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一种基于DIC技术识别焊缝材料参数的新方法


摘要:一种准确获得拼焊板材料属性的方法。利用DIC光学三维应变测试系统得到拼焊板试件焊缝区域颈缩时的主、次应变值,利用力学公式推导出焊缝区域的硬化指数(n)。根据工程经验,两种材料的硬度和屈服应力符合比值关系,利用对拼焊板厚度方向进行硬度测试获得拼焊板各区域的硬度,根据本文推导出的力学公式得到焊缝的强度系数(k,从而获得焊缝的材料参数。焊缝两边的热影响区材料参数差别很大,进行分区,其材料参数为母材和焊缝的均值。最后,建立有限元模型,利用ABAQUS软件进行有限元仿真,将混合法、共节点法和本文提出的方法所得到的材料参数分别代入到仿真模型中与拉伸实验进行比较;另外,将仿真得到的拼焊板试件在拉伸过程中的应变图和DIC获得的应变图进行比较,验证本文提出的方法的准确性。


引 言
激光拼焊板是指将两块或两块以上的薄板在冲压成形前用激光焊接在一起,然后进行成形,以满足不同部位零件的性能要求[18]。随着现代社会对环境保护、资源节约和可持续发展的重视。航空和汽车业促进了重量轻、高性能和低成本技术的发展。拼焊板的应用正是适应了社会发展的潮流,可以降低重量及成本,从而使拼焊板技术成为汽车制造业和航空业最有发展潜力的一种技术[1]。而双相钢(DP钢)由于很高的强度和延展性,在汽车工业中运用的越来越多[8]。
目前,国内外有关激光拼焊板力学性能研究的报道不多,尤其是高强度钢板激光拼焊板的研究就更少,只有少部分学者对其进行了研究,并取得了一定的研究成果。Abdullah et al 等[2] 利用混合法,通过拉伸试验、金相组织和硬度测试实验,确定由AISI 1005 和STM A370焊接成的拼焊板的材料属性,这种方法的缺陷就是忽略了HAZ区域的影响;Zhao et al.、Lee et al和Kim et al[3-5]利用混合法,同时考虑焊缝和热影响区(HAZ)区域,对母材和只含焊缝的小试件进行拉伸试验,求得拼焊板个区域的材料属性,这种方法的缺陷就是只适用于那些HAZ区域很宽的试件。香港理工大学的C.H.Cheng [6-7]利用激光在焊缝区域打上直径为1mm和深度为10um的圆形栅格,并且为了尽量减少母材和HAZ区域的影响,其切割出的拉伸试件宽度只有1.5-2mm,在拉伸的过程中,有一个实时摄像记录系统,记录下试件上的栅格变化和拉伸机的载荷变化,利用塑性体积不变假设,可以得到焊缝区域的真实应力应变曲线,这种方法的缺陷就是激光产生的栅格对焊缝力学性能会有很大的影响。A. Reis 和A.P. Roque [9-10]利用屈服应力和材料硬度的比值关系,得到低碳钢拼焊板的各区域的材料参数。S. Brauser[11]利用DIC技术记录焊点的局部和全场应变分布。V. Savic[12]利用DIC记录AHSS(超高强钢)在拉伸过程中的各区域的详细的应变变化。
国内也有部分学者对拼焊板的力学性能和成形性进行拼焊板平面应力状态本构关系,张士宏[13]等通过横向和纵向拉伸试验对拼焊板的塑性变形能力进行了测试和分析研究。同济大学的林建平和孙东继[14-15]等人基于一系列的假设和弹塑性形变理论,推导出焊缝对拼焊板纵向拉伸成形性能的影响规律和拼焊板平面应力状态本构关系。上海交通大学的施欲亮[16]对拼焊板轻量化进行了优化设计研究,并提出了一种新型焊缝单元。陆鹏等人[17]利用DIC技术对焊点在均匀热载荷下的变形进行了分析。
前面的研究通过单向拉伸试验对拼焊板的力学性能有了一定的研究,但对于结合DIC技术和硬度测试实验确定拼焊板焊缝和热影响区域材料属性的方法却很少有研究。本文以母材为DP600和DP980、厚度为2mm的同厚异材激光拼焊板为研究对象,焊缝布置形式为纵向布置,通过对拼焊板试件表面进行散斑处理,利用DIC设备,记录下拉伸过程中的各区域的应变,利用这些应变得到焊缝区域的n值。同时通过对拼焊板厚度方向测试一系列的硬度点,得到拼焊板各区域的硬度值,根据公式和前面得到的材料n值,利用硬度和屈服应力的关系,可以得到焊缝区域的K值,将这些材料参数代入到仿真模型中,和实际的拉伸试验得到的载荷位移曲线进行对比,验证方法的准确性。 
 





3 DIC测试系统




 

 
Web www.xjtudic.com
 

西安交通大学 机械工程学院 模具与先进成形技术研究所 信息机电研究所
电子邮件: xjtops@163.com  网站: www.xjtudic.com  www.xjtops.com  www.3dthink.cn

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