基于不同界面摩擦的铝合金拼焊覆层板胀形性能_王璋.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023基于不同界面摩擦的铝合金拼焊覆层板胀形性能王 璋1,高铁军1,王凯锋1,张佳彬2(1.沈阳航空航天大学 航空宇航学院,辽宁 沈阳 110136;2.沈阳航天新光集团有限责任公司,辽宁 沈阳 110043)摘要:针对拼焊覆层板的成形质量和极限变形能力差的问题,借助覆板对拼焊板的法向压力,并结合拼焊板材料的力学性能,提出了通过改变拼焊板各区域与覆板界面摩擦的方法,来影响拼焊板各区域的变形规律。以拼焊覆层板胀形过程为研究对象,通过理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法,得到了不同界面摩擦对铝合金拼焊覆层板胀形性能的影响规律。结果表明:在拼焊板强度较大一侧增大与覆板的界面摩擦因数,并在拼焊板强度较小一侧减小与覆板的界面摩擦因数,可以有效地提高拼焊板的变形均匀性、成形质量和极限变形能力,从而为拼焊覆层板成形工艺参数的优化提供依据。关键词:拼焊板;覆板;胀形;界面摩擦;铝合金DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.005中图分类号:TG302 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0029-06Bulging performance for aluminum alloy tailor-welded cladding sheet based on different interface frictionWang Zhang1,Gao Tiejun1,Wang Kaifeng1,Zhang Jiabin2(1.College of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Shenyang Aerospace Xinguang Group Co.,Ltd.,Shenyang 110043,China)Abstract:For the problems of poor forming quality and forming limit for tailor-welded cladding sheet,with the help of the normal pressure of the cladding sheet on the tailor-welded sheet,combining with the mechanical properties of the tailor-welded sheet,a method of changing the interface friction between each area of the tailor-welded sheet and the cladding sheet was proposed to affect the deformation law of each area of the tailor-welded sheet.Then,for the bulging process of tailor-welded cladding sheet,the influence laws of different interface fric-tion on the bulging performance of aluminum alloy tailor-welded cladding sheet were investigated by the combination method of theoretical analysis,finite element simulation and experimental verification.The results indicate that increasing the interface friction coefficient be-tween tailor-welded sheet and cladding sheet on the side of tailor-welded sheet with higher strength and decreasing the interface friction co-efficient between tailor-welded sheet and cladding sheet on the side of tailor-welded sheet with lower strength can effectively improve the deformation uniformity,forming quality and forming limit of tailor-welded sheet,which provides a basis for optimizing the forming process parameters of the tailor-welded cladding sheet.Key words:tailor-welded sheet;cladding sheet;bulging;interface friction;aluminum alloy收稿日期:2022-08-08;修订日期:2022-11-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(52075347);辽宁省教育厅高等学校基本科研重点项目(LJKZ0192);辽宁省自然科学基金面上项目(2022-MS-295)作者简介:王 璋(1998-),男,硕士研究生E-mail:wangzhangsau 通信作者:高铁军(1977-),男,博士,教授E-mail:tiejun_gao 近年来,随着科学技术的不断发展,为满足产品材料和结构高性能、长寿命、低成本的需求,材料及结构轻量化的要求不断提高1-3。一方面可以通过选用质量密度小的轻质合金零件,如铝合金、镁合金以及复合材料等4-5;另一方面可以通过结构优化实现零部件的结构减重,如近年来应用较多的拼焊板结构、夹层结构、蜂窝结构等。拼焊板成形技术以合理利用材料性能为出发点,将不同材质、厚度、强度的板材焊接为一体后再进行成形,满足了零件各部分强度和功能的需求6-7。目前,拼焊板的主要成形方法包括液压成形、冲压成形、旋压成形等8。然而,相对同材整板而言,由于构成拼焊板的材料性能差异较大,从而给拼焊板的成形带来较大困难,成形过程容易出现起皱、破裂、变形不均匀、焊缝流动等问题9-10,不仅影响了其成形质量,增加了制造成本,同时也制约了拼焊板的大范围推广及应用。覆层板成形是指在板材(称为成形板)一侧或两侧覆上相同或不同材料的板材(称为覆板),使其共同变形。与单层板成形相比,一方面由于覆板存在法向压力,使得成形板由原来的两向受拉应力状态转变为平面内双向受拉、法向受压的三维应力状态,可以减轻材料内部因塑性变形而产生的部分损伤,抑制材料减薄和破裂的发生11-12;另一方面,利用覆板较好的力学性能及对成形板施加的约束,改变了成形板的传统变形路径及规律,使其与覆板变形规律相似,从而提高了成形板的成形性能 13-14。针对拼焊板成形过程中质量差的问题,提出将覆层板成形方法用于拼焊板零件的加工制造,期望借助覆层板成形原理与特点,提高拼焊板的极限变形能力。同时,借助覆板与成形板之间的摩擦效应,通过改变拼焊板与覆板之间的摩擦来控制拼焊板焊缝的流动,从而进一步提高拼焊板的成形质量。1 拼焊覆层板胀形原理及工艺分析图 1 为拼焊覆层板的胀形原理及应力状态。实验时,将拼焊板放置在覆板下,通过凹模与带有压边筋的支撑模压紧坯料,限制该区域材料向凹模流入;通过刚性半球形凸模向上运动,实现拼焊板与覆板同步胀形。同时,胀形过程中拼焊板下表面与半球形凸模相互接触,上表面与覆板下表面相互接触。图 1 拼焊覆层板胀形原理及应力状态Fig.1 Bulging principle and stress state of tailor-welded cladding sheet假设拼焊板由 A 和 B 两种材料组成,焊缝位于胀形试件的中心位置,并且忽略半球形凸模与拼焊板之间界面摩擦的影响。设拼焊板 A 和 B 所受切向和环向拉应力分别为 A、A和 B、B。除此之外,拼焊板上表面还受到覆板的反向压应力 r作用。由于覆板和拼焊板材料性能不同,变形过程中拼焊板上表面与覆板下表面出现滑动或滑动趋势时,拼焊板上表面和覆板下表面还会产生界面摩擦力rA和 rB(图 1),从而使拼焊板 A 和 B 的切向和环向应力变为:A=A-rA(1)B=B-rB(2)A=A-rA(3)B=B-rB(4)式中:A和 A分别为考虑界面摩擦的拼焊板 A 与覆板之间的切向和环向应力;B和 B分别为考虑界面摩擦的拼焊板 B 与覆板之间的切向和环向应力;A和 B分别为拼焊板 A 和 B 与覆板之间的摩擦因数。由于拼焊覆层板胀形过程中,半球形凸模加载的胀形力与覆板作用于拼焊板的反作用力相同。如果拼焊板各部分与覆板的界面摩擦因数均相同,则覆板作用于拼焊板各区域的界面摩擦力也相同。然而,大多数情况下拼焊板是由不同材料组成的,因此,拼焊覆层板的界面摩擦因数是不同的,从而导致覆板作用于拼焊板的界面摩擦力也各不相同。同时,由于拼焊板 A 和 B 左右两侧存在强度差异,所以,在拼焊覆层板胀形过程中拼焊板强度低的一侧变形量较大,焊缝会向强度高的拼焊板一侧偏移。通过式(1)式(4)可知,在拼焊覆层板胀形过程中,通过改变拼焊板与覆板之间的界面摩擦因数,或改变拼焊板 A 和 B 的应力状态和大小,在合适的界面摩擦条件下不仅可以减缓拼焊覆层板胀形过程中的焊缝移动,使拼焊板左右两侧变形均匀,也可以提高拼焊板的成形质量,同时还可以提高拼焊板的极限成形能力。2 实验材料及方案实验所用的凹模直径为 100 mm,凸模直径为95 mm,拼焊板材料为 5A02 铝合金和 5A06 铝合金,厚度均为 1.0 mm,采用氩弧焊接成拼焊板,焊接后进行去应力退火,以消除焊接残余应力的影响。实验 所 用 覆 板 材 料 为 SUS304 不 锈 钢,厚 度 为1.0 mm。图 2 为通过单向拉伸实验得到的材料真实应力-真实应变曲线,由图 2 可知:SUS304 不锈钢的强度和变形能力均优于 5A02 铝合金和 5A06 铝合金;5A02 铝合金和 5A06 铝合金同为 5XXX 系铝合03锻压技术 第 48 卷图 2 不同材料的真实应力-真实应变曲线Fig.2 True stress-true strain curves of different materials金,但 5A06 铝合金的力学性能远高于 5A02 铝合金。为了便于分析,设拼焊板中 5A06 铝合金侧为强侧,5A02 铝合金侧为弱侧。为了获取不同界面的摩擦因数,胀形过程中在5A02 铝合金/SUS304 不锈钢和5A06 铝合金/SUS304不锈钢界面之间加入聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化钼及机械润滑油等不同的润滑材料。通过平板滑动摩擦实验,测得不同性能的润滑剂的摩擦因数,见表 1。表 1 不同润滑下拼焊板/覆板的摩擦因数Table 1 Friction coefficients of tailor-welded sheet and cladding sheet under different lubricating润滑材料5A02 铝合金/SUS304 不锈钢5A06 铝合金/SUS304 不锈钢PTFE0.0160.015二硫化钼0.1100.105机械润滑油0.2110.201无润滑0.2800.260 为了进一步确定拼焊板与覆板之间的界面摩擦因数对拼焊板成形性能的影响,实验时通过控制一侧拼焊板与覆板之间的界面摩擦因数不变,递增另一侧拼焊板与覆板接触界面的摩擦因数来研究,具体方案如表 2 所示。表 2 拼焊板/覆板不同界面摩擦因数组合Table 2 Combination of different interface friction coefficients between tailor-welded sheet and cladding sheet方案接触界面摩擦因数15A02 铝合金/SUS304 不锈钢0.0165A06 铝合金/SUS304 不锈钢0.015,0.105,0.201,0.26025A02 铝合金/SUS304 不锈钢0.016,0.110,0.211,0.2805A06 铝合金/SUS304 不锈钢0.260 采用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 对胀形过程进行分析,有限元模型如图 3 所示。其中,将胀形模具部分设置为刚体,覆板及拼焊板设置为非线性弹塑性变形体。同时,通过 Constrain 命令对拼焊板边缘进行全约束起到压边筋作用。由于焊缝的整体比例宽度相对于坯料来说较小,有限元分析过程中将焊缝进一步简化,采用共节点的刚性连接方法,同时忽略焊缝类型及热机影响区的影响15。图 3 有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model3 结果与分析图 4 为采用方案1 时,当弱侧5A02 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢之间的界面摩擦因数恒定为 0.016时,强侧 5A06 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢在不同界面摩擦因数下的等效应力和壁厚分布情况,此时拼焊板胀形高度为 18 mm,模拟图 4 中左侧为弱侧5A02 铝合金、右侧为强侧 5A06 铝合金。从图 4a 中可以看出,随着强侧 5A06 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢 的 界 面 摩 擦 因 数 从 0.015、0.105、0.201、0.260 逐渐增大,强侧 5A06 铝合金的最大等效应力不断增大,而弱侧 5A02 铝合金的最大等效应力却逐渐减小。从图 4b 中可以看出,随着强侧 5A06 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢的界面摩擦因数的增大,强侧 5A06 铝合金的最小壁厚逐渐减小,弱侧 5A02铝合金的最小壁厚逐渐增大,且当界面摩擦因数增至 0.260 时,强、弱两侧的最小壁厚相接近,拼焊板的整体壁厚分布更加均匀。图 5 为采用方案2 时,当强侧5A06 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢之间的界面摩擦因数恒定为 0.260时,弱侧 5A02 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢不同界面摩擦因数下的等效应力和壁厚分布情况,拼焊板13第 6 期王 璋等:基于不同界面摩擦的铝合金拼焊覆层板胀形性能 图 4 方案 1 下拼焊板胀形试件的等效应力(a)和壁厚(b)分布图Fig.4 Distribution diagrams of equivalent stress(a)and wall thickness(b)for tailor-welded sheet bulging specimens under scheme 1图 5 方案 2 下拼焊板胀形试件的等效应力(a)和壁厚(b)分布图Fig.5 Distribution diagrams of equivalent stress(a)and wall thickness(b)for tailor-welded sheet bulging specimens under scheme 2胀形高度同样为 18 mm,模拟图 5 中左侧为弱侧5A02 铝合金,右侧为强侧 5A06 铝合金。从图 5a 中可以看出,拼焊板强侧 5A06 铝合金在同等胀形高度条件下,试件的最大等效应力基本不变,弱侧5A02 铝合金的最大等效应力随着强侧 5A06 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢之间界面摩擦因数的增大而增大。从图 5b 中可以看出,强侧 5A06 铝合金最小壁厚随着弱侧 5A02 铝合金与覆板 SUS304 不锈钢间界面摩擦因数的增大基本不变,而弱侧 5A02 铝合金逐渐减小,强、弱两侧最小壁厚差值增大。图 6 为两种方案下拼焊板胀形试件的焊缝最大偏移量。当覆板 SUS304 不锈钢与拼焊板强、弱两侧均为较小界面摩擦因数时(0.016、0.015),焊缝最大偏移量最大值为 1.602 mm;当覆板 SUS304不锈钢与拼焊板强侧 5A06 铝合金摩擦因数最大(0.260)、与 弱 侧 5A02 铝 合 金 摩 擦 因 数 最 小(0.016)时,焊缝最大偏移量最小,为 0.860 mm。图 6 方案 1 与方案 2 下拼焊板胀形试件的焊缝最大偏移量Fig.6 Maximum offset of weld seam for tailor-welded sheetbulging specimens under scheme 1 and scheme 24 实验验证结合理论分析和有限元仿真结果,选择拼焊覆23锻压技术 第 48 卷层板弱侧摩擦因数不变,提高强侧的摩擦条件进行实验,将胀形高度至 18 mm 的实验结果与有限元分析结果进行对比。图 7 为弱侧 5A02 铝合金使用 PTFE 润滑膜润滑,强侧 5A06 铝合金界面摩擦条件分别为 PTFE、二硫化钼、润滑油及无润滑时,胀形高度至 18 mm后弱侧 5A02 铝合金最小壁厚的实验值与有限元结果对比,图 7 中试件左侧为弱侧 5A02 铝合金,右侧为强侧 5A06 铝合金。由图 7 可知,弱侧润滑不变时,随着强侧摩擦因数的增大,弱侧最小壁厚逐渐增大,实验结果与有限元分析结果基本吻合。图 7 强侧 5A06 铝合金不同润滑时拼焊板弱侧 5A02 铝合金的最小壁厚Fig.7 Minimum wall thicknesses of weak side of 5A02 Al alloy for tailor-welded sheet under different lubrication conditions on strong side of 5A06 Al alloy图 8 为弱侧 5A02 铝合金使用 PTFE 润滑膜润滑,强侧 5A06 铝合金界面摩擦条件分别为 PTFE、图 8 强侧 5A06 铝合金不同润滑时拼焊板焊缝最大偏移量对比Fig.8 Comparison of maximum offset of weld seam for tailor-welded sheet under different lubrication conditions on strong side of 5A06 Al alloy二硫化钼、润滑油及无润滑时,胀形高度至 18 mm后试件焊缝最大偏移量对比。同样,从图 8 中可以看出,在保证弱侧润滑不变时,随着强侧摩擦因数逐渐增大,拼焊板的最大焊缝偏移量逐渐降低。图7 与图 8 中实验结果略低于有限元分析结果,这是由于胀形过程中拼焊板受焊接因素的影响,但变化趋势基本吻合,验证了有限元分析结果的合理性。图 9 为弱侧 5A02 铝合金使用 PTFE 润滑,强侧5A06 铝合金在不同界面摩擦因数条件下拼焊板试件的极限胀形高度对比,图 9 中试件左侧为弱侧 5A02铝合金,右侧为强侧 5A06 铝合金。从图 9 中可以看出,随着强侧界面摩擦因数的逐渐增大,拼焊覆层板的极限胀形高度逐渐提高,在强侧无润滑时达到最大,也就是在控制弱侧摩擦最小、强侧摩擦最大时达到最佳效果。图 9 强侧 5A06 铝合金不同润滑时拼焊板的极限胀形高度对比Fig.9 Comparison of limit bulging height of tailor-welded sheets under different lubrication conditions on strong side of 5A06 Al alloy5 结论(1)拼焊覆层板胀形过程中由于覆板的存在改变了拼焊板胀形时的受力状态,使其由二维受拉转变为三维受力状态,同时覆板会对拼焊板胀形件提供界面摩擦力,影响拼焊板的变形规律。(2)拼焊覆层板胀形有限元分析结果表明,在控制覆板与拼焊板强、弱侧不同的界面摩擦条件下,随着强侧 5A06 铝合金与覆板间界面摩擦因数的增大、弱侧 5A02 铝合金与覆板间界面摩擦因数的减小,能有效改善弱侧拼焊板的应力和壁厚分布。(3)胀形实验结果表明,拼焊覆层板 5A02 和5A06/SUS304 在不同界面摩擦条件下,在覆板与拼焊板弱侧界面摩擦最小、与强侧界面摩擦最大时,拼焊覆层板胀形件的焊缝偏移最小,极限胀形高度最大,成形质量最优。参考文献:1 李晓军,门向南,毕四龙,等.航空变曲率内蒙皮零件精确成形参数优化 J.锻压技术,2022,47(11):116-122.33第 6 期王 璋等:基于不同界面摩擦的铝合金拼焊覆层板胀形性能 Li X J,Men X N,Bi S L,et al.Precision forming and parameter optimization for aircraft inner skin part with variable curvatureJ.Forging&Stamping Technology,2022,47(11):116-122.2 高铁军,李少华,汪凯旋,等.铝合金半球形件反向粘性介质压力成形及有限元分析 J.塑性工程学报,2022,29(2):8-13.Gao T J,Li S H,Wang K X,et al.Counter viscous pressure form-ing and finite element analysis of aluminum alloy hemispherical partsJ.Journal of Plasticity Engineering,2022,29(2):8-13.3 徐永超,韩思雨,刘胜京.液室压力加载路径对 5A06 铝合金锥形件充液拉深成形的影响 J.锻压技术,2022,47(12):38-43.Xu Y C,Han S Y,Liu S J.Influence of cavity pressure loading path on hydroforming for 5A06 aluminum 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