周大军
为什么拼焊板的成形性确定很困难(2)
2021-9-28 19:41
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我今年1月31号的博客题目是 “为什么拼焊板的成形性确定很困难”。 多半年过去了,我们在实验室里又做了不少新的工作, 包括以DIC(数字图像相关)的方法对成型实验中板材表面发生的位移,变形和应变进行了观察记录; 用光学显微镜和扫描电子显微镜对垂直于焊缝的切面样品的金相组织的观察, 对焊缝附近的微观硬度和几何形状特征的测量; 也进行了利用微观硬度数据,构建焊缝材料模型的方法, 试图改善数值模拟预测精度方面的一些新的探索。因此我们对拼焊板的成形性和可预测性问题的看法, 有了新的感悟。

构成一块拼焊板的,位于焊缝两侧的板材的强度和厚度有可能不一样, 按照强度和厚度的组合方式,我们可以把它们分为四种类型:(1)两边是同一材料而且是同一厚度(same material, same thickness, SM-ST);(2)同一材料但是不同厚度(SM-DT, different thickness); (3)不同材料但是相同厚度 (different material, DM-ST); (4)不同厚度的不同材料(DM-DT)。

有读者可能会以为,第一个类型说的那种以”同一材料而且是同一厚度”构成的拼焊板,看上去像是脱了裤子放P---多此一举。为什么好端端的材料,一定要从中间切开,再把缝整齐地对到一起,然后用激光把它们焊成一块拼焊板,是不是吃饱了撑的没事干了,这有什么必要呢?

这其实大有必要。因为现代冲压件的制造成本中70%左右是材料成本。因此提高材料利用率是一件极其重要的事情。出于在商言商减少成本提高利润的目的,每个冲压厂的管理者都会高度重视提高材料利用率问题,不厌其烦地反复强调, 天天讲,月月讲,年年讲。有一次,我注意到我们的一家冲压厂所使用的拼焊板中,竟然有高达30%的拼焊板,是同一材料同一厚度构成的。

我们在今年的实验所用的拼焊板的组合选择上,包括了几种不同强度的第1类型的拼焊板,还有另一个目的,就是为了简化各种因素之间的因果关系分析, 突显焊缝对成型性的影响,而保持其他条件尽量相同。我们想以基本板材为基础,观察在有无焊缝存在的两种不同情况下,成形性发生了什么变化。

我们今年的实验采用了DIC方法,观测在三种板材变形应力应变条件下的成形和断裂特性:(1) 材料试验机上的单轴拉伸试验。 拉伸试样上,可以有一条水平方向的焊缝,或者一条垂直方向的焊缝,或者只是母材没有焊缝;(2) 使用中岛冲头的平面应变拉伸试验; (3) 使用中岛冲头的等双向拉伸试验。这三种应力应变条件,代表了板材成形极限图上的3个典型加载方向。

在今年的实验里,用光学显微镜和扫描电子显微镜,对垂直于焊缝的切面样品的金相组织进行了观察,测试了焊缝附近的微观硬度,测量了焊缝的几何形状特征。由于激光焊接时熔池体积非常小,焊接速度和冷却速度非常快,激光拼焊板的焊缝里存在着一些平时较少看到的金相组织结构,比如针状铁素体,多边形铁素体和贝氏体。由于液体飞溅,汽化蒸发和补充焊缝两侧切口的贴合度不足,凝固后激光一侧的焊缝表面会出现不同程度的凝固塌陷,形成局部的缺口状的表面几何缺陷,由此产生了承载截面尺寸减少和缺口应力集中效应。这些因素会使得焊缝变弱,拉应力下容易开裂。

我们观察到激光拼焊板在变形结束前,出现颈缩和开裂失效的三个可能的起始位置和方向:(1)在承载能力较低的激光拼焊板组合中较弱的一侧,裂纹在母材上出现平行于焊缝; (2)裂纹在焊缝处出现,平行于焊缝; (3)裂纹在焊缝处,垂直于焊缝。

构成一块激光拼焊板的三个主要部分是A板,B板和焊缝。如果焊缝的强度大于两板中较弱的那一块板,在最大主应变垂直于焊缝的条件下,焊缝不会成为最先失效的那一个,于是第一种情况发生。

当最大主应变是沿着焊缝的长度方向的时候,焊缝的塑性低于其两侧钢板的塑性,那么焊缝就会首先裂开,于是第3种情况就会发生。

我们最不愿意看到的情况是裂纹沿着焊缝形成和生长。这种情况发生的条件是最大主应变垂直于焊缝方向,而不幸焊缝的强度恰好是三个主要部分中最差的那一个。

今年我们实验的组合中,有一种情况正是这样的。两边的材料是相同厚度的同质低碳软钢。焊缝的硬度略高于板自身的硬度,且在激光侧有比较大的焊接凝固凹陷,于是焊缝的承载能力比两侧的母板的承载能力稍低一些。在最大主应变垂直于焊缝的情况下,焊缝首先开裂,就像链条在加载过程中,最弱的那个链节,首先开裂一样。

目前工业界在进行激光拼焊板的冲压变形数值模拟中,一般采用两材料模型建模。即仅仅使用A板和B板的材料模型建模。对于焊缝的处理,只是把两侧单元的节点连接起来。

为什么不用三材料(A板+B板+焊缝)的建模方法?

不是工业界不想,而是不知道如何建构焊缝的材料模型。

我们今年进行了利用微观硬度数据,构建焊缝材料模型的尝试, 为改善数值模拟预测精度做了一些新的探索。成形模拟的结果表明,在不同的变形模式下,与DIC应变测量结果的关联比对,吻合的情况时好时坏,感觉背后的原因比较复杂。看来焊缝材料建模的事情难度不小,后来还有很长的一段路要走。对于更高级的材料而言,三材料模型恐怕还不够用,还要再加上两边的热影响区,那就是要用五材料的模型了。

我们今年另外两个印象比较深刻的观察是(1)激光拼焊板的成型性要比两侧任何一个母材的成型性更差一些,(2)激光拼焊板成形性的波动变化比较大,一组多样本重复试验的结果比较散乱,可重复性较差。

导致这种情况的一个最主要的原因是焊缝中随机分布的缺陷。焊缝中缺陷的随机性是个很严重的挑战,如果缺陷出现在高应变的地方,就会导致冲压件开裂。人工肉眼检查随机的开裂容易漏检,使用在线机器视觉100%检查必然是未来的质量控制方向。


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