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1、焊缝对拼焊板成形性能的影响摘 要 : 采用激光焊接技术对冷轧薄钢板进行拼焊,通过对拼焊板进行拉伸试验和模拟成形 性能试验,研究分析了焊缝对拉伸性能参数和成形性能参数的影响,比较了拼焊板与母材性能 的差异,分析了强度比和厚度比对塑性变形的影响及应变分布。关键词: 拼焊板; 焊缝; 成形性能; 应变分布1 引言激光拼焊板是利用激光加工技术,在零件冲压成形前将不同厚度、不同材质或不同表面 涂层的平板材料焊接在一起的平板坯料。激光拼焊板在汽车工业中得到广泛应用。据介绍 1 , 一辆汽车的车身和底盘由 300 余种零件组成,而激光拼焊薄板坯的应用可使零件数减少 66 % ,大大减少了零部件的冲压模具。如
2、果采用拼焊板成形技术,各部分坯料拼焊后再整体 冲压成形,产品整体质量得到提高,对减轻汽车重量、减少加工工序、降低成本、提高生产效 率、减少材料消耗都有十分重要的作用。目前,国内开展激光拼焊板的研究项目不多,中科院 金属研究所的张士宏教授24 、宝钢用户技术研究中心与上海交大等在实验室进行了激 光拼焊的研究5 ,6 。国内大多数汽车厂都是引进生产线或直接进口拼焊板,随着我国汽车 工业的发展,对激光拼焊薄板的需求日益增加,形成由专门生产激光拼焊薄板的公司向汽车生 产厂提供各种拼焊板的新兴产业。因此,开展拼焊板的研究具有重要的意义。笔者对冷轧薄 板的激光拼焊板进行了拉伸性能和成形性能试验研究。2 试
3、验材料试验选用的冷轧薄板材料分别为 St12 ,St16 和镀锌板,母材及拼焊板材料及板厚见表 1 。在华中科技大学激光加工中心进行激光拼焊,将拼焊板加工成拉伸试样、扩孔试样、杯突 试样和 FLD 试样。拉伸试样分别设计成焊缝与拉伸方向垂直和与拉伸方向平行,焊缝在试样 中心部位;扩孔和杯突试样的焊缝也在试样中心部位; FLD 试样设计成焊缝平行于主应变方 向和垂直于主应变方向两种方式。表1试样编号及材料牌号Tab. 1 Sairples liumbcr and nitenal tpes用度材料1及豺料工朋删号材料牌号tc样号B能曲/ mm厚理t mm岸蛮1MlStU0.3F25M5O.&M21
4、.0M2S10M6LOMS1,5T2QIOM?1.0Xifl議锌樣I 0P41Ml0客M71.2MIO儀锌檢1.0fllM31.2M?EO3 试验结果及分析拉伸试验在INSTRON 5569型试验机上测试,模拟成形性能试验在BCS230D试验机 上测试，应变测量分析用ASAME自动应变测量系统。3. 1 焊缝对拉伸性能的影响3. 1. 1 焊缝平行于拉伸方向 当焊缝平行于拉伸方向时,由于焊缝的强度比母材高,塑性较差,一般在焊缝处被拉断。与相同条件焊缝垂直于拉伸方向的试验结果比较,拼焊板的屈服强度和抗拉强度提高,应变硬 化指数n和伸长率A降低，见表2。图1是应力2应变曲线的比较，图2是拼焊板拉伸
5、试验后的试样。3. 1. 2 焊缝垂直于拉伸方向 当焊缝垂直于拉伸方向时，有以下三种情况:(1) 同一材料等厚板拼焊，由于材料性能相同，因此拼焊板的拉伸性能基本与母材一致， 由于焊缝的影响使材料的伸长率降低，见表2和图1 。*2不阿炸疑世買拉忡试避第堀Ta.l 2 R&ultx of tnaulc tests nilh dArre-nl weld irampcnitiiDDwuMi駆MMPitMPsMlSelll櫥3H410.31BFSQMlMl拠SH330.2JB啊fif曙血庇怜方間F50MlMl1幻3W0-265挥咼平f池律方问l. Ml2卜W耕炸板焊缝唾讥掠和方向巧0拼焊板弊缝平行拉伸方
6、向应变疔图1应力应变曲线Fig. t The stress-strain curve烬缝平轩魏神方向: .- - 巴 片 宀乂:.忌二站阳试烬空：总5总羸連心一伽曲S2焊缝拉伸试样Fig. 2 Tensile sampler with weld eam(2) 不同材料等厚板拼焊,拼焊板的拉伸性能取决于两种材料强度的大小。如果两种材 料强度相差不大,在焊缝两边试样的变形基本相同。由于焊缝部位强度高,越靠近焊缝变形越 小，最终在强度偏低材料的一侧破裂。从图3中F27和F35的拉伸曲线可以看出，拼焊板的 屈服强度和抗拉强度比Stl6材料略有提高，比Stl2材料低，拼焊板的应变硬化指数n和伸长 率 A
7、 降低。如果两种材料强度相差较大，在强度较高的材料一侧变形较小或根本不发生塑性 变形，而在强度较低的材料一侧发生塑性变形后断裂，这时拼焊板拉伸性能主要以强度较低的材料为主。图3中的F17和F20拉伸曲线显示，拼焊板的屈服强度比Stl6材料提高15 %2 0 %，抗拉强度提高5 %，拼焊板的应变硬化指数n和伸长率A降低。因此，等厚拼焊板 的塑性变形随着强度比的增加而显著降低。Fig 3 Tfee亡ma倉 of mkir welded Wai wleIi 應qiL 1由亡心!b =IS 4埠度比对忌，丄柿和卄的誓聃Fm -f The iflflwdct of iIm i hijcknt hs mi
8、A。口丽 二 ,n 1窃1吐 煎1君 llue(3) 当用不同材料和不同厚度的钢板拼焊时，拼焊板的拉伸性能取决于两种材料的强度 比和厚度比。试验结果表明，大多数情况断裂都发生在板厚较薄材料一侧，厚度比越大，薄板一 侧变形越大;如果厚板一侧材料强度越高，其变形越小或几乎不变形，塑性变形全部集中在薄 板一侧。要使两块不同厚度的材料都发生变形，要求薄板材料比厚板材料强度高。图 5 分别 绘制出了不同厚度拼焊板的应力2应变曲线，从图5可以看出，F11拼焊板由于两边母材厚 度、强度不同，试样上产生的塑性变形和应力也是不同的，首先 St12 (M3) 材料发生屈服，其后 镀锌板(M9)发生屈服并有明显的物
9、理屈服点，当拉伸载荷继续增加达到St12 (M3)材料的 抗拉强度时,镀锌板(M9)材料接近抗拉强度。可以看出两块材料都产生了最大均匀变形，由 于厚板材料强度低，所以厚板一侧被拉断。3. 1. 3 厚度比对 Rp0. 2 , n 值和 A 值的影响试验结果表明，不等厚拼焊板的塑性变形随着厚度比的增加而显著降低。从图4 可以看 出，随着拼焊板厚度比的增加伸长率和硬化指数值降低，而 Rp0. 2 则略有提高。3. 2 焊缝对模拟成形性能的影响3. 2. 1 焊缝对扩孔率的影响图 6a 是等厚同材料拼焊板的扩孔率与母材扩孔率的比较，可以看出等厚拼焊板的扩孔 率比母材下降了 50 %60 %。图6b是
10、等厚同材料与不同材料拼焊板扩孔率的比较,可以看出Stl2与Stl6材料拼焊板的扩孔率比Stl2同材料拼焊板的扩孔率高，而比Stl6材料拼焊 板的扩孔率低,说明不同材料拼焊板扩孔率除了焊缝的影响之外还与材料性能有关。试验结 果表明,由于焊缝区域材料强度较高,基本不变形,焊缝对材料的流动影响很大,强度较高一侧 板料变形较小,而强度较低一侧板料变形较大,使焊缝两边形成不均匀变形,所以使扩孔率显 著降低。尤其在不等厚拼焊板扩孔试验中有较大的体现,由于板厚和强度的差异,不等厚拼焊 板扩孔率比母材降低了 80 % ,焊缝明显向厚板一侧偏移,而且随着板厚和强度差异的增加其 扩孔率降低，见图6c。图6d是母材
11、扩孔率与板厚的关系。图7是扩孔变形后的试样照片和 扩孔变形的极限应变分布,由于焊缝的影响,拼焊板的极限主应变和次应变值降低,逐渐靠近 平面应变状态。t%)*耳in树斗：|忡样平寻罕押刃锹*阳付卩fL用叫nu的瓷系me炸业时旷札1r:密凤IFsj. 5 Tbt mfliM-nce of wdd 甌ana on ll.e 已昭;id迪a Tile3. 2. 2 焊缝对杯突值的影响由表3可以看出,等厚拼焊板的杯突值比母材下降了 13 %23 %，不等厚拼焊板的杯突值比母材降低了 35 % ，由于焊缝两边不均匀变形，使焊缝发生偏移。表3杯突试验数据Tab. 3 Data of cupping test
12、5试样号材料厚陆nnnIF1 mmMlSt 120.810.81M5Stl60.8U.60M7Stl61.212.3&F50ML/Ml0.89.37F27ML MS0.8/Q.8S.S3F41Ml/ M7A 8/ 1.27.0注:表中数据均为三件试样的平均值，焊缝在试样中间 部位，二氧化碳气体保护焊有哪些主要特点?用二氧化碳气体作为保护气体的电弧焊接方法，称为二氧化碳气体保护焊，简称二氧化碳焊。 二氧化碳气体保护焊具有如下特点：（1）二氧化碳气体价廉易得，而且消耗电能少，是一种既经济，又便于自动化生产的焊接方法。一般情况下，二氧化碳气体保护焊的成本仅为手工电弧焊的 37%-42%，为埋弧 焊的
13、 40%。（2）生产效率高。焊接电流密度大，焊丝熔化率高，母材熔透深度大，对于10 毫米左右的钢板，可以不开坡口直接焊接，焊后渣很少，一般可不清渣，焊接质量稳定。（3）电流密度大，电弧热量集中，焊接后工件变形较小。（4）对油、锈的敏感程度较小，可减少工件和焊丝的清理工作量。（5）二氧化碳焊的焊缝金属含氢量小，焊接低合金高强度钢时，产生冷裂纹的倾向小。（6）飞溅较多，焊缝成形不够美观，清理飞溅费时间。（7）二氧化碳属于弱氧化性，故不能用于焊接铝、镁等化学活性强的金属。 不锈钢焊接要点及注意事项 1.采用垂直外特性的电源，直流时采用正极性（焊丝接负极）2般适合于6mm以下薄板的焊接，具有焊缝成型美
14、观，焊接变形量小的特点3保护气体为氮气，纯度为99.99%。当焊接电流为50150A时，氮气流量为810L/min, 当电流为150250A时，氮气流量为1215L/min。4. 磚极从气体喷嘴突出的长度，以45mm为佳,在角焊等遮蔽性差的地方是23mm, 在开槽深的地方是56mm，喷嘴至工作的距离一般不超过15mm。5. 为防止焊接气孔之出现，焊接部位如有铁锈、油污等务必清理干净。6. 焊接电弧长度，焊接普通钢时，以 24mm 为佳，而焊接不锈钢时，以 13mm 为佳， 过长则保护效果不好。7. 对接打底时，为防止底层焊道的背面被氧化，背面也需要实施气体保护。8. 为使氩气很好地保护焊接熔池，和便于施焊操作，钨极中心线与焊接处工件一般应保持 8085角,填充焊丝与工件表面夹角应尽可能地小，一般为 10左右。9. 防风与换气。有风的地方，务请采取挡网的措施，而在室内则应采取适当的换气措施。不锈钢MIG焊要点及注意事项1. 采用平特性焊接电源，直流时采用反极性（焊丝接正极
