動問題1成形極限2目錄起皺問題3拼焊板成形過程中焊縫的移動問題是影響拼焊板成形性能的一個主要問題焊縫的移動焊縫兩側(cè)基體金屬變形不均造成汽車零件的焊縫移動問題控制焊縫移動抑制較薄或者較弱側(cè)金屬的局部塑性變形增加厚側(cè)或強側(cè)金屬流入凹模中的比例提高拼焊板的沖壓成形性取決于邊界條件壓邊力板料輪廓形狀焊縫位置薄板占比例的影響薄板所占比例越大焊縫移動量越大拼焊板的厚度比、強度比越大焊縫移動量越大壁厚差異的影響一、焊縫的移動問題焊縫移動引起的開裂焊縫移動可引起不均勻變形導(dǎo)致局部嚴(yán)重減薄甚至發(fā)生開裂抑制薄側(cè)或弱側(cè)金屬的局部塑性變形增加厚側(cè)或強側(cè)金屬流入凹模中的比例提高拼焊板的沖壓成形性能一、焊縫的移動問題改變模具壓邊力法抑制焊縫的移動合理布置拉深筋法夾持焊縫法控制薄側(cè)板料的流入在薄側(cè)材料處施加較高的拉深筋拉深筋控制方法抑制焊縫移動拉深筋控制方法在厚側(cè)板料部分施加較低的拉深筋一、焊縫的移動問題壓邊力控制方法在薄側(cè)材料施加較大的壓邊力或采用較小的壓邊間隙在厚側(cè)材料施加較小的壓邊力或采用較大的壓邊間隙目的控制薄側(cè)材料流入抑制焊縫移動焊縫夾緊方法需要在現(xiàn)有模具上增加特定的部件對焊縫實施夾緊，控制其移動利于設(shè)計和成形“階梯壓邊圈+拉深筋”控制焊縫移動的工藝方案抑制薄側(cè)母材的破裂趨勢焊縫移動量30mm降低為9mm提高拼焊板的沖壓成形性能不同變形條件下的焊縫移動量對比最大減薄率成形件焊縫附近的厚側(cè)母材，其減薄率為23%靠近焊縫區(qū)域薄側(cè)母材的減薄率為4%～12%減小焊縫移動量提高拼焊板的成形性能一、焊縫的移動問題采用液壓夾緊的方法可控制焊縫移動提高差厚拼焊板的拉深成形性能把液壓缸嵌入凸模和凹模中，在拉深過程中夾緊焊縫，可按需要設(shè)置一組或多組液壓缸夾持焊縫來控制其移動。沖壓成形過程中液壓控制裝置示意圖有效抑制拼焊板成形過程中開裂的發(fā)生使厚、薄兩側(cè)母材的變形更加均勻減小焊縫的移動量保證焊縫在成形零件上的最終位置提高拼焊板的成形能力和零件質(zhì)量一、焊縫的移動問題主要用抗破裂性作為評定板料沖壓成形性能的指標(biāo)。實際車身零件成形時的破裂示例脹形時焊縫處破裂（一）脹形時的α破裂板料所受的拉應(yīng)力超過材料強度極限而引起的。破裂產(chǎn)生的主要原因二、成形極限低強度母材側(cè)破裂（二）β破裂β破裂當(dāng)板料的伸長變形超過了板料的局部延伸率時，就會導(dǎo)致板料產(chǎn)生破裂。低強度板一側(cè)的變形集中導(dǎo)致焊縫與低強度母材相鄰處發(fā)生破裂二、成形極限彎曲變形時，當(dāng)彎曲變形區(qū)的外層材料中拉應(yīng)力過大時，就會引起材料破裂。（三）彎曲破裂彎曲時焊縫處破裂在焊縫處易因彎曲變形時外層受拉而導(dǎo)致開裂彎曲圓角半徑過小二、成形極限(a)薄板破裂拼焊板成形時失效位置總是發(fā)生在較弱金屬一側(cè)焊縫界面，裂紋總是垂直于主應(yīng)變方向(b)彎曲破裂二、成形極限焊縫位置影響成形極限的因素強度比厚度比厚度比或強度比較大時使較厚或強度較高一側(cè)金屬有更多的變形避免壁厚較薄、強度較低一側(cè)金屬的局部集中變形二、成形極限低強度板材區(qū)激光拼焊板焊縫區(qū)高強度板材區(qū)易形成板料的破裂和起皺等缺陷。(b)焊縫處的微觀組織拼焊板兩母板存在強度差和厚度差在彎曲成形時會因焊縫移動在近焊區(qū)造成開裂，同時會產(chǎn)生較明顯的回彈轎車縱梁件采用拼焊板彎曲成形時的開裂(a)宏觀開裂三、起皺問題采用激光拼焊的車門內(nèi)板原來的結(jié)構(gòu)系分別在安裝鉸鏈一側(cè)的上、下部局部加強，工藝煩瑣；改為采用拼焊板的一體化、輕量化設(shè)計，即在板坯的左側(cè)采用厚板與母板拼焊，之后再沖壓成形起皺是所有板料成形的共同問題三、起皺問題車門內(nèi)板的復(fù)雜形狀的拉深成形成形過程中（a）未發(fā)生起皺的產(chǎn)品與焊縫相垂直的方向上承受交替作用的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力結(jié)果會在強度較低的母材一側(cè)造成變形集中，致使薄板一側(cè)發(fā)生起皺。（b）發(fā)生起皺的產(chǎn)品形狀用拼接焊成形車門內(nèi)板易發(fā)生起皺三、起皺問題所用板材強度的匹配采用激光拼焊板進行車身覆蓋件設(shè)計時設(shè)計模具時考慮抑制起皺在板焊縫附近取比厚板大的間隙時會因薄板一側(cè)發(fā)生失穩(wěn)而易起皺焊縫的移動問題1成形極限2起皺問題3小結(jié)不僅是簡單的金屬連接更是涉及到結(jié)構(gòu)安全、產(chǎn)品質(zhì)量等多方面的關(guān)鍵因素三、起皺問題3.2拼焊板成形工藝（2）焊縫成形的其他問題1影響成形質(zhì)量的主要因素2目錄拼焊板成形中存在的其他問題在硬度比較大的焊縫區(qū)域出現(xiàn)的修邊、卷邊拼焊板成形的研究取得了一定的成果，但還不夠完善影響焊縫移動的重要因素在拼焊板成形中對焊縫移動的控制所有板料成形中都存在的回彈問題有關(guān)焊縫位置和形狀對焊縫移動影響的研究還不夠深入四、成形的其他問題復(fù)雜零件綜合考慮板材性能拼焊板的各個坯料如何排放與零件性能的要求有很大關(guān)系焊縫位置焊縫形狀與焊縫移動量的關(guān)系相同厚度和強度的激光拼焊板與單一板相比1.對于等厚度、等強度材料，失效總是發(fā)生在焊縫界面，裂紋總是垂直于主應(yīng)變方向，這與焊縫延伸性下降有密切關(guān)系。（一）母材厚度差對成形性能的影響最大成形高度下降了30%當(dāng)主應(yīng)變方向平行于焊縫時最大成形高度下降了10%當(dāng)主應(yīng)變方向與焊縫垂直時五、影響成形質(zhì)量的主要因素2.對于不同厚度的拼焊板當(dāng)主應(yīng)變方向平行于焊縫時由于焊縫處的韌性比基體金屬差，焊縫容易首先破裂；當(dāng)主應(yīng)變方向垂直于焊縫時由于基體金屬的抗拉強度低于焊縫處的抗拉強度，使得變形主要集中在基體金屬上，薄板側(cè)基體首先發(fā)生破裂。2.對于不同厚度的拼焊板由于焊縫和鄰近焊縫較厚一側(cè)局部畸變所產(chǎn)生的誘導(dǎo)變形所造成的。3.同強度、不同厚度的拼焊板與基材相比，杯突試驗的極限拱頂高下降43%。最大成形高度拉伸類翻邊成形性厚度比值密切關(guān)系隨著比值的增大而降低比值超過極限值時，較厚側(cè)板將不發(fā)生變形五、影響成形質(zhì)量的主要因素當(dāng)焊縫垂直于拉伸方向時當(dāng)焊縫處在板材中心或厚板占較大比例時焊縫離開板料中心位置越遠(yuǎn)，其成形極限高度值越大，而當(dāng)焊縫靠近沖模時開始下降。變形過程中可能發(fā)生局部應(yīng)力分布不均而導(dǎo)致失穩(wěn)或破裂。是薄板占較大比例的情況下，拼焊板的性能越來越接近于母材；五、影響成形質(zhì)量的主要因素拼焊板一般都是由不同力學(xué)性能的板料組焊而成的，不同的材料性能決定了不同的成形性能。如何使變形協(xié)調(diào)進行（二）不同力學(xué)性能搭配的拼焊板對成形性能的影響影響拼焊板成形的重要因素不同的彈性模量k值不同的硬化指數(shù)n值影響板料的成形性能五、影響成形質(zhì)量的主要因素坯料各部分具有不同變形性能，不同的變形效果塑性變形成形過程中強度較高一側(cè)材料不容易產(chǎn)生屈服塑性流動強度較弱一側(cè)較早進入塑性變形狀態(tài)較弱的材料過早的出現(xiàn)變薄和產(chǎn)生破裂的趨勢，而強度較高的材料則可能還沒有進入塑性變形。焊縫成形的其他問題1影響成形質(zhì)量的主要因素2小結(jié)4.拼焊管成形工藝德國斯圖加特最早出現(xiàn)在2003年拼焊管內(nèi)高壓成形的概念第三屆內(nèi)高壓成形國際會議上，有學(xué)者提出激光焊管工藝可以用于將拼焊板制成拼焊管材激光焊管工藝再加壓成形，形成了拼焊管內(nèi)高壓成形的雛形閱讀材料——拼焊管內(nèi)高壓成形技術(shù)的產(chǎn)生哈爾濱工業(yè)大學(xué)苑世劍教授最早出現(xiàn)在2003年拼焊管內(nèi)高壓成形的概念先將不同厚度或不同材質(zhì)的管坯焊接成整體，再高壓成形出所需的零件形狀，即拼焊管內(nèi)高壓成形減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高零件整體尺寸精度形成了真正意義上的拼焊管內(nèi)高壓成形閱讀材料——拼焊管內(nèi)高壓成形技術(shù)的產(chǎn)生成形極限問題1焊縫移動問題2目錄壁厚分布問題3焊縫位置對開裂壓力的影響（ηt=1.6）厚度比對開裂壓力的影響（ηt=0.5）一、成形極限問題壁厚差異拼焊管內(nèi)高壓脹形時薄壁管薄壁管達(dá)到脹形極限(即管坯脹形至破裂)時厚壁管的最大膨脹率(δ)為定量表述壁厚差異拼焊管內(nèi)高壓脹形時薄壁管、厚壁管在變形程度上的差異厚壁管膨脹率存在差異薄壁管的極限膨脹率(δk）變形協(xié)調(diào)比，記為c一、成形極限問題c=δk/δ測點位置當(dāng)c=1時表示兩者的最大膨脹率相等焊縫位置對變形協(xié)調(diào)比的影響(n=1.6)增大厚壁管占比例或減小薄壁管占比例拼焊管隨著長度比增大降低兩管間的膨脹率差異提高變形協(xié)調(diào)比一、成形極限問題壁厚差異增大，厚壁管的膨脹率降低。厚度比對變形協(xié)調(diào)比的影響(n=0.5)當(dāng)厚度比η<1.6時變形協(xié)調(diào)比隨厚度比的增大緩慢降低。當(dāng)厚度比η>1.6之后變形協(xié)調(diào)比隨厚度比的增大急劇下降。兩管相連區(qū)域的變形條件非常惡劣易發(fā)生過渡減薄甚至開裂等缺陷實際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免厚度比大于1.6。一、成形極限問題拼焊管成形時，焊縫發(fā)生移動焊縫移動方向示意圖由薄壁管一側(cè)移向厚壁管一側(cè)焊縫位置和厚度差異對焊縫移動的影響焊縫位置和拼焊管壁厚差異影響焊縫移動量大小隨著厚度比增大，焊縫移動量急劇增大，焊縫移動量與厚度比基本呈線性關(guān)系，焊縫位置對焊縫移動量影響不大。二、焊縫移動問題薄壁管直接用成形結(jié)束后的壁厚值來描述壁厚分布厚壁管初始壁厚不同，很難直接對比得到兩者之間的壁厚變化差異。成形前后的壁厚變化量與初始壁厚的比值來表征各處的壁厚分布減薄率減薄率=(t-t0)/t0t為成形后的壁厚t0為初始壁厚三、壁厚分布問題利用減薄率來表征成形件各處的壁厚分布的優(yōu)點是：是壁厚變化的相對值，可非常直觀的比較出不同初始壁厚管坯的壁厚變化情況。減薄率壁厚分布(η=0.5,n=1.6)薄壁管的減薄率薄壁管和厚壁管有相同的脹形量，但脹形區(qū)內(nèi)減薄率分布并不均勻。沿軸向兩管的減薄率各自呈單調(diào)變化趨勢。厚壁管的減薄率脹形區(qū)內(nèi)隨著離焊縫距離的增加薄壁管的減薄率降低，厚壁管的減薄率增大。三、壁厚分布問題最大、最小減薄率分居焊縫兩側(cè)，拼焊管減薄率在焊縫附近發(fā)生突變，最大、最小減薄率差值為6.6%。減薄率最大的點出現(xiàn)在薄壁管靠近焊縫一端;減薄率最小的點出現(xiàn)在厚壁管靠近焊縫一端。壁厚分布(η=0.5,n=1.6)三、壁厚分布問題壁厚分布(η=0.5,n=1.6)厚壁管靠近焊縫區(qū)域和遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的減薄率呈不同的變化趨勢：長度比增大厚壁管靠近焊縫區(qū)域的減薄率增大遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的減薄率略有降低長度比改變時焊縫兩側(cè)薄壁管和厚壁管的減薄率有相同的變化趨勢；但變化幅度不大，焊縫兩側(cè)減薄率差值也基本保持不變。減薄率波動幅度由2.5%降為1.2%三、壁厚分布問題壁厚差異對壁厚分布的影響(m=0.5)隨著壁厚差異增大，薄壁管的減薄率增大，厚壁管的減薄率降低，越靠近焊縫區(qū)域受影響越大?？拷缚p處減薄率的變化量為4.5%，而遠(yuǎn)離焊縫端的減薄率的變化量僅為1%。壁厚差異對壁厚分布的影響(m=0.5)厚度比由1.2增大到1.8時三、壁厚分布問題焊縫兩側(cè)薄壁管和厚壁管的減薄率呈相反的變化趨勢厚度比改變時壁厚差異增大薄壁管和厚壁管的減薄率差值越來越大厚度比為1.2時最大最小減薄率差值僅為2.5%厚度比為1.8時最大最小減薄率差值達(dá)9%說明差厚拼焊管內(nèi)高壓成形時，壁厚差異越大拼焊管的減薄率分布均勻性越差。三、壁厚分布問題小結(jié)拼焊管成形工藝及焊接技術(shù)1焊接參數(shù)對焊縫的影響25.拼焊成形的焊接技術(shù)隨著國家大型工程項目及重點工程建設(shè)計劃的制訂與實施采用新材料、大厚度結(jié)構(gòu)進行制造與生產(chǎn)。大飛機項目三峽大壩探月工程閱讀材料——高效化焊接的發(fā)展與現(xiàn)狀焊接科學(xué)與技術(shù)不斷革新——高效化焊接“高效率、高質(zhì)量、低成本、低消耗”成為現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的主要方向通過物理化學(xué)過程，使分離的材料產(chǎn)生原子或分子間的作用力而連接在一起。焊接閱讀材料——高效化焊接的發(fā)展與現(xiàn)狀滾壓電阻焊1電子束焊2目錄激光焊3滾壓電阻焊是電阻焊的一種，也就是電阻焊中的縫焊。連續(xù)滾壓電阻焊斷續(xù)步進一、滾壓電阻焊1.焊接性受到材料本身的物理、力學(xué)性能的影響；拼焊板采用滾壓電阻焊的特點：材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性越好焊接區(qū)所需的熱量越多焊接區(qū)的加熱越困難2.焊接參數(shù)對拼焊板成形性影響大；焊接電流、壓力、材料的搭邊材料的線膨脹系數(shù)、對熱的敏感性材料的熔點3.電極容易磨損，需要頻繁維修，導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降；一、滾壓電阻焊4.焊接時，在材料表面易產(chǎn)生凹凸不平和材料表面嚴(yán)重氧化。拼焊板采用滾壓電阻焊的特點：車身拼焊板中使用的鋼板多為鍍鋅鋼板表面鍍層改變了鋼板的焊接特性未熔合缺點裂紋縮孔嚴(yán)重影響了拼焊板的成形能力。滾壓電阻焊工藝將使鍍鋅保護層破壞，使損傷的鍍鋅層區(qū)易銹蝕。一、滾壓電阻焊利用真空電子槍中產(chǎn)生的高能強流電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被焊金屬迅速熔化和蒸發(fā)而實現(xiàn)焊接。電子束焊拼焊板采用電子束焊的特點是：1.電子束焊要求在真空條件下完成，由此可得到較純凈的焊縫金屬，有利于拼焊件成形；2.由于薄板的導(dǎo)熱性差，電子束焊時局部加熱強烈，易導(dǎo)致金屬表面過熱，從而將鍍層破壞；3.用電子束焊拼焊鋁合金板時易生成氣孔；鋁合金板表面的氧化膜→鋁鎂氧化物容易吸收大量水分，是焊縫中氣孔的主要來源二、電子束焊拼焊板采用電子束焊的特點是：