高强度厚钢板（共8篇）
高强度厚钢板 篇1
前言
近些年来, 随着国内经济的快速发展, 土地资源的稀缺使得建筑开始向高层空间发展, 在国内许多超高层商业楼和大跨度公共建筑中, 为了满足建筑的造型、结构设计的需要, 实际中钢结构的应用越来越多。在空间利用率要求越来越高的情况下, 为了减小构件截面面积以释放更大的使用空间, 高强度厚钢板开始大量使用。高强度钢板采用了新的钢材生产工艺, 加入Nb、V及Ti元素为代表的微合金, 提高钢材屈服强度;同时使S、P、N、H、O等杂质元素含量和碳含量较低, 且钢材具有更高的洁净度, 改善了其塑性和韧性, 降低了含碳量。但是高强度钢板碳当量高, 可焊性较差, 所用钢板厚度加大也会极大的增加焊接难度。所以, 高强厚钢板的广泛使用对焊接技术也提出了越来越高的要求, 如何在保证焊接接头质量的同时, 又能兼顾高效率、低操作要求、节能等方面的要求, 成为了工程技术人员日益关注的焦点。
1 工程概况
泉州世界贸易中心采用劲性混凝土结构, 由十字钢柱及大跨度连系梁组成, 设计使用Q420B低合金高强度钢材, 钢板最大厚度达50mm, 十字钢柱分布呈正八边形围绕在核心筒周围, 半径约23m。核心筒周围共布置28根十字钢柱, 最大十字钢柱规格为700×300×50×50mm。核心筒呈正八边形, 墙体里布置H型钢柱最大规格为H500×300×20×40mm。主体-2层~37层核心筒外围全部为十字钢柱布置, 核心筒部分从-2层的24根H型钢柱逐渐减少到15层的8根H型钢柱。
2 焊接施工难点
2.1 钢材强度高, 可焊性差
碳素钢中决定可焊性的因素主要是含碳量, 合金钢 (主要是低合金钢) 除碳以外各种合金元素对钢材的可焊性也起着重要作用, 为便于表达这些材料可焊性便通过大量试验数据的统计简单地以碳当量 (CE) 来表示。通常认为CE≤0.40%可性好;当CE=0.4~0.6%焊接性较差, 一般需在焊前预热;当CE≥0.60%焊接性最差, 属难焊材料, 需采用较高的预热温度和严格的工艺方法。本工程在省内首次使用Q420级别高强度钢材, 其碳当量在0.44以上, 这种高强度钢材在焊接时存在一定的淬硬倾向, 非常容易产生冷裂纹, 可焊性较差。在焊接熔合区是最薄弱的部分, 有明显的化学和物理不均匀性, 组织性能突变等。
2.2 厚钢板焊接
本工程板厚达50mm, 与薄板相比, 厚钢板在焊接时有以下特点: (1) 施焊作业时间长; (2) 焊缝单面施焊熔敷金属量大; (3) 焊接残余应力大; (4) 拘束度较大; (5) 节点复杂, 在施焊时, 容易产生表面裂纹、根部裂纹, 有的甚至在焊接完成几天后才出现延迟裂纹。若焊接过程中采取的质量控制不当甚至会产生层状撕裂, 严重影响焊接质量。因此, 必须采取特殊的焊接工艺措施进行处理。
2.3 焊接质量要求高
板厚达到50mm的现场拼装焊缝为一级焊缝, 要求进行100%超声波探伤, 焊缝余高0.5~3mm, 焊缝宽度偏差不超过3mm, 焊缝外观要求成型美观。
3 焊接工艺制定
3.1 主要焊接方法选择:
针对本工程所用钢板厚度大、建设周期短、既要保证焊接质量, 又要提高生产效率的特点, 钢结构构件工厂制作采用埋弧自动焊和半自动CO2气体保护焊 (实芯焊丝) , 现场安装采用CO2气体保护焊。埋弧自动焊和半自动CO2气体保护焊均具有焊接速度快, 效率高, 焊接质量好, 焊后变形小, 可适用多种板厚多种材质的优点。但是埋弧自动焊适应性较差, 只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径的环焊缝, 适合用于工厂进行十字型钢和H型钢柱翼缘板与腹板连接焊接的焊接;而半自动CO2气体保护焊还具有易操作、适应性好, 可用于全位置焊接等优点, 适合用于在工厂进行钢柱的端板、牛腿等零部件的安装焊缝以及钢柱现场安装焊缝的焊接。
3.2 焊接材料选择
本工程钢结构采用Q420B钢板, CO2气体保护焊选用ER55-G+Φ1.2mm焊丝, 埋弧自动焊选用H10Mn2+Φ5.0mm焊丝匹配SJ-101焊剂。经检测两种焊接方法焊缝熔敷金属力学性能均符合要求, 详见表1。
3.3 构件焊接接头型式及坡口选择
根据本工程设计图纸, 焊接接头型式主要有对接接头、T型接头等, 为保证各类接头的焊接质量符合要求, 合理的选择坡口是很重要的。
3.3.1 构件工厂制作
工厂制作过程中, 主要有对接接头、T型接头。
3.3.1. 1 对接接头
采用双边对称V型坡口, 坡口角度为50°, 中间留2mm钝边, 装配间隙2mm。本工程钢板厚度较大 (40mm、50mm) , 考虑到焊缝太宽会导致变形过大, 若适当减小焊缝宽度既可保证焊透, 又可提高生产效率, 所以实际施工时, 所开坡口角度比焊接规程推荐的小10°。详见图1。
3.3.1. 2 T型接头
采用双边V型坡口, 坡口角度为60°, 中间留2mm钝边。为方便碳弧气刨碳棒深入十字柱腹板进行清根刨白, 因此坡口两边不对称。详见图2。
3.3.2 工地现场安装焊缝
采用单边V型坡口, 坡口角度40°, 不留钝边, 装配留5mm间隙。工地现场安装焊缝主要是对接接头, 焊接方式为横焊, 难度大, 焊接条件不如工厂完善, 作业空间小, 焊缝处背面碳弧气刨清根困难, 须采用背面加钢衬垫, 单面焊接双面成型的方法, 且坡口角度比焊接规程推荐的角度小5°。详见图3。
3.4 焊接工艺参数的选择
所谓焊接工艺参数是焊接时为保证焊接质量而选定的各项参数, 如焊丝直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接层数、气体流量等。
3.4.1 焊接电流
焊接电流强度的大小是影响焊缝质量和焊接生产率的主要因素。电流过小, 易造成未焊透和夹渣、气孔等缺陷。同时降低了生产效率。电流过大, 焊丝熔化快, 生产效率高, 在母材上的熔深也大, 为保证接头有良好的结合强度, 通常选用较大的焊接电流。但是电流过大时, 容易产生烧穿、咬边和弧坑等缺陷, 而且有可能影响机械性能。
3.4.2 焊接电压
焊接电压小则焊道狭窄, 电压高则焊道宽, 由于本工程钢板厚度较大, 需要进行多层多道焊接, 因此电压不宜太小。
3.4.3 焊接速度
焊接速度是决定焊接效率的重要环节, 焊接速度慢则熔化焊接材料多、焊道厚且宽, 产生的焊接热量较大从而引起焊接变形大, 焊缝成型差, 并且焊缝易产生粗晶粒;焊接速度快则容易产生未焊透、焊缝狭窄, 焊道及层数多, 易产生焊缝缺陷。
3.4.4 焊接层数
从提高生产效率角度考虑, 在增大焊接电压、电流的情况下, 焊接层数越少越好, 但是焊接层数太小易造成焊缝过热, 熔敷金属晶粒粗大, 影响机械性能。
综合以上要求, 结合本工程特点, 选择的焊接工艺参数详见表2。
3.5 焊接预热及层间温度控制
厚钢板焊接预热是工艺上必须采取的措施, 采用电加热器、火焰加热器等加热, 加热时应力求均匀;预热范围应在焊接坡口两侧, 宽度应各为焊件施焊处厚度的2t, 且不小于100mm;预热温度控制在100℃~150℃, 层间温度控制同预热温度;预热温度采用专用的红外测温仪测量, 应在焊件反面测量, 测温点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处。
4 焊接工艺评定
为了验证所制定焊接工艺的有效性、合理性, 选择板厚50mm的钢板为代表, 按照制定的焊接工艺制作工艺评定试板, 对其各项力学性能进行试验, 试验项目依据《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002确定。试验结果详见表3和表4。
表3和表4的试验结果表明所制作焊接工艺评定试板各项试验结果均符合设计文件及相关标准要求, 证明所制定的焊接工艺合理、有效, 能够保证焊接质量, 可以指导工程实际施工。
5 焊缝检测
本工程制作施工过程中严格按照以上焊接工艺进行焊接, 待焊缝冷却24h后由第三方单位进行无损检验, 进行焊缝无损检验的人员持无损检验2级或2级以上资格证书。超声波探伤的方法及评定标准依据《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89及《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001进行。相关焊缝经超声波探伤合格率达98%以上, 获得了良好的焊接质量。
6 小结
本工程采用Q420级别的高强度钢材在福建省内尚属首次, 且所用钢板厚度较大, 对施工焊接质量的控制提出较高的要求。施工前根据工艺评定制定了合理的焊接工艺指导书, 并且在实际施工过程严格控制焊接流程, 得到了良好的施工质量, 为同类型高强度厚钢板工程的焊接质量控制提供了借鉴经验。
参考文献
[1]李婕, 马维华.高强度钢材厚板钢结构的焊接特点及控制措施[J].价值工程, 2012:P38~39.
[2]冶金工业部建筑研究总院.GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S].北京:中国计划出版社, 2002.
[3]中冶集团建筑研究总院.JGJ 81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2003.
[4]哈尔滨焊接研究所.GB/T 985.1-2008气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口[S].北京:中国标准出版社, 2008.
[5]哈尔滨焊接研究所, 东方锅炉 (集团) 股份有限公司.GB/T 985.2-2008埋弧焊的推荐坡口[S].北京:中国标准出版社, 2008.
高强度厚钢板 篇2
.汽车用高强度钢板
长期以来，钢铁一直是汽车工业的基础，虽然汽车制造中铝和塑料的用量不断增加，但钢铁材料仍是汽车的主要材料。21世纪的汽车行业，降低燃料消耗、减少CO2和废气排放已成为社会的需求，作为材料生产厂的钢铁业为了适应这种发展趋势，已开发出许多种类的高强度钢板来帮助减轻汽车重量，适应汽车工业的新要求。近年来，超轻超薄高强度钢板的品质和性能大大提高，相信到2020年，高强度钢板在汽车上的使用率将超过70%。1.1 高强度钢板等级划分
对于高强度钢的定义，一直并无定论，被钢铁界普遍认同的是ULSAB-AVC(Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept)联合会进行的划。将屈服强度为210—550MPa的钢定义为高强度钢(HSS，High Strength Steel)，也就是传统的高强度钢，典型的如碳锰(CMn)钢、烘烤硬化钢(BH)等。屈服强度为550MPa以上的钢定义为超高强度钢(UHSS，Ultra High Strength Steel)，典型的如孪晶诱导塑性钢(TWIP钢)、热成形钢(HF)等。而先进高强度钢(AHSS，Advanced High Strength Steel)的屈服强度覆盖于HSS和UHSS之间的强度范围，在500-1500MPa之间，典型的如双相钢(DP钢)、相变诱发塑性钢(TRIP钢)、马氏体钢(MART钢)。图1为各类汽车用钢板的屈服强度与延伸率的关系，随着强度的提高，延伸率下降。在ULSAB-AVC项目中，为了同常规的高强度钢板区别开来，把DP钢、TRIP钢和B钢等以相变强化为主的钢板统称为先进高强度钢板，这类钢板具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能，在汽车轻量化和提高安全性方面起着非常重要的作用，已经广泛应用于汽车工业。
图1 各类汽车用钢板的屈服强度
与延伸率关系图
1.2 汽车用热成形高强度钢板
先进高强度钢板是车身轻量化的主要发展方向，为了兼顾轻量化与碰撞安全性以及高强度下冲压件回弹与模具磨损等问题，热成形高强度钢及其成形工艺和应用技术应运而生。目前凡是达到U-NCAP碰撞4星或5星级水平的乘用车型，其安全件(A/B/C柱、保险杠、防撞梁等)大都采用了抗拉强度1500MPa、屈服强度1200MPa的热成形钢。同时，在先进高强度钢板的冷成形中，为了解决成形裂纹和形状冻结性不良等问题，热冲压材料的开发和应用引人注目，已用其进行了强度高达1470MPa级汽车部件的制造。
目前，世界上热成形用钢几乎都选用硼钢种，因为微量的硼(B)可以有效地提高钢的淬透性，可以使得零件在模具中以适宜的冷却速度，获得所需的马氏体组织，从而保证零件的高强度水平。硼的作用在20世纪50年代早期就被人们所认识，硼只有固溶在钢中才能起到强化作用。由于硼与氧和氮有强烈的化学亲和力，因此在钢中添加硼时都需要添加一些强氧化物和氮化物形成元素，如铝、锆和钛等。固溶的硼偏析在奥氏体晶粒边界，延迟了铁素体和贝氏体的形核进而增加了钢的强度。含硼超高强度钢板的强度可以高达1500Mpa，为普通钢板强度的3～4倍，将其应用于汽车零部件不仅可以直接减少料厚、降低车身重量，还可以提高汽车的安全性，以及相关联的降低油耗、节约能源、减少汽车排放等。并且硼钢属于含硼高强度钢板，废物可以充分回收利用，有利于降低环境污染。常用的钢种包括：Mn-B系(上海宝钢开发)热成形用钢、Mn-Mo-B系(北美、欧洲等多用此系列)、Mn-Cr-B系(高淬透性热成形钢)、Mn-Cr系(部分马氏体热成形钢)、Mn-W-Ti-B系(如韩国POSCO 公司开发的高烘烤硬化细晶粒热成形钢)。高强度钢板热成形加工工艺
2.1 热成形加工工艺基本原理 2.1.1热成形理论基础 热成形工艺与传统的成形工艺相比，其特点是在板料上存在着一个不断变化的温度场。那么热成形用钢板的成分就有一些特殊的要求，其成分设计也要适应热成形过程中的热循环。在这个温度场的影响下，板料的基体组织和力学性能发生了变化，从而板料的应力场也发生了变化。在成形过程中，板料的应力场变化又反作用于温度场，如图2。热成形工艺，正是这样一个板料内部温度场与应力场同时共存，相互作用，耦合的变化过程，对板料在成形过程中的流动、变形等造成影响。表1简单地描述了这些相互作用。
图2 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用
表1 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用的描述
2.1.2 实际热成形加工工艺
实际热成形工艺原理如图5。首先把常温下强度为500~600 MPa的高强度硼合金钢板加热到880~950℃，使之均匀奥氏体化，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形，之后保压快速冷却淬火，使奥氏体转变成马氏体，成形件因而得到强化硬化，强度大幅度提高。比如经过模具内的冷却淬火，冲压件强度可以达到1500 MPa，强度提高了250%以上，因此该项技术又被称为“冲压硬化”技术。实际生产中，热冲压工艺又分为两种，即直接工艺和间接工艺。图3(a)所示的是直接工艺，下料后，直接把钢板加热然后冲压成形，主要用于形状比较简单变形程度不大的工件。对于一些形状复杂的或者拉深深度较大的工件，则需要采用间接工艺，先把下好料的钢板预变形，然后再加热实施热冲压，如图3(b)。
(a)直接工艺(b)间接工艺
图3 工艺说明图
2.2热成形加工关键技术
对高强度钢板的热成形技术，我们需要重点关注的是用钢选择、热成形用钢的表面镀层、模具设计和热成形零件的检测问题。
2.2.1 热成形用钢选择
热成形用钢的选择是保证热成形零件性能的重要一环。高强度钢板的热成形性主要分包括以下形式：深冲成形性、胀形成形性以及延伸凸缘成形性等。一般认为：深冲成形性取决于钢板塑性应变化的Lankford值；胀形成形性取决于钢板的延性；而延伸凸缘成形性取决于钢板的局部变形能和显微组织均匀性。B在支配延伸凸缘成形性和弯曲成形性的显微组织均匀化方面起到了重要作用，故一直采用F+B和B单一组织；而且为了实现高强度化目标，也采用了低碳M。马氏体钢中的22MnB5钢的原理与此相符，是典型的热冲压材料钢(具体成分见表2)，它利用钛和硼微合金化的方法，通过热成形后急冷获得高的成形度和极高的强度(图4)。目前，热成形MnB钢板在欧美和日本主要汽车制造企业已经开始使用，如新型Golf V6车有5个零部件用MnB钢制成，最新的第六代PASSAT车型有9个这样的部件。图5是宝钢开发的热冲压成形用含硼钢的CCT(连续冷却相变)曲线，经过 950℃左右单相奥氏体区的加热保温后，当冷却速度大于15℃/s后，钢板的组织转变为全马氏体组织，其硬度为HV450～500，强度达到1300—1500MPa。
图4 热成形过程中22MnB5钢的性能变化示意图
图5 热冲压用钢板典型CCT曲线 2.2.2 热成形用钢的表面镀层
用于热成形的硼钢，将之加热到奥氏体形变点以上，金属模冲压成形与淬火几乎同时进行。但是对热成形用钢的研究表明，由于延伸性和韧性的不足，较之其高强度的性能，热成形用钢不能获得充分的冲击吸收能(即韧性值不高)。因此，如何调整其成分以改善这些特性是今后的重要课题。在热成形过程中，钢板在高温下暴露于空气中，不可避免地会引起表面的氧化，形成氧化铁皮，为了不影响后续的涂装工序，热成形后的零件需要经过喷丸或酸洗去掉钢板表面的氧化铁皮，这无形中又增加了生产成本。与此同时，钢板在氧化的同时也会引起钢板表面的脱碳，进而影响钢板的强度。此外，随着汽车零件耐腐蚀性能要求越来越高，表面进行镀层处理的钢板越来越受到人们的重视，一系列热成形用镀层钢板被相继开发出来，同常规的冷成形用镀层钢板不同，热冲压用钢板的镀层需要具备抗高温和耐腐蚀的特点。目前开发的用于热成形的镀层板包括：镀Al板、镀Al-Si合金板和镀Zn板等。韩国POSCO钢铁公司正在开发纳米镀层板，以提高镀层的结合力，防止镀层在加热和成形淬火过程中剥落。
2.2.3 热成形模具设计
由于热成形过程中钢板及模具都在900℃以上到室温这一复杂的温度中变化，并且模具集板料成形与淬火过程于一身，所以模具设计是热成形技术的另一个难点问题。其主要技术流程包括模具表面设计、模具冷却系统设计和模具结构设计等。可用计算机和LS-DYNA软件进行成形模拟和冷却过程模拟，利用材料的高温性能如流变曲线、摩擦系数、FLD等参量进行成形模拟，并进行热传递模拟，这一过程实际是热力学、机械学耦合模拟。其模拟结果将作为模具设计方案确定的重要依据，并据此进行原型试生产和批量生产。同时，我们还可利用计算机模拟，进行碰撞分析和静载压溃分析。(1)模具材料的选择。
热成形的模具材料相比常规成形提出了更高的要求。不仅要求模具有良好的热强度、热硬度，高的耐磨性和疲劳性能，而且要能保证成形件的尺寸精度。同时要能够抵抗高温板料对模具产生的强力热摩擦以及脱落的氧化层碎片及颗粒在高温下对模具表面的磨粒磨损效应，并且能够稳定的工作在剧烈的冷热交替条件下。根据模具的加热温度，选用合理的模具材料，一般需要参考热锻用热作模具钢，选用合理的模具材料。蒂森的热冲压模具，采用具有很高热传导系数的模具材料(Glidcop—一种Al2O3/Cu复合材料)。(2)模具凸、凹模设计。
由于热胀冷缩的影响，零件最终的尺寸和冲压成形时的尺寸存在一定的误差，因此为保证零件的尺寸精度，必须在考虑热胀冷缩效应的基础上合理确定模具凸、凹模的尺寸。(3)冷却机构的设计。
对于热成形零件冷却机构的选择既要保证零件的冷却速度足够大，如某硼钢的临界冷却速度为30℃/s，使奥氏体尽可能多地转化成马氏体，保证零件的强度。而且还要避免零件和模具因冷却速度过大而引起开裂。通常采用在模具内通冷却水的方式对模具并通过模具对成形后的零件进行冷却。
(4)目前板材热成形工艺应用中尚存在的难点热成形工艺作为一种新型的、特殊的工艺也有其自身的缺点。
a)零件成形后冷却速度和保压时间难控制。
b)由于热加工成形的零件在冷却至室温的过程中，不同部位冷却速度不同会导致零件发生严重的变形，从而影响成形零件的尺寸精度。
c)由于热成形零件后续加工难度大，因而只能是应用于一道工序即可成形的简单零件，如梁、柱等类型的零件。同时，热成形工序并入现有冲压车间难度大。
d)与普通冲压模具相比，由于受模具材料的强度选择、模具热处理工艺、高应力集中、模具表面温度频繁升高和降低、以及由于模具凸、凹模表面的高温软化加剧了磨损等因素的影响，热成形模具容易失效，导致模具使用寿命降低。2.2.4 热成形零件的检测
热成形零件具有的压溃性能(碰撞后的低的侵入)决定了其很适合用于安全件。热成形零件的加工通常需要经过激光切割、冲裁孔、点焊、冷成形、装配以及油漆等工序，因此对热成形零件需要检测的内容很多。首先是要对热成形零件进行力学性能检测、形状检测、厚度分布检测和引入的内应力检测，还要根据不同零件的不同要求，采用不同的方法进行实物性能检测。对于一个合格的热成形零件，应当满足高强度、轻量化和安全性的要求，同时还应具备好的强度与韧性结合性、尺寸稳定性、可加工性(几何尺寸稳定性)、可焊性以及疲劳抗力等。热成形钢技术应用发展
国内首家热冲压零部件有限公司于05年在宝钢成立。并且用于热冲压成形的高强度钢—硼钢，也是由上海宝钢独家供货。宝钢生产的硼钢牌号为：1.85mm以上热轧，BR1500HS；1.85mm以下冷轧，B1500HS。与欧洲热冲压高强度钢22MnB5对应。屈服强度1000MPa、抗拉强度1400MPa、延伸率5%。相对于热冲压零部件有限公司的批量生产，宝钢股份研究院技术中心拥有独立的试制生产线。从2005年开始，已完成车身165个件的试制，其中12个样件一次试制成功。表3为宝钢热冲压机组相关参数。表3 宝钢热冲压机组相关参数
近几年来，热成形制造的零件的应用越来越广泛。中国上海大众在PASSATB6等多款车型中，热成形的部分占据了整个车身质量的15%，一般用在A/B/C柱及加强板还有中央通道、保险杠支架等地方。将典型的热成形用钢22MnB5在冲压前加热到950℃附近，然后在一个水冷模具中加压成形，再通过模具淬火最终零件的强度可以将大众汽车提到的1500MPa。但是在强度提高的同时，硼钢的冲击韧性受到越来越多的关注。由于微观组织全是由非常硬的马氏体构成，韧性就降低了，这一点非常关键。因为在碰撞试验中，这些零件通常都是放在用来承受很高的冲击载荷的地方。但是，现在还没有可靠的材料可以用来进行韧性与脆性之间的转换。在蒂森公司最近对淬火－回火的厚坯的研究中提到，铌微合金化的应用可以提高热成形钢的韧性。在这种情况下，用来防止硼和溶解的铌相结合，钛应该由铌和铝的化合物取代。这样做的结果是造成裂纹起始点的TiN粒子可以避免或被细小的碳、氮铌化物沉淀取代，从而降低热轧时晶粒尺寸，同样也可以在冲压前加热到950℃的过程中限制晶粒的长大。通常，晶粒细化对韧性是有利的。
由高强度板热成形制造的车身零部件如图6所示。与传统成形零件相比，热成形零件具有以下优点：
1)高强度：屈服强度可达到1200MPa，抗拉强度可达到1600MPa-2000MPa。2)高硬度：高达6t的静压不损坏。3)轻量化：板厚比传统钢板减薄达35%。
4)消除回弹影响，提高制造精度。
图7 高强度钢板热成形零部件
(前后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶构架、车底通道框架、仪表台支架以及车门内板、车门防撞杆等)结束语
高强度钢板的预热焊接处理 篇3
关键词：燃气,预热炉,台车,节能,碳排放
1 概述
随着采煤机械化程度及安全要求的提高, 煤矿生产对设备的要求越来越高, 大采高、高工作阻力液压支架日益得到推广。而提升煤矿设备安全性能的最直接措施, 就是在煤矿设备制作时大量使用高强度钢板。因此, 液压支架高强度钢板的焊接质量越来越受到重视。为了适应煤矿生产的需要, 提升设备的安全性能, 邢台机械厂决定引进5000×2000预热炉, 以解决高强板焊接的预热及焊后时效处理问题, 提高高强板的焊接质量, 为大采高、高工作阻力液压支架制作提供设备保障。
2 预热炉的选型、改进及安装
2.1 预热炉的选型。
焊接过程中工件的预热和焊后时效处理设备是整个生产工艺过程中的一项关键设备, 一般传统方式可采用电加热的方式完成, 建造一台预热炉需要1200k VA的电力容量, 需要电力增容。经过认真的调研, 基于节约成本, 降耗节能, 提高效率的原则, 我们拟采用节能环保的天然气加热方法, 以提高效率, 减少碳排放, 保护环境, 降低成本。同时, 天然气的加热时间要比电加热时间缩短1/2以上, 运行费用也相对要低。经过对方案的反复比对与论证、对合作厂的认真筛选, 最终选定采用工作可靠、安全性能好的阿尔法燃烧器, 并使用自动控制系统控制燃烧器的工作状态, 通过温度控制器, 实时检测炉膛的温度, 控制炉膛的升温、保温、降温曲线, 使炉膛温度按照设定的工艺曲线工作。预热炉的结构件部分由邢台机械厂根据具体使用要求制作并改进, 炉体砌筑、保温、燃烧器、控制系统、送风系统排风系统相配套, 保证设备的质量。燃气预热预热炉的性能指标见表1。
2.2 预热炉的改进及安装。
预热炉的改进机安装工作主要注重了一下几点: (1) 预热炉的选址。如果预热炉距焊接工位较远, 预热工件出炉后运输距离长, 则工件温度会下降较多, 焊接时就达不到预热理想效果。因此, 预热炉的选址要合适。 (2) 增加通风口与加热枪数量。工件的预热效果在很大程度上与通风口及加热枪的设置有关。我们根据工件的最大尺寸, 将原设计的通风口及加热枪位置由6个改为8个, 这样可以使工件加热时热量更加均匀, 提高预热效果。 (3) 台车的改进。台车电机选用YEJ电机, 减速机为BWEY型摆线针轮减速机, 传动系统为双排滚子链链轮, 同时, 尽可能降低了台车的高度, 这样可以增加预热工件的最大高度。 (4) 其它。合理布置通风系统、保证炉门的密封性能, 都是提高预热效果的关键。同时, 在地基施工、炉体施工及燃气装置设计方面, 我们都与施工方及设计单位进行了充分的沟通与论证, 以达到预想的设计效果。
3 应用及效果
2009年9月11日, 该预热炉在邢台机械厂投入使用。通过对邯矿集团充填支架Q550、内蒙支架Q690等高强板的焊接及近4年跟踪监测, 该设备运行状态良好, 使用方便, 性能可靠, 并具有以下优点: (a) 炉温均匀, 工件受热均匀, 能有效保证焊缝质量; (b) 装载量大、生产率高, 可适用于各种类型的机件回火、预热用; (c) 炉衬保温性能好, 节约能源, 降低了生产成本; (d) 无污染, 低碳环保; (e) 升温速度快; (f) 与电炉比较, 大幅度降低了能源消耗摩羯能效果达65%左右。目前, 该预热炉已用于多种支架高强板的批量焊接中。该预热炉实际运行参数如下:
升温时间:1.5小时;
设备容量:15t每炉;
预热耗气量:2m3/t;
时效耗气量:2.3m3/t。
高强度钢板在起重机上的应用 篇4
1 起重机钢结构焊接工艺
起重机最主要的材料是碳素结构钢和低合金高强度钢, 这两种材料的可焊性均较好。一般采用等强度理论选择焊材级别, 多种焊接方法都可以采用。龙门吊是特殊的作业设备, 由于它的使用条件复杂, 受外部环境影响大, 对焊接质量的要求高, 重要焊缝无损检测要求质量等级高。要保证焊接质量, 首先要做好焊接工艺设计, 工艺方法的设计是焊接生产设计的核心。龙门吊制订焊接工艺遵循以下原则:获得合格的焊接接头, 包括外形尺寸、强度、刚度等方面的要求;焊接变形小于技术条件的规定, 焊接应力应当尽可能的小;翻转工件次数少, 或利用胎卡具及焊接辅助装置使焊缝处在最有利的施焊位置;可焊性好, 焊工施焊方便;生产效率高, 且生产成本低, 有较好的经济效益。为提高焊缝的强度, 对起重机受力的钢结构件, 应减少焊接接头, 减少焊缝缺陷, 采用自动焊或半自动焊。为了保证焊接质量, 凡具备起重能力, 能够将构件翻转的条件下, 力争对接焊缝平焊, 采用埋弧焊焊接。因为埋弧焊, 电弧稳定, 焊缝质量较好, 效率高。角焊缝平焊或船形位置焊接时, 采用埋弧焊和半自动CO2焊。只有在构件无法翻转变位的情况下, 才允许仰焊、立焊和横焊。以最大限度地保证焊接质量, 满足设计要求, 避免产生过多的缺陷, 影响焊接接头的组织性能。由于焊条电弧焊设备简单经济, 应用方便, 所以钢结构制造中仍在使用。除了埋弧焊, 大量使用的是半自动的CO2焊焊接工艺, 此工艺效率高, 操作方便。
2 低合金高强度钢材料[1,2]
对于50 t以下吨位汽车起重机的箱形伸缩臂的理想材料是低合金高强度钢板, 通过折弯成上、下槽形板后拼焊而成, 除应具备轻重量、高强度和稳定性要求外, 还应具备良好的延展性、可焊性和表面质量。目前, 国内普通使用武钢和宝钢生产的低合金高强度钢板HG60、HG70、BS600MCJ4和BS700MCK2, 而对于进口的WELDOX高强度钢板则因资源和价格等因素主要运用于50 t以上的汽车起重机。国产低合金高强度钢的主要化学成分和机械性能如表1、表2所示。
从表1、表2可以看出, 4种材料化学成分略有差异, 机械性能也有所不同, 相当于或略高于目前工程机械领域使用的60～80 kg级别的高强度钢板, 比传统钢板在强度方面得到了大幅度提高, 同时又具备良好的延伸、冷弯、焊接和抗冲击性能。因此, 目前以上4类高强度钢板普遍运用于国内中小吨位系列的汽车起重机制造厂家。
3 箱形臂结构形式[3,4]
汽车起重机箱形伸缩臂的结构截面形状有较多类型:矩形、梯形、倒置梯形、五边形、六边形、八边形、大圆角矩形和椭圆形截面等, 但在50 t以下汽车起重机中主要采用低合金高强度钢板成形为六边形 (图1) , 其高度比一般在1.3～1.8, 侧板相对较薄, 可适当降低质量。
通常, 下槽板设计较厚一些, 一方面可以使截面中性轴下移, 从而减少下槽板上的压缩应力, 另一方面可以满足一定程度的下槽板局部应力的需求。从该结构来看, 在工程实际运用中一般情况下槽板比上槽板厚1～2 mm、臂长通常接近10 m, 因其呈多边形载面, 故在钢板冷作折弯过程中, 如何保证下槽板各个角度折弯的一致性和槽板在长度方面的直线度是一个行业研究的共性问题。
4 槽板折弯成形工艺性分析
4.1 材料应力均匀性
槽板在汽车起重机箱形臂中普遍使用4～10 mm的低合金高强度钢板进行制造, 以及强度等级更高的国产合金钢或进口的高强度结构钢, 其化学成分与材料性能决定了出厂时钢板内应力的不均匀性, 导致切割后钢板的旁弯较大, 而汽车起重机箱形臂用槽板长度近10 m, 故要求槽板成形后的载面、角度的一致性和长度方向的高直线度要求, 才能满足汽车式液压起重机的自由伸缩的显著特点。
为此, 在钢板的成形过程可按如下流程实施:切割、清渣、抛丸除锈、板材校平、刨边、折弯。通过抛丸达到钢板表面质量需求, 进而在一定程度上消除材料内应力的不均匀缺陷, 从而达到钢板冷却折弯的需要。
4.2 折弯设备可靠性
槽板在成形过程中, 因我国汽车起重机行业在大型吊臂的钢板折弯制造过程中, 大多数采用吊臂专用数控折弯机, 而非一般高压电线杆用折弯机。该折弯机通常采用数控系统进行上下料和折弯过程的精确控制, 国内专业设备生产厂家较少, 国外URCVIKEIV、LVD等为国际汽车起重机吊臂钣金制造的专业厂家, 尤其是世界著名的吊臂专业生产厂家 (主要是椭圆形) ——“比利时小子”Vlassenroot对高强度钢板折弯机的运用进行了推广。通常为确保槽板成形尺寸精度, 对折弯设备需进行以下功能改造匹配:
(1) 机架式床身结构:通常采用三梁式机架构造, 保证机床身的整体刚性和稳固性, 从而最大程度地减少机床在负荷工作状态下因机身的变形, 保证立柱在负截状况下不会出现侧向变形。
(2) 智能挠度补偿:解决因高强度钢板工件局部板材的厚度和材质的差异、折弯模具的磨损等造成的全长角度不均匀, 这一问题也一直是困扰国内汽车起重机生产厂家长达20来年的吊臂制造工艺瓶颈。
(3) 可调节开口下模:采用补偿机构, 解决超长规格的钢板材料, 因人工更换下模开口而浪费大量劳动作业时间和折弯板料与下模的摩擦压痕, 有效提高了数控折弯机的实际劳动生产效率, 同时节省模具的损耗和大量的装配模具和调整模具时间。
(4) 模头连接杆与床身采用刚性连接:从侧面通过螺栓用压板与床身紧固或用螺栓通过底面向上与床身进行刚性连接 (图2) , 避免采用吊装连接方式引起的连接杆在折弯过程中的晃动, 从而造成槽板折弯角度和直线度的差异性。
通过折弯设备在模头直线度、床身刚度、液压油缸行程同步性、下模开口可调性和托料数控等方面的改造匹配, 可以满足箱形臂槽板在折弯角度的一致性和槽板长度方向的全长直线度3 mm的伸缩使用要求。
4.3 局部校正与产品结构保证性
低合金高强度钢经大型折弯机冷作折弯后, 其槽板的成形质量因折弯造成的材料内应力不平衡, 表现出来的就是成形角度和直线度呈现一定误差, 对于该类误差除在折弯进程中调整设备的油缸压力与补偿参数和下模的补偿参数外, 也可通过人工局部校正的方式来进行弥补, 但该种方式对于直线度的改进作用不大, 通常情况下, 需要产品结构设计的改进来降低对槽板直线度和角度的使用需求精度, 如将箱形伸缩臂支撑滑块的固定方式由以前的固定方式改为转动方式, 滑块通过绕轴转动的间隙来消除一定程度的槽板成形角度误差与直线度误差。
5 结语
通过对低合金高强度钢的材料性能和在汽车起重机箱形伸缩臂槽板折弯过程中的设备保证、槽板直线度与角度的精度控制的分析比较, 可以得出以下结论: (1) 在汽车起重机箱形伸缩臂的设计与制造技术中, 采用低合金高强度钢材料, 通过去应力处理可以提高伸缩臂的强度、刚度、稳定性和降低重量, 并可获得材料成形的必备需求。 (2) 通过对大型成形折弯设备的功能改造匹配, 改变模具连接方式和使用人工校正方法, 可以有效提升臂架直线度和角度均匀性, 尤其是采用可转动的伸缩滑块机构, 可以有效补偿折弯成形误差对吊臂伸缩功能的影响。
摘要：针对汽车起重机箱形伸缩臂在运用钢板折弯的制造精度保证困难问题, 分析了低合金高强度钢的材料性能, 指出了材料应力的消除方法和吊臂折弯设备对槽板精度的改造匹配方案, 制订了吊臂产品部件结构设计改进方案来降低对工件精度的需求, 解决了吊臂槽板的角度均匀性和长度直线度一致性问题。
关键词：汽车起重机,箱形臂,高强度钢
参考文献
[1]廖伟.国产低合金钢HG60在汽车起重机上的应用[J].工程机械, 1992 (8) :36～38
[2]盛光敏.HG70钢的焊接性分析[J].焊接学报, 2004 (3) :117～120
[3]王金诺.起重运输机金属结构[M].北京:中国铁道出版社, 2001
高强度厚钢板 篇5
1 前言
汽车轻量化的研究是现代汽车设计制造的一大主流。节能、环保、安全和舒适是汽车工业发展的总趋势。减轻汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。汽车减重对安全性会带来很大影响。如何设计和制造既节能又安全的车, 是国际汽车设计者和制造业不断追求的目标。采用高强度钢板冲压件制造车身既可以减轻车体质量, 又能提高安全性, 是同时实现车体轻量化和提高碰撞安全性的最好途径。高强度钢板强度越高, 越难成形。尤其是当钢板强度达到1 500 MPa时, 常规的冷冲压成形工艺几乎无法成形。因此, 如何实现高强度钢板的高精度冲压成形就成为一项迫切需要解决的技术难题。热成形技术 (也称为热冲压技术) 是一项将传统热锻造技术与冷冲压技术相结合的最新制造工艺, 专门用于成形高强度冲压件的先进制造技术, 可用来成形强度高达1 500 MPa的汽车前后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶构架、车底通道框架、仪表台支架, 以及车门内板、车门防撞梁等构件, 目前成为世界上众多汽车生产厂商关注的热点。
热成形技术原理是把特殊的高强度硼合金钢加热使之奥氏体化, 随后将红热的板料送入有冷却系统的模具内冲压成形, 同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火, 钢板组织由奥氏体转变成马氏体, 因而得到超高强度比的钢板, 如图1。
2 高强度钢板热成形技术
目前, 欧、美、日等各大汽车生产厂商已成功地将高强度钢热成形技术应用汽车构件的生产中, 经济效益显著, 有效地提高了市场竞争力。目前国内仅有几家公司从国外引入生产线, 耗资十分巨大, 国内汽车厂家成本负担很大。国内众多汽车公司正在迫切寻求用该项技术来制造汽车冲压件。但是, 该项技术和装备被几家国外公司所垄断, 设备价格十分昂贵。因此, 热成形零件的价格也远高于普通冷成形件, 导致国内目前仅有少数厂家在高档轿车上采购这种高强度冲压件, 远远满足不了国内汽车行业的市场需要。
针对上述情况, 大连理工大学与长春伟孚特汽车零部件有限公司联合开发出国内第一条具有完全自主知识产权的高强度钢板热成形批量连续生产线, 如图2。
高强度钢板热成形技术是集落料、加热、防氧化、冲压、淬火冷却、切形和喷丸处理等为一体的综合制造系统, 是体现机械加工、电控和材料化工紧密交叉的国际前沿高新技术。热成形连续加热炉要保证板料加热到设定的温度充分奥氏体化, 同时避免没有防氧化涂层板料的高温氧化脱碳, 这决定了热成形连续加热炉与其他加热炉相比应具有独特的核心技术。目前, 大连理工大学与长春伟孚特汽车零部件有限公司已经联合开发出具有完全知识产权的高效节能连续加热炉。
2.1 热成形间接成形工艺及其工程实现
热成形间接成形工艺是指板料先经过冷冲压进行预成形, 然后加热到奥氏体化温度, 保温一段时间后放到具有冷却系统的模具里进行最终成形及淬火。热成形间接成形工艺的优点如下。
(1) 可以成形具有复杂形状的车内零部件, 几乎可以获得目前所有的冲压承载件。
(2) 板料预成形后, 后续热成形工艺不需要过多考虑板料高温成形性能, 可以确保板料完全淬火得到所需要的马氏体组织。
(3) 板料预成形后可以进行修边、翻边、冲孔等工艺加工, 避免板料淬火硬化后加工困难问题。例如板料淬火后修边须用激光切割设备修边, 这大大增加了加工成本。
图3为开发的某车型车门防撞梁热成形模具, 此加强梁的拉延深度大且有3个深成形部位, 不能一次热成形, 所以采取了热成形间接工艺;图3a为预成形模具, 图3b为最终成形及淬火模具及生产过程。图4为热成形的防撞梁零件。
2.2 热成形直接成形工艺及其工程实现
热成形直接成形工艺是指板料加热到奥氏体化温度保温一段时间后直接放到具有冷却系统的模具里进行成形及淬火。热成形直接成形工艺的优点如下。
(1) 板料在一套模具中进行成形及淬火, 节省了预成形模具费用并加快了生产节奏。
(2) 板料加热前为平板料, 这样不仅节省了加热区面积节省能源, 而且可以选取多种加热方式, 例如可以采取感应加热炉进行加热。
热成形直接成形工艺的缺点是复杂形状的车内零部件成形困难, 且模具冷却系统的设计更复杂, 以及需要增加激光切割设备等。
图5为开发的某车型车门防撞梁热成形模具 (带冷却系统) , 此加强梁通过合理设计模具可以直接热成形。图6a为未涂防氧化脱碳保护涂层钢板热成形后的防撞梁产品, 从图中可以看出样件表面有氧化皮;图6b为经过激光切割及喷丸处理得到的符合尺寸及表面处理要求的热成形防撞梁产品。
3 高强度钢板热成形产品性能要求及试验结果
汽车用热成形高强度钢板目前应用较广的为含硼合金钢, 其化学成分如表1。此硼钢经热成形后屈服强度要达到900 MPa以上, 抗拉强度要达到1 500 MPa, 伸长率要超过6%, 硬度达到45 HRC以上。
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高强度厚钢板 篇6
使用Pam-Stamp 2G软件对材料为DP500的某轿车前保险杠的成形工艺进行了模拟研究。探讨了压边力对成形缺陷的影响, 进行了工艺参数优化, 得出一些有价值的结论。
1 前言
能源和环境问题的加剧, 使节能减排成为当今汽车工业的发展趋势。超高强钢能够在减轻车身质量、减小能耗的同时大大提高车身安全性, 因此其在汽车车身上的应用越来越多。
超高强钢材料强度高、伸长率低, 成形性较差, 成形缺陷多。实际生产中传统经验为主的方法往往无法快速解决复杂工件的成形问题, 需要反复修模、调试和修改工艺参数才能确定最终工艺方案。随着计算机硬件和有限元技术的发展, 数值模拟技术在金属板料成形中应用越来越多, 指导工艺的制定和模具的设计, 大大缩短了产品的设计周期, 提高了产品质量。
2 有限元模型的建立
保险杠零件如图1, 材料为DP500, 其主要性能参数如表1。图2是保险杠的三维有限元分析模型。
模拟采用动力显示算法求解, 凸模的最大冲压速度为5 000 mm/s, 摩擦因数为0.12, 选用的材料模型为正交各向异性Hill48参数模型, 材料的屈服函数表达式为
式中, F、G、H、N为与材料各向异性参数相关的系数;σ11、σ22、σ33为正应力分量;σ12为切应力分量。
根据该材料的流变规律和硬化规律, 其应力应变行为用Krupkowsky公式描述为
式中, K为硬化系数;εP为有效塑性应变;n为硬化指数;σy为屈服极限应力。
对于上述材料K=960.74 MPa, ε0=0.001 855, n=0.224 6。
3 成形工艺模拟及优化
3.1 成形缺陷分析
板料成形过程复杂, 会出现局部变薄严重、起皱、拉裂等多种缺陷, 影响工件质量和精度。工艺参数对板料成形影响很大, 合理选择工艺参数可以有效减小甚至消除上述工艺缺陷。以某型车的前保险杠为对象, 对不同工艺条件下成形过程进行了模拟研究, 模拟结果如表2和图3。
图3a是成形过程中起皱现象的模拟结果。当压边力不够大时, 则在工件两端压料面区域容易产生起皱, 而且压边力越小起皱越明显;当压边力达到4 000 kN以上时, 起皱缺陷基本消失。
模拟结果表明, 随着压边力的不断增加, 工件变薄严重。从图3b的结果看出, 零件在A、B处变薄严重。这是由于A处压料面上的材料流动不均匀, 导致此处容易发生较大的局部塑性变形, B处拉深深度大, 压料面上的材料流变阻力大, 周围材料不能及时补充, 因此导致B处变薄量增大。随着压边力进一步增大, B处变薄量加剧, 并最终导致此处出现开裂, 如图3c中C处。
3.2 回弹模拟研究
超高强钢冷成形后回弹问题非常显著, 回弹是成形后工件的主要缺陷之一, 因此在工艺制定和模具设计时必须加强对回弹的控制。本文研究了压边力对该保险杠回弹的影响。
该零件的回弹主要包含截面回弹和纵向回弹两种, 如图4。分别模拟研究了压边力为1 600 k N、3 000 k N、4 000 k N、5 000 k N时成形工件的回弹状况。图5是压边力对截面回弹的模拟结果, 可以看出, 随着压边力的增加, 截面回弹量明显减小, 因此增大压边力可以有效控制截面回弹, 提高截面形状精度。图6是压边力对纵向回弹的模拟结果, 可以看出, 增加压边力也能够减小纵向回弹量, 但效果不十分明显。对于此类弯曲半径相对较大的细长零件, 如果能够在成形时增大零件两端的压边力, 或者再施加一定的拉力 (比如拉弯) , 可以有效减小纵向回弹量。
对高强钢前保险杠的成形缺陷规律分析可知, 压边力选为5 000 k N可得到成形质量较好的产品, 此时零件的最大变薄率为18.23%, 未出现起皱和拉裂缺陷, 且成形后工件回弹较小。
4 结论
(1) 压边力对变薄、起皱和拉裂等缺陷影响较大。增大压边力会导致工件变薄率增大, 当压边力达到一定程度后会使工件产生拉裂。但增大压边力能有效控制起皱缺陷, 压边力越大工件上的起皱面积越小。
高强度厚钢板 篇7
高强度钢板的使用, 可以在保证整车强度及整车安全性的同时, 有效降低白车身质量。近几年来, 随着市场对整车安全性、降耗减排等要求的不断提高, 整车钢板中高强度钢板使用比例不断增加, 如何合理使用高强度钢板, 做好高强度钢板制件的开发工作, 对加快汽车产品的更新换代和缩短项目开发周期具有重要作用。
本文以中通道前伸长件为例, 介绍高强度钢板在汽车车身上的应用以及工装开发工艺过程。通过对产品的力学性能和CAE成形分析, 确定其冲压工艺方案, 经过验证, 最终产品满足品质要求。
产品介绍
高强度钢板的牌号很多, 各种牌号高强度钢板的力学性能差异很大, 在产品设计时, 选择正确的高强度钢板牌号非常重要。
图1所示为我公司新近开发中通道前伸长件的产品数据模型, 其初期设计材料为B340/590DP, 料厚1.2mm。整体来看, 该产品具有外形尺寸较大、形面极不规则、材料伸长率低和成形困难等特点。
该产品材料选用的B340/590DP为高强度钢板, 其力学性能为:屈服强度340~500MPa, 抗拉强度≥590M Pa, 断后伸长率18%。从该材料的力学性能来看, 与普通低碳钢板相比, 高强度钢板的屈服强度提高, 因此其成形性比普通低碳钢板差, 成形极限比普通低碳钢板小。由于高强度钢板成形性下降, 所以冲压时容易出现破裂、起皱、凹凸等缺陷。受冲压过程中产生的较大残余应力以及回弹的影响, 高强度钢板的定形性较差, 零件的几何尺寸、形状等不确定性趋势增强。
正是由于高强度钢板的这些特性, 因此不能将适用于普通低碳钢板的一些经验套用到高强度钢板上。高强度钢板的使用对冲压件产品设计、冲压工艺制定、模具结构设计和模具调试等各个环节都产生很大影响。
CAE成形分析
在该产品设计的初期阶段, 通过对该产品的数据模型进行CAE成形分析 (见图2) , 得出结论, 制件开裂严重, 无法成形。从图2可以看出, 其平面应变点很多处在临界区以上, 板材多处发生破裂。
钢板在拉延成形时, 材料被压边圈和凹模夹住, 所有的塑性变形在凸模的相对运动时完成, 材料由于经受二维应变导致厚度变薄, 如果局部应变过大, 就会导致成形失效。材料的拉延成形性能主要取决于材料对应变的再分配能力, 与加工硬化性能紧密相关, 即加工硬化能力越强, 应变分布就越好, 则材料的拉延成形性越好, 反之, 材料的拉延成形性越差。
经过认真分析研究制件开裂严重的原因, 除了该制件形状复杂、成形困难外, 主要原因是选用的材料B340/590DP的伸长率非常低, 成形性相对较差, 对应变的再分配能力也较差, 无法完成如此复杂零件的成形, 故提出设计更改。将该制件的材料改选为伸长率相对较高的、成形性相对较好的高强度钢板。
经过对材料的性能与成形性的多次优化, 在满足整车碰撞安全性及整车模态要求的前提下, 将该制件的材料最终确定为高强度钢板B220P2, 其力学性能为:屈服强度220~320MPa, 抗拉强度≥380MPa, 断后伸长率28%。
可以看出, B220P2与B340/590DP相比, 屈服强度与抗拉强度均不同程度上有所减弱, 但断后伸长率却有了明显提高, 其成形性也就有了很大的提高, 使该制件的成形成为可能。经过几轮的CAE成形分析和数据优化, 最终该制件封版数据如图3所示。
该制件最终封版数据的CAE成形分析结果良好, 基本满足拉延成形的要求。由模拟结果可知, 其平面应变点多处在临界区以下, 板材无破裂危险, 如图4所示。
冲压工艺方案
在数据修改的同时, 对该制件的冲压工艺性也进行了详细分析。图3所示的中通道前伸长件是以Y轴为对称轴的冲压件, 其形状复杂且起伏较大。根据该制件的结构特点, 在拉伸成形时采用单动拉伸, 设计合理的工艺补充, 保证不出现负角。同时, 为了减小回弹, 避免后续成形出现开裂或扭曲, 尽可能使零件全部进入模腔一次完成成形;为减少工序, 可将冲孔与修边在同一序完成。另外, 为了保证拉伸成形能够顺利进行, 确定该制件采用形状料进行拉伸成形。
经过论证, 该制件的冲压工艺确定为1+4序完成, 即:落料→拉伸成形→修边冲孔侧修边→侧修边侧冲孔整形→翻边整形侧修边。
按照以上的冲压工艺方案开发的冲压模具, 经过两次调试压件, 取得显著效果, 初步获得成功, 拉伸件照片如图5所示, 拉伸件已无开裂现象, 表面无褶皱。
最终产品件照片如图6所示, 制件质量基本满足产品的品质要求, 在试装车过程中, 状态良好, 未发现较大的质量缺陷。
结语
高强度厚钢板 篇8
冲压成形中板料和模具之间的摩擦影响板料的成形、能量消耗和模具的磨损,而板料和模具表面的接触状态直接影响成形中的摩擦行为。Wihlborg等[1]研究了板料形貌对摩擦的影响,研究表明具有足够的储存润滑油的凹穴表面形貌有利于减小摩擦;文献[2,3,4]研究了表面凹穴尺寸对摩擦的影响。宏观看似很光滑的加工表面,在显微镜下观察,却布满高低不平的尖峰和凹谷,摩擦总是从两表面微凸体的接触开始,在这些紧密接触点上,高压和塑性变形产生的高温形成了熔融的金属结点,而这些结点在摩擦与磨损的机理上起主要作用。接触表面凹凸的存在使得板料和模具实际接触面积远远小于名义接触面积,板料与模具之间摩擦力的大小很大程度上受板料与模具表面真实接触面积大小的影响,故而对板料与模具表面之间接触模型的研究是建立正确摩擦模型的关键。板料表面形貌具有非稳定随机特性和粗糙度的多重尺度特性,分形理论能够透过无序的混乱现象和不规则的形态建立局部和整体之间的本质联系,粗糙表面的分形特性与尺度无关,可以提供存在于分形面上所有尺度范围内的全部粗糙度信息。分形理论已在摩擦学问题中得到应用,在粗糙表面的表征、磨损预测模型、摩擦温度分布以及磨屑定量分析等方面都取得了一定的进展[5,6,7]。张伟等[8]建立了基于统计学规律的铝合金板表面形貌的数学模型,该模型反映了铝合金板表面形貌的分布规律,这对于研究其表面的摩擦行为具有重要意义。
本文应用扫描探针显微镜对DP780板料表面形貌进行测量,根据板料表面形貌特点,建立其表面形貌模型,结合分形理论,确立了板料的表面分形特征和分形参数;根据板料和模具的实际接触状态,建立DP780板料和模具之间的分形接触模型,推导了板料成形时板料和模具表面的真实接触面积与接触法向载荷之间的计算公式。
1 DP780板料的表面形貌
DP780高强度钢板具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点,广泛用于需高强度、高抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的汽车零件中。根据其表面形貌建立客观真实的接触模型有利于研究其冲压成形过程中的摩擦特性。DP780高强钢板的表面形貌采用原子力显微镜DI nanoscope TV进行测量,在板料表面光洁无划痕的任意区域取100mm×100mm的试样,试样的一边平行于轧制方向,另一边垂直于轧制方向。测量点选取如图1所示,分别在1、2和3位置处取1个直径为10mm的圆形试样,沿平行和垂直于轧制方向测量其表面轮廓。
1.1DP780表面形貌的测量
沿垂直和平行轧制方向的采样长度均为0.1mm,采样间隔0.3μm。在区域1、2和3处垂直轧制方向测量的表面轮廓如图2～图4所示,平行轧制方向测量的表面轮廓如图5～图7所示,测量的板料三维轮廓形貌如图8所示。由于轧制使得板料具有明显的方向性,故板料在平行于轧制方向的粗糙度远远小于垂直纹路方向的粗糙度,约小一个数量级。因此,忽略平行纹路方向的粗糙度,并对其表面形貌做适当简化[9],DP780板料表面形貌模型可简化为图9所示。
1.2DP780表面形貌的分形特征
忽略平行轧制方向的粗糙度,垂直轧制方向的形貌是否具有分形特征,需验证表面轮廓曲线的结构函数与尺度的对数是否逼近直线函数,越逼近直线函数,板料的粗糙表面就越具有分形特征且分形特征越明显[10]。对DP780轮廓曲线采集点采用均方根法计算,轮廓采样长度为0.1mm,采样间隔Δt为0.3μm,轮廓仪采集的轮廓数据点标记为Z(xi)=Zi(i=0,1,2,…,N-1),令τ=nΔt(n=0,1,2,…,N-1),N为采集点的数量。结构函数为
2 DP780板料成形中的摩擦界面分形接触模型
2.1分形接触模型
冲压成形中板料和模具在法向力的作用下接触,模具表面光洁度和硬度远大于板料的光洁度和硬度,因此把板料和模具之间的接触简化为单向粗糙度的弹塑性表面和刚性平面的接触,如图11所示。按照简化的DP780表面形貌模型分析,接触面为不完全接触,接触面可认为是一系列不同宽度的矩形,表面轮廓在垂直轧制方向具有分形特征,矩形接触面的宽度在零到某一最大宽度值之间,矩形接触面的数量为无穷多,实际接触面积为所有矩形接触面积之和。
2.2单个接触面的弹塑性状态
将单个接触面简化为一平面与一半径为β的圆柱体接触,如图12所示。B为接触面平行轧制方向的宏观几何尺寸,l为在载荷作用下单个接触面矩形的宽度,β为接触点顶部的曲率半径,分形表面β的大小与接触尺寸l的大小密切相关[11]。β的表达式为
若用lc表示发生塑变处接触面的临界接触宽度,柱面发生塑性变形的简化判据为
其中,E′为摩擦接触表面的综合弹性模量,E′=E/(1-ν2);H为材料硬度。 l>lc,接触处的变形为弹性变形,l<lc,接触处的变形为塑性变形。临界接触宽度的大小取决于材料的物理性能及表面粗糙度分形参数D和G的大小,与外界载荷及宏观接触尺寸无关。
l>lc,弹性接触时,载荷与接触宽度B的关系为
l<lc,塑性接触时,载荷与接触宽度B的关系为
2.3理论接触面积
具有单向粗糙度的表面与平面接触点的尺寸分布如下[11]:
式中,ll为最大接触尺寸。
根据Majumdar和Bhushan指出的接触点尺寸分布规律,总的理论接触面积为
2.4理论接触面积与法向载荷
法向载荷等于每个接触点上分载荷之和[12],即
将式(1)～式(3)代入上式, 当D≠4/3时,载荷和真实接触面积之间的关系为
式(4)为量纲一参数表达式,量纲一参数P*对应于载荷,A*r对应于理论接触面积,G*对应于粗糙度的幅值参数,l*c对应于临界接触宽度,φc为接触塑变抗力因子。式(4)适用于垂直于轧制方向的轮廓粗糙度可以忽略,平行于轧制方向的轮廓具有分形特征的板料与光滑模具接触的情况。
2.5DP780板料在法向载荷下与模具的接触面积
试验中的板料和模具的理论接触长度和宽度(L×B)为50mm×20mm;DP780的分形维数D为1.75,分形尺寸系数G为0.0097mm;DP780的机械性能参数如表2所示。
根据DP780的机械性能和分形参数计算得
φc=4H/(π2E′)=0.001 784
G*=0.0097/20=0.000 485
P*=P/94 325 400 l*c=2.2368
g1(D)=-0.255 07 g2(D)=1.275 373
将这些参数值代入式(4),就计算出接触面积(mm)和法向载荷(N)之间的对应关系:
P=676 785A*0.875r-557 463A*0.25r(N) (5)
DP780板料和模具之间的接触面积和载荷之间的关系如图13所示。板料在轧制成形的过程中,表面的形貌取决于很多因素,如板材的厚度、轧制的形状、轧制力大小、轧制温度等,因此,建立的接触面积计算模型只适用于本文所研究的板料。
3 摩擦试验
采用1T伺服压力机研究板料在不同法向载荷下的摩擦,按照分形接触模型获得的真实接触面积计算出的摩擦因数和试验得出的摩擦因数如表3所示。基于分形理论计算得出的摩擦因数和试验测量值较为近似,并略小于试验值,这主要是因为计算公式中忽略了犁刨力的影响。
4 结束语
利用分形几何建立了计算冲压板接触面积的方法,在板料DP780表面形貌分形特征的基础上,建立了DP780板料和模具的弹塑性分形接触模型,确定了实际接触面积与法向载荷的关系。真实接触面积除了和法向载荷有关外,还与板料本身的机械性能和表面分形参数有关。
摘要：根据板料的表面轮廓特点,建立了基于分形理论的DP780板料表面形貌模型,在表面形貌模型的基础上建立了DP780板料和模具的弹塑性接触模型,该模型将模具视为刚性体,导出了板料与模具实际接触面积的计算公式,并确定了实际接触面积与法向载荷的关系。将分形接触模型应用于摩擦模型的建立中,能够获得更为真实的边界条件,可为板料成形数值模拟的准确性提供可靠的理论基础。
关键词：高强度钢板,表面形貌,分形,接触模型
参考文献
[1]Wihlborg A,Crafoord R.Steel Sheet Surface To-pography and Its Influence on Friction in a Bendingunder Tension Friction Test[J].International Jour-nal of Machine Tools&Manufacture,2001,41(13/14):1953-1959.
[2]Azushima A,Uda M,Kudo H.An Interpretationof the Speed Dependence of the Coefficient of Fric-tion under the Micro-PHL Condition in SheetDrawing[J].Annals of CIRP,1991,40(1):227-230.
[3]Bech J,Bay N,Eriksen M.A Study of Mechanismsof Liquid Lubrication in Metal Forming[J].Annalsof the CIRP,1998,47(1):221-226.
[4]Bech J,Bay N,Eriksen M.Entrapment and Escapeof Liquid Lubricant in Metal Forming[J].Wear,1999,232(2):134-139.
[5]葛世荣,朱华.摩擦学复杂系统及其问题的量化研究方法[J].摩擦学学报,2002,22(5):405-408.Ge Shirong,Zhu Hua.Complicate Tribological Sys-tems and Quantitative Study Methods of TheirProblems[J].Tribology,2002,22(5):405-408.
[6]陈海燕,王成国.分形理论及其在摩擦学研究中的应用[J].材料导报,2002,(12):6-8.Chen Haiyan,Wang Chengguo.Fractal Theory andIts Application in Triboiogical Research[J].Materi-als Review,2002,22(5):405-408.
[7]董霖.基于分形理论的弹塑性接触及磨合磨损预测模型的研究[D].成都:四川大学,2000.
[8]张伟,李志刚.铝合金板表面形貌模型的研究[J].中国机械工程,2007,18(4):492-495.Zhang Wei,Li Zhigang.Research on the Topogra-phy Model of Aluminum Alloy Sheet Surface[J].China Mechanical Engineering,2007,18(4):492-495.
[9]温诗铸.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社,1990.
[10]Majumdar A,Bhushan B.Role of Fractal Geome-try in Roughness Characterization and Contact Me-chanics of Surfaces[J].J.Tribol(ASME),1990,112:205-216.
[11]Majumdar A,Bhushan B.Fractal Model of Elastic-plastic Contact between Surfaces[J].J.Tribol(ASME),1991,113:1-11.