摘要：研究了焊接板和高温下的基本材料的流变学机械行为。将焊接的板底材料和带有焊接接缝的焊接板切成拉伸样品，焊接的接缝方向垂直于拉伸方向。在600至800°C下，测试片以应变速率进行0.01、0.05和0.10 S-1的应变速率进行等温单向拉伸实验，并在相应的实验条件下获得了真实的应力 - 应变曲线。使用 inoue组成方程模型来描述流变应力方程。该模型可以在不同的变形条件下准确描述流变应力 - 应变曲线，并与实验数据具有良好的一致性。通过对盒形零件进行热成型模拟，研究了焊接板的形成特性。
关键字：高强度钢激光焊接板；流变行为； inoue 组成型模型；焊接板形成特性
介绍
激光焊接板具有降低汽车零件质量，改善材料利用和高产品设计灵活性的优点[1]。它是一种先进的轻质结构部分，在汽车制造业中广泛使用，使用焊接不同的材料获得了不同区域的机械性能，激光焊接板有效地降低了体重，提高体重，提高体重并改善汽车碰撞性能[2-4] 。其中，高强度钢激光焊接板的优势更为明显。在热成型后使用其出色的材料特性，可以进一步减小零件的厚度，以减少车身的重量[5]。但是，由于高强度的钢激光焊接板结合了多种高强度钢材材料，因此在热成型过程中形成过程参数（例如焊接位置，形成温度和冷却速率）的控制构成了重要挑战[6]。为此，研究了高强度钢激光焊接板的热成型性能，并且在热成型过程中过程参数的影响对于高强度钢激光焊接板的精确形成的精确形成具有重要意义。
目前，国内和外国学者已经对高强度钢和焊接板的热成型技术进行了大量研究。为了提高热冲压零件的形成质量，Tang B等人。 [7]研究了1.6毫米硼钢和1.2 mm低合金组合的每个有限元模拟模型。该区域的硬度和微观结构，模拟结果和实验观察表明，焊接板热冲压过程的热和冶金模型策略是可靠的。 R等。 [8]研究并分析了异质焊接板的深度绘图效应。对各向异性和有效滚动方向的分析可以改善材料的塑性流量，从而改善纸板的形成性能。 Gan Yong等人。 [9]通过模拟实验分析了两种不同类型的焊缝对纸板形成特性的影响。 ，研究表明，弧形焊接接缝的焊接板形成效果越好，当焊缝处于中间位置时，弧形半径板的弧形半径板越偏向基础材料侧。 Liu Y等。 [10]考虑了过程因素，例如薄板厚度差异，模具大小参数和不同的边缘压力加载方法。最佳过程参数组合是通过分层分析方法和灰色系统理论确定的，并通过模拟实验适当地获得。 Ma XD等人的厚度比可以减少焊接偏移的结论。 [11]基于塑料本构的关系和屈服标准，建立了焊接板形成板的形成极限图的理论计算模型，并与半球形的打孔膨胀实验结合在一起，以验证FLD理论计算结果。结果表明，不仅是基本材料的FLD理论计算，而且TWB的FLD理论计算与实验结果一致。另外，焊接板的可能导致其FLD明显低于基本材料的FLD，Mi 等人[12]使用EDX分析具有差分厚度旋转钢和IF钢的激光焊接板的元素分布，如果研究了焊接位置的微观结构，测试了板的每个位置的维克硬度，并研究了拉伸试验和杯突出测试。在焊缝对焊接板的形成效果的影响之后，M等人。 [13]通过各种机械性能测试研究了低碳钢焊接板，并得出结论，基本材料越靠近焊接的中心，硬度就越大。比较激光焊接板和单板的形成极限图，焊缝会影响板的形成性。
现有的研究主要针对高强度钢激光焊接板的基本形成性能和焊接过程。但是，其热成型机械性能的变化定律还不够完美。因此，该文章基于等温单轴拉伸试验，并在不同的温度和应变速率下分析了不同条件的应力 - 应变曲线，并建立了高温本构模型。进行了模拟数值模拟，并分析了模拟结果。在正交实验分析后，获得最小盒形的零件而不会破裂。最佳过程参数组合提高了高强度钢激光焊接板形成零件的质量。
01
高强度钢激光焊接板的热拉伸试验
1.1测试材料
对于两种不同的高强度钢材材料板和激光焊接焊接，两种材料是Aselo 生产的高强度钢，它们的化学成分分别显示在表1和表2中。
表1化学成分
表2化学成分
根据国家标准GB/T4338-2006拉伸测试标准，激光切割方法用于制作标准样品，其几何尺寸如图1所示。
板厚的厚度为1.5毫米，焊缝宽度为1毫米。
图1热拉伸测试样品的几何尺寸
1.2测试计划
为了研究高温钢激光焊接板在高温条件下的流变力学行为，该实验将使用不同的应变速率在不同的温度条件下拉伸样品。同时，为了比较高温条件下焊接板和基本材料的流变特性，并分析在高温条件下焊接板的形成性能优势，将采用相同的方案两种基本材料。
测试计划显示在表3中。
表3测试建议
1.3测试过程
WDW-100E高温拉伸测试仪用于进行等温单轴热拉伸测试。测试仪提供的最大负载为100 kN，测试设备如图2所示。
图2热拉伸测试设备
测试过程概述为：
1）拉伸构件的拉伸变形区域的温度逐渐以20°C/s的加热速率逐渐达到950°C；
2）隔热5分钟，以使高强度钢材料的结构完全刺激；
3）使用闭环温度控制装置将拉伸样品冷却到指定的温度，并将其保持在加热30 s中，以消除拉伸构件的内部温度差；
4）以不同的应变速率进行等温拉伸测试，直到测试片断为止；
5）拉伸样品断裂后，打开加热炉并使用空气快速冷却样品。
02
测试结果和分析
2.1测试结果
测试样品的拉伸结果分别显示在图3、4和5中。
（A）0.01 S-1（B）0.05 S-1（C）0.10 S-1
图3高强度钢的断裂拉伸标本以下600,700,800℃
（A）0.01 S-1（B）0.05 S-1（C）0.10 S-1
图4高强度钢的断裂拉伸标本以下600,700,800℃
（A）0.01 S-1（B）0.05 S-1（C）0.10 S-1
图5在600,700,800下的激光焊接板的断裂拉伸标本℃
样品在高温变形条件下经历弹性和塑性变形，直到破裂为止。从图可以看出，样品在塑性变形过程中具有明显的颈部，导致严重的断裂。大多数样品骨折沿45°的应变速率相同。随着温度的增加，样品拉伸后的总长度增加，即其伸长率增加，变形电阻降低。在相同的形成温度下，随着应变速率的增加，拉伸后样品的总长度逐渐降低。通过比较和高强度的钢基材料，发现高强度钢的伸长略大于高强度钢的伸长率，即该材料具有更高的伸长率和更高的强度。通过比较拉伸基本材料和焊接板样品的结果，发现焊接板样品的断裂发生在高强度的钢基材料处，即在强度的弱侧的基本材料处。强度弱侧的基本材料的伸长应高于基本材料的强度。也就是说，当焊缝垂直于拉伸方向时，焊接板的伸长主要取决于基本材料的弱侧。焊接板上没有明显的变形，这可能是因为焊接过程中的高温将焊缝的大部分组织转换为马氏体，从而增加了焊缝的强度。
图6和图7分别显示了通过高强度钢测试测得的实际应力应变曲线。
（a）0.01 S-1（b）0.05 S-1
（c）0.10 S-1
图6高强度钢的真实应力应变曲线在600、700、800℃
（a）0.01 S-1（b）0.05 S-1
（c）0.10 S-1
图7高强度钢的真实应力应变曲线在600、700、800℃
从数字可以看出，两种材料的应力 - 应变曲线趋势相似，并且两种材料的产量阶段都没有。在变形的早期阶段，随着应变的增加，材料的流动应力增加。在塑料阶段，材料的流动应力接近稳态，表明材料的软化和硬化效应处于平衡状态。随着温度的升高，在相同的应变速率下，材料软化现象变得更加明显，峰值应力降低。在恒定温度下，流动应力随应变速率的增加而增加，峰值应力增加。这是因为以较高的应变率，位错恢复能力很差，导致位错密度增加，从而导致工作硬化，从而增加合金的流动应力。焊接板样品的应力应变曲线如图8所示。
（a）0.01 S-1（b）0.05 S-1
（c）0.10 S-1
图8在600,700,800℃以下的激光焊接板的真实应力应变曲线℃
从图8可以看出，其应力 - 应变变化模式与基本材料的变化模式相似，而应力峰和稳态值接近侧面的基本材料，强度较弱。与基本材料相比，焊接的板样品将较早的应力值降低，也就是说，颈部会较早，因此其伸长率低于基本材料的伸长率。
2.2温度影响分析
温度对高强度钢和焊接板样品的材料特性的影响分别显示在图9、10和11中。
（a）拉伸强度（b）伸长
图9在不同条件下高强度钢的拉伸强度和伸长
（a）拉伸强度（b）伸长
图10在不同条件下高强度钢的拉伸强度和伸长率
（a）拉伸强度（b）伸长
图11在不同条件下激光焊接板的拉伸强度和伸长率
从数字可以看出，当温度升高时，材料的拉伸强度逐渐降低，伸长率逐渐增加。因为当温度升高时，空间位置的原子扩散和交错的位移滑移将逐渐增加，因此材料经历动态恢复和动态重结晶，并且材料的软化效应逐渐降低了样品的拉伸强度。样品的伸长逐渐随温度的升高而逐渐增加，这是由于晶界的激活滑动和旋转较高以及较高的脱位迁移率[14]。
2.3分析应变率的影响
可以从图2中看出。 9和10在相同温度下，随着应变速率的增加，材料的流动应力增加，峰值应力也会增加，并且伸长率降低。因为当应变速率较低时，材料的脱位运动在增强效果的同时会减小，因此应变硬化现象会部分削弱，并且材料的流动应力较小。在高应变速率条件下，位错叠加并互相纠缠，使湿滑的困难，导致恢复能力差，导致脱位密度增加[15]，导致工作变硬，高强度钢的流动增加，应力增加，拉伸张力强度增加，伸长率降低。应变速率对焊接板的材料特性的影响如图11所示。在相同温度下，应变速率增加，材料的拉伸强度增加。在高温下，材料伸长对应变速率不敏感。当增加应变率时钢材切割 论文，伸长率的变化并不明显。
03
高强度钢激光焊接板的热成型的数值模拟
3.1高强度钢激光焊接板盒形成模拟型号
为了研究上述两种材料的激光焊接板的热冲压和形成特性，为典型的压印模制零件的平方盒建立了热成型过程的数值模拟模型。高强度钢激光焊接板和方盒零件的盖章已建立的几何模型如图12所示。
它由两个高强度的钢板制成，尺寸为70 mm×110 mm，“缝合”具有初始厚度。
图12框几何模型
在对激光焊接板的热冲压和形成的数值模拟中，焊接以特殊的方式定位，并且通常将焊缝简化为直线，忽略了焊缝的形状和热影响区域。在激光焊接板的热冲压值的有限元数值模拟中，简化的焊缝对零件的整体形成效果几乎没有影响。基于上述考虑，激光焊接板的已建立数值模拟模型如图13所示。
图13激光焊接板模拟模型
其中，焊接位置处理方法是在相互作用模块中选择“绑带”，以约束两种不同材料的高强度钢的“焊接”的侧面，以“焊接”，以使它们紧密地连接。
在热成型期间，凹入和螺栓的间隙太大或太小会影响形成部分的质量，因此选择合适的凹入和螺栓间隙尤其重要。冲压模具的凹入和螺栓间隙的选择范围通常为1至1.05t（T是板材材料）厚度），因此文本中所选模具的凹形和颠簸之间的缝隙为1.05 mm。
3.2材料本构模型
根据当前的研究，诸如 inoue和-cook之类的本构方程被广泛用于材料热处理变形中，并且可以描述动态恢复阶段中晶体结构材料的流变性行为。 inoue更适合低应变速率。该文章中使用的应变速率为0.01〜0.10 s-1，因此 inoue可以描述在热拉伸变形过程中实际应力，应变速率和温度变化的实际应力，温度变化之间的关系。
（1）
其中：σ---压力，mpa;
ε----应变；
N -----应变硬化指数；
M -----应变速率灵敏度系数；
K -----应力相关系数；
β----温度相关系数。
同时在方程式（1）的两侧进行对数并获取
（2）众所周知，K，N，M和β都是相关材料的相关系数。假设lnk = a，n = b，m = c，β= d，将公式（2）重写为y = a+bx1+cx2+dx3。
（3）转换相关数据，例如实际应力，实际应变，拉伸测试数据中的变形温度，将数据导入计算工具，执行多项式线性拟合，并使用最小二乘方法来获得系数A，B和c d的值如表4所示。
表4系数解决方案
将系数溶液替换为公式（1）并获得k = 10.892 732 53，n = 0.175 21，m = 0.154 803 333，β= 3 640.793 317。
为了验证两种已建立的基本材料的高温本构模型的预测准确性，可以与拟合相关参数结合预测流动应力，并分析流动应力与应变，应变速率和温度之间的关系。比较预测值和实验值，以验证已建立的 inoue组成方程，结果分别显示了图14和图15。
（a）0.01 S-1（b）0.05 S-1
（c）0.10 S-1
图14在不同条件下测试值和预测值的比较
（a）0.01 S-1（b）0.05 S-1
（c）0.10 S-1
图15在不同条件下测试值和预测值的比较
从图可以看出，建立的两种基本材料的本构模型的预测值与实验值高度一致。
3.3分析形成结果
在有限元中模拟了已建立的模型，并研究了结果。形成板的初始温度为900℃，冲压速度为1,000 mm/s，边缘压力为12 kN，霉菌温度为50℃。 ，摩擦系数为0.25，例如分析应力和温度场的分布。
从热塑性形成理论来看，可以看出材料的内部应力场不仅会受到温度的变化，而且材料的变形也会导致内部应力场分布发生变化。由于金属的塑料流随温度的升高而减小，因此金属板是较低温度的应力值相对较大。盒子侧壁上的应力值是通过过热冲压模拟分析最大的。
应力场分布如图16所示。
温度场分布如图17所示。
图16应力场分配图
图17温度场分配图
通过图17的仿真结果，我们可以看到，在高强度钢激光焊接板的热冲压结束时，金属板的最小温度面积为500°C，高于初始过渡高强度钢（385 ～410℃）的马氏体相变的温度，因为如果冷却，在高强度钢激光焊接板的热冲压过程中，材料的内部结构会受到温度场的影响，如果冷却板的速率低于高强度钢的冷却速率，除了玛莎外，它将在成型过程中发生。身体结构还将产生珠光体，贝氏和其他组织，这将影响形成部分的机械性能。研究表明，如果形成零件是均质的，它将为淬火过程提供更好的奥氏体环境，并且温度场必须是分布和变化的。
04
结论
1）形成温度和应变速率对高强度钢激光焊接板的流动应力有重大影响。在恒定形成温度下，流动应力随应变速率的增加而增加。以恒定的应变速率，流动应力随形成温度的升高而降低。
2）当焊接方向垂直于拉伸方向时，应力 - 应变曲线更改焊接板的定律与基本材料的相似，即形成温度和应变速率是影响流动应力的主要因素焊接板。由于焊缝区域具有较大的组织强度，因此断裂不会出现在焊缝上，而是在较弱的侧面的基本材料上。
3）使用 inoue构成方程建立了具有高强度钢的本构模型，预测结果与实验数据一致。解释性文本中建立的本构模型具有很高的信誉，可以为高强度钢焊接板的热成型处理提供理论基础。
4）盒形零件的仿真结果表明，在热冲压过程中温度场的变化会导致微观结构的不均匀变化，这将影响形成零件的机械性能。为了避免材料的马氏体相变，淬火之前的薄板温度应高于高强度钢的马氏体相变温度。
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资料来源：长春科技大学杂志作者：GAO SONG1，WANG ，LI *，WU YAN2，YU ，Wang （1。 2.）
