李艷華，林建平

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

前言

車身輕量化和提高安全性與舒適性是汽車制造商面臨的巨大挑戰(zhàn)。拼焊板作為車身輕量化的重要技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用。然而，由于焊縫的存在和厚度與材料性能的差異，拼焊板的成形性能低于單一板材。因此，國內(nèi)外學(xué)者在拼焊板成形性方面進(jìn)行了大量深入的研究，取得了豐富的研究成果。隨著拼焊板應(yīng)用范圍和應(yīng)用形式的發(fā)展，其相關(guān)研究逐漸從實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向變形的內(nèi)在機(jī)理方面。

本文中對(duì)拼焊板國內(nèi)外的最新研究進(jìn)行了分類總結(jié)，從成形極限、變形行為與預(yù)測(cè)方法、拼焊板成形影響因素和拼焊板設(shè)計(jì)技術(shù)4個(gè)方面簡要介紹了拼焊板的研究成果，討論了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。

1 拼焊板成形極限研究進(jìn)展

拼焊板的成形極限是反映和評(píng)價(jià)拼焊板成形性能、分析影響其成形性能因素的重要指標(biāo)。但由于從實(shí)驗(yàn)中獲取成形極限非常困難且成本較高，國內(nèi)外研究學(xué)者通常從理論和數(shù)值模型方面計(jì)算和預(yù)測(cè)拼焊板的成形極限。這些模型主要可以分為兩類:宏觀尺度模型和微觀尺度模型。宏觀尺度模型關(guān)注塑性失穩(wěn)，而微觀尺度模型則基于連續(xù)損傷理論，考慮微裂紋或微孔洞效應(yīng)的影響。

1.1 宏觀尺度成形極限模型

宏觀尺度模型是從宏觀參數(shù)方面描述和表征材料的失穩(wěn)和失效。文獻(xiàn)［1］中使用等效應(yīng)變率、主應(yīng)變率、厚度應(yīng)變率和厚度梯度4種準(zhǔn)則判定板材的頸縮，從而預(yù)測(cè)拼焊板的成形極限，并對(duì)極限應(yīng)變率進(jìn)行了修正。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］中都使用厚度梯度準(zhǔn)則對(duì)拼焊板成形極限進(jìn)行了預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［4］中分別通過脹形實(shí)驗(yàn)和M－K模型獲得縱向焊縫拼焊板的成形極限，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和解析方法確定原始厚度缺陷度值。文獻(xiàn)［5］中使用M－K模型，建立了基于HOSFORD屈服準(zhǔn)則的拼焊板成形極限。文獻(xiàn)［6］中使用基于頂點(diǎn)理論的頸縮準(zhǔn)則預(yù)測(cè)拼焊板成形極限，并對(duì)3種不同焊縫方向的拼焊板進(jìn)行極限脹高實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)的成形極限與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

1.2 微觀尺度成形極限模型

微觀尺度模型是從孔洞和微裂紋等微觀參數(shù)表征材料的失效，認(rèn)為孔洞和微裂紋的形成、長大和擴(kuò)展是導(dǎo)致材料失效的原因。文獻(xiàn)［7］中使用GTN模型建立拼焊板的成形極限，模型參數(shù)通過響應(yīng)面法獲得。文獻(xiàn)［8］中應(yīng)用破壞損傷準(zhǔn)則來確定拼焊板的成形極限，通過實(shí)驗(yàn)獲得不同應(yīng)變下的損傷參數(shù)，并使用這些參數(shù)和損傷準(zhǔn)則在LS－DYNA中進(jìn)行拼焊板成形仿真。

1.3 存在的問題和進(jìn)一步研究的方向

宏觀尺度模型和微觀尺度模型都從各自的角度描述和解釋拼焊板的失穩(wěn)和失效，并建立成形極限。然而，基于應(yīng)變率的成形極限建立方法必須借助于有限元分析，現(xiàn)實(shí)中無法直接測(cè)量。M－K模型中的初始厚度缺陷值f對(duì)成形極限結(jié)果影響較大，人們對(duì)其值的選擇具有隨意性，現(xiàn)實(shí)中難以直接應(yīng)用。GTN模型和損傷模型須對(duì)損傷因子進(jìn)行精確測(cè)量，而且這些方法須對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。因此，對(duì)于拼焊板，通過對(duì)其變形機(jī)理的研究，使用其他評(píng)價(jià)尺度和評(píng)價(jià)方法來描述成形極限是今后值得深入研究的地方。

2 拼焊板變形行為與預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

拼焊板的變形行為與變形預(yù)測(cè)是其應(yīng)用的重要前提，也是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)所在。拼焊板由于存在焊縫和材料性能與厚度的差異，其變形行為和單一板明顯不同。目前國內(nèi)外學(xué)者主要是從變形行為和預(yù)測(cè)方法方面對(duì)拼焊板進(jìn)行研究。

2.1 變形行為

拼焊板變形行為是指拼焊板在某種成形方式下的成形性能，是反映拼焊板成形性的重要表征方式。文獻(xiàn)［9］中通過物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，對(duì)拼焊板的脹形變形進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其脹形高度隨著厚度比增加而降低，焊縫向厚側(cè)(強(qiáng)側(cè))移動(dòng)，最大脹形力小于單一板。文獻(xiàn)［10］中研究了DP600/DP600和TRIP700/TRIP700的超強(qiáng)度鋼拼焊板的單向拉伸和脹形性能。在垂直于焊縫的單向拉伸中，所有試件均在母材處破裂，但抗拉強(qiáng)度均高于母材，延伸率低于母材。文獻(xiàn)［11］中通過脹形實(shí)驗(yàn)研究了3種類型拼焊板的平面應(yīng)變變形。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于異材異厚的拼焊板，橫向焊縫(焊縫方向平行于寬度方向)拼焊板的脹形高度高于縱向(焊縫方向平行于長度方向)焊縫拼焊板。

文獻(xiàn)［12］中通過二分法研究了拼焊板錐形件成形的起皺問題，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，二分法能對(duì)拼焊板的起皺進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè);而切應(yīng)力是引起起皺的重要因素。文獻(xiàn)［13］中對(duì)拼焊板的液壓脹形進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與普通成形方式相比，液壓脹形能夠使得應(yīng)變分布更為均勻、焊縫移動(dòng)量更小，極限脹形高度可提高16%。

2.2 變形行為預(yù)測(cè)

由于拼焊板材料性能差異、厚度比等方面的多樣性與復(fù)雜性，通過實(shí)驗(yàn)研究所有類型拼焊板的變形行為是不切合實(shí)際的，因此，通過理論和仿真對(duì)變形行為進(jìn)行預(yù)測(cè)是解決問題的有效途徑。文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［15］中基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了一個(gè)預(yù)測(cè)拼焊板單向拉伸、筒形件拉深的專家系統(tǒng)，將PAM STAMP數(shù)值模擬結(jié)果輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行訓(xùn)練。結(jié)果表明，此專家系統(tǒng)對(duì)于新變形預(yù)測(cè)的結(jié)果與仿真較為符合。

文獻(xiàn)［16］中將厚度比、強(qiáng)度比、焊縫方向、焊縫應(yīng)變硬化指數(shù)、焊縫屈服強(qiáng)度和焊縫寬度等作為影響因素，進(jìn)行6因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過ABAQUS軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以極限應(yīng)變、失效位置、最小厚度和應(yīng)變路徑作為輸出，輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與仿真誤差在5%左右。

2.3 存在的問題和進(jìn)一步研究的方向

目前針對(duì)拼焊板的變形行為主要是從單向拉伸、脹形以及不同的成形方法對(duì)異材差厚拼焊板進(jìn)行研究。然而，文獻(xiàn)［17］中對(duì)比單一板和拼焊板的半球脹形試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同材同厚拼焊板縱向變形時(shí)的極限脹形高度比單一板下降了30%，橫向變形時(shí)的極限脹形高度下降為10%左右，如圖1所示。這與通過拼焊板成形理論推導(dǎo)得到的結(jié)論(母材材料性能和厚度差異造成拼焊板成形能力下降，同材同厚拼焊板的成形能力應(yīng)與單一板相同)不符，這說明焊縫的存在對(duì)于拼焊板的成形存在重大影響。焊縫相對(duì)于母材來說是一個(gè)準(zhǔn)剛性邊界或者可視為剛性夾雜，其對(duì)母材的變形產(chǎn)生限制效應(yīng)。從限制效應(yīng)等成形機(jī)理方面研究拼焊板的變形行為是今后拼焊板研究的方向之一。

此外，隨著超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)于超高強(qiáng)度鋼(DP鋼和TRIP鋼)拼焊板的變形行為將成為研究的熱點(diǎn)。

3 拼焊板成形影響因素研究進(jìn)展

激光拼焊板是由激光焊縫和母材構(gòu)成，不同母材、不同焊接參數(shù)下的焊縫性能存在差異，拼焊板成形數(shù)值模擬也須輸入焊縫的材料參數(shù)，因此，研究焊縫的材料本構(gòu)關(guān)系對(duì)于研究激光拼焊板至關(guān)重要。由于激光焊縫寬度為1mm左右，常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法很難獲得焊縫的材料參數(shù)。此外，母材的材料與厚度、焊縫熱影響區(qū)和焊縫方向等都影響拼焊板的成形性能，這些影響因素也是拼焊板設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與依據(jù)。

3.1 激光焊縫材料本構(gòu)

在拼焊板成形模擬中，忽略焊縫性能模型在母材差異性較大的情況下適用，兩側(cè)母材強(qiáng)度和厚度相當(dāng)時(shí)，對(duì)焊縫賦予特殊材料屬性的焊縫處理方式與實(shí)驗(yàn)較為吻合［18］。精確描述焊縫的材料本構(gòu)是拼焊板成形仿真的關(guān)鍵。對(duì)于焊縫材料本構(gòu)的研究，一方面是對(duì)僅有焊縫的試件和小試件的單向拉伸進(jìn)行研究［19］，基于“等應(yīng)變”假設(shè)，采用“混合法”，以獲得焊縫的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系［20］;另一方面，通過數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)測(cè)量焊縫的應(yīng)變場從而獲得其本構(gòu)關(guān)系［21］。近年來，隨著壓痕試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，壓痕試驗(yàn)成為研究焊縫彈塑性性能的第3種途徑。文獻(xiàn)［22］中采用壓痕實(shí)驗(yàn)獲得了DP590激光拼焊板焊縫和熱影響區(qū)的材料性能參數(shù)。文獻(xiàn)［23］中基于壓痕實(shí)驗(yàn)，建立了硬度和材料參數(shù)之間的關(guān)系方程，通過混合法建立了焊縫及熱影響區(qū)域各個(gè)部分材料性能的解析公式，并通過壓痕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.2 成形影響因素

拼焊板母材材料和厚度、焊縫方向等都是其成形性的影響因素，以往的研究都是基于板厚比、強(qiáng)度比與綜合強(qiáng)度比［24－25］和變形非均勻性［26］等方面，近期的研究則主要側(cè)重于非均質(zhì)材料性能方面。文獻(xiàn)［27］中以拼焊板和相應(yīng)的無焊縫磨削階梯板為對(duì)象，從焊縫的存在和幾何尺寸的非連續(xù)性等因素對(duì)拼焊板成形性能下降進(jìn)行研究。結(jié)果表明，幾何尺寸的非連續(xù)性是影響拼焊板成形性能下降的決定性因素，而焊縫的影響僅為6.1%，成形性降低對(duì)比見圖2。文獻(xiàn)［28］中通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究了單一管和拼焊管的數(shù)控彎曲，發(fā)現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)對(duì)于激光拼焊管應(yīng)變分布存在限制效應(yīng)，焊縫在外部位置條件下的限制效應(yīng)最小。

3.3 存在的問題和進(jìn)一步研究的方向

拼焊板激光焊縫是在極高的功率密度下進(jìn)行焊接的，焊縫組織含有較高的馬氏體相。文獻(xiàn)［29］的研究結(jié)果表明，焊縫材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比母材有顯著提高，但延伸率顯著下降，焊縫材料呈現(xiàn)細(xì)晶硬脆化趨勢(shì)。對(duì)于焊縫材料本構(gòu)的研究存在以下3個(gè)問題:(1)焊縫材料是延性材料還是脆性材料，焊縫材料模型是否仍遵循冪指數(shù)方程;(2)“等應(yīng)變”假設(shè)是否成立;(3)焊縫材料的失效準(zhǔn)則問題。

延性材料和脆性材料的本構(gòu)關(guān)系截然不同，故須對(duì)各種鋼種的焊縫材料進(jìn)行研究，以確定焊縫的本構(gòu)形式?！暗葢?yīng)變”假設(shè)認(rèn)為焊縫與母材的應(yīng)變是同步的、連續(xù)的。然而，文獻(xiàn)［30］中認(rèn)為，對(duì)于母材寬度遠(yuǎn)大于焊縫寬度的單向拉伸試件，焊縫沿長度方向延伸率較大是因?yàn)槌霈F(xiàn)了大量與焊縫方向垂直的微裂紋。這些微裂紋擴(kuò)展到延性較好的母材處停止，但并未產(chǎn)生宏觀裂紋，也不引起整個(gè)拼焊板的失效。此外，不同變形形式下焊縫的應(yīng)變狀態(tài)也不同，必須將應(yīng)變狀態(tài)加入到焊縫的失效準(zhǔn)則中，例如焊縫受壓應(yīng)力時(shí)不會(huì)先于母材失效。

目前關(guān)于拼焊板成形影響因素的研究已經(jīng)從板厚比、強(qiáng)度比轉(zhuǎn)移到研究焊縫對(duì)成形性的影響上來。焊縫由于屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高于母材，相當(dāng)于一個(gè)準(zhǔn)剛性邊界，限制了鄰近區(qū)域母材的變形。如何從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和非均質(zhì)材料變形角度描述和表征焊縫的限制效應(yīng)及其與成形極限之間的關(guān)系是拼焊板研究的根本和難點(diǎn)。

4 拼焊板設(shè)計(jì)技術(shù)研究進(jìn)展

對(duì)于車身拼焊板零件來說，車身設(shè)計(jì)者必須根據(jù)零件剛度、強(qiáng)度、自然頻率和碰撞安全性等指標(biāo)對(duì)拼焊板的材料、厚度、焊縫方向和位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)成形性模擬來優(yōu)化零部件的形狀，以達(dá)到輕量化和安全性的目的。國內(nèi)外學(xué)者在拼焊板設(shè)計(jì)方面主要是從優(yōu)化拼焊板的厚度、焊縫位置和材料替換方面進(jìn)行研究。

4.1 拼焊板零件優(yōu)化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［31］中為降低門內(nèi)板質(zhì)量并提高其碰撞性能，以強(qiáng)度和抵抗變形能量作為優(yōu)化的邊界條件，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)拼焊板門內(nèi)板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［32］中設(shè)定焊縫最終的位置與形狀目標(biāo)，應(yīng)用多步逆向計(jì)算拼焊板初始焊縫位置和焊縫形狀。文獻(xiàn)［33］中在優(yōu)化門內(nèi)板拼焊板零件時(shí)，根據(jù)拓?fù)浼夹g(shù)優(yōu)化母材和焊縫的數(shù)量，最后再進(jìn)行尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化。文獻(xiàn)［34］中為了設(shè)計(jì)成形后無需切邊的凈成形拼焊板板材，應(yīng)用追溯映射技術(shù)設(shè)計(jì)拼焊板凈成形板材形狀和焊縫位置。文獻(xiàn)［35］中考慮了強(qiáng)度、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等限制條件對(duì)拼焊板厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［36］中以車身頂部壓潰和側(cè)碰性能為指標(biāo)，通過支持向量衰減方法，使用拼焊板結(jié)構(gòu)對(duì)車身B柱進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［37］中以某拼焊板車門各板件厚度和內(nèi)板焊縫位置作為變量，綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面法、優(yōu)化算法和蒙特卡羅模擬技術(shù)，提出了基于6σ穩(wěn)健性的輕量化方法。文獻(xiàn)［38］中以車門內(nèi)板為研究對(duì)象，根據(jù)車門的載荷和工況，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行布置，然后在制造性約束條件下，優(yōu)化板材的厚度，并通過高強(qiáng)度鋼對(duì)材料進(jìn)行替換。結(jié)果表明，相比于原始設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的車門內(nèi)板零件質(zhì)量減輕且使用性能提高，如圖3所示。

4.2 存在的問題和進(jìn)一步研究的方向

目前關(guān)于拼焊板設(shè)計(jì)方面的研究主要是針對(duì)典型拼焊板零件，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。這些方法主要是以減輕零件質(zhì)量為目標(biāo)，以零件的使用性能為約束條件，使用各種優(yōu)化方法對(duì)汽車零件拼焊板進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，有些研究僅僅考慮了拼焊板零件的使用性能，未能兼顧零件的可制造性。有的研究雖然兼顧使用性能和可制造性，但未考慮高強(qiáng)度鋼與低碳鋼之間的激光焊接性能。此外，拼焊板的設(shè)計(jì)仍然是依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，今后應(yīng)在單一板零件基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和完善，研究拼焊板零件的設(shè)計(jì)方法并制定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范。

5 結(jié)論

拼焊板成形性能和設(shè)計(jì)技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。然而，對(duì)于拼焊板的變形機(jī)理、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等共性技術(shù)的研究仍然欠缺。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和非均質(zhì)材料是今后拼焊板研究的主要方向。

此外，在迄今所見國內(nèi)外關(guān)于拼焊板的研究論文中，大部分研究學(xué)者沒有重視遠(yuǎn)離平衡態(tài)的高能束流(特別是具有最高功率密度的激光束)加工條件下物理冶金過程對(duì)微觀和宏觀組織的重要影響及其最終對(duì)塑性變形的影響，這和常規(guī)激光焊接過程有顯著差別，也是激光拼焊板進(jìn)一步深入研究必須注意的問題。

隨著汽車輕量化的發(fā)展，高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等新材料在拼焊板上的應(yīng)用日益廣泛，這些拼焊板的焊接特性、焊縫性能和變形行為須進(jìn)行深入的研究，以最大限度地實(shí)現(xiàn)車身的輕量化。

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