专利名称：一种拼焊管的胀形方法
技术领域：
本发明涉及一种管状结构件的胀形方法。
背景技术：
目前，管材液压成形技术在航空、航天和汽车制造业得到了愈来愈广泛 的应用，利用该工艺生产的各种空心变截面管件使结构更具轻量化。以汽车 底盘结构件为例，由于不同部位承担载荷不同，因此各部分强度、刚度的要 求不同。对于强度和刚度要求高的部位，可以通过改变截面形状和尺寸或采 用较高强度材料提高截面模量和抗弯、抗扭性能。
为了在增加构件承载能力的同时，不过多增加构件的质量，可以有两种 方法 一是可以将其设计成变厚度构件，即在需要较高强度和刚度的部位， 采用较大的厚度，在承载较小的部位，采用较小的厚度。例如制造汽车零件 时，根据载荷分布情况来设计零件壁厚，可使零件重量减轻33%。 二是可以 采用不同密度的材料制造异种材料拼焊结构件，如将铝合金与钢焊接，在强 度要求高的部位采用高强度材料，在承载小的部位采用铝合金等低密度低强 度材料。为此，与目前使用较多的拼焊板冲压技术相仿，提出了拼焊管成形 技术。目卩根据结构承载能力需要将厚度不同或强度、密度不同的管材拼焊 在一起，制造变强度的空心变截面结构件，这种零件与普通等厚度管材构件 相比，去除了多余的材料或部分使用轻质材料，既满足构件强度和刚度要求， 又减轻了结构重量，同时优化材料成本。
德国Mudar&Bender公司已有简单的拼焊管产品问世，产品被应用在一些 高级轿车上。与拼焊板成形相比，拼焊管成形属于一种较新的成形技术，目 前研究还处于起步阶段。葡萄牙学者通过数值模拟研究了铝合金差厚拼焊管 内高压成形中焊缝移动规律，并指出厚度比越大焊缝移动量越大。北京航空 航天大学对比研究了差厚拼焊管和等厚管轴向压缩时在能量吸收上的差别， 指出差厚管具有质量轻、吸能性好、初始峰值低等优点,在轻量化车身纵向吸 能结构设计方面，具有较为广泛的应用前景，并能提高汽车的被动安全性。
典型拼焊管结构如图l所示，即采用外径相等、壁厚不等的管材焊接获 得差厚拼焊管，薄管初始厚度为^厚管初始厚度为t2，将该拼焊管放入模
具中施加内压，通过胀形获得图2所示零件。
传统工艺方法如图3所示，将拼焊管材置于模具l中，在管材内施加内 压，使薄管、厚管同时胀形贴模。但是，拼焊管材在进行胀形时，由于管材 壁厚差异，较薄的部分先发生变形，而较厚的部分后发生变形，往往在薄管 基本贴模时，厚管才发生变形，由于薄管大部分已贴模，在厚管胀形时，厚 管将首先在焊缝附近发生膨胀，并使焊缝向厚管外端方向移动，使焊缝附近 的薄管局部(图2中的AB段)发生较大轴向伸长，易导致薄管接近焊缝的 部位(图2中的B点附近)发生局部减薄，从而在最终零件上形成一个环形 的薄弱部分，在零件使用过程中该处易产生应力集中，影响零件整体的疲劳 强度。研究表明，对于外径40mm， t尸1.4mm， t2=2.8mm的低碳钢拼焊管成 形，薄管B点减薄率比M点高5.2M，如图9所示，其中，减薄率为管材初 始厚度与变形后厚度的差值占初始厚度的百分比。
如果采用不同强度管材制成拼焊管坯，即使管坯壁厚相等，在胀形过程 中同样会存在上述问题，g卩低强度管材优先发生胀形，并在焊缝附近发生 较大的局部减薄，从而降低结构的强度，尤其是疲劳强度。
发明内容
本发明的目的是为解决现有在胀形过程中存在的低强度管材优先发生胀 形，并在焊缝附近发生较大的局部减薄，从而降低结构的强度，尤其是疲劳 强度的问题，提供一种拼焊管的胀形方法。
本发明的目的是这样实现的步骤一、先将初始管坯置入初始模具中， 合模后施加合模力，用两个冲头密封住初始管坯的两端，然后向初始管坯内 注入高压液体，初始模具将初始管坯的薄管或低强度管的外壁完全约束住， 并将厚管或高强度管靠近薄管或低强度管一侧的CD段同时进行约束，使厚 管或高强度管CD段以外的管段发生胀形，直至厚管或高强度管CD段以外 的管段贴模，获得中间形状工件；步骤二、将步骤一成形的中间形状工件放 入具有最终形状模腔的模具中，合模后施加合模力，用两个冲头密封住中间 形状工件的两端，向中间形状工件内注入高压液体，在内压作用下，薄管或 低强度管以及厚管或高强度管的CD段发生胀形变形，得到最终形状的拼焊 管。
本发明的方法在步骤二中拼焊管的变形过程中薄管或低强度管的中部先 贴模，然后，随着内压的增大，薄管或低强度管逐步贴模，且在步骤一中未 胀形的厚管或高强度管的CD段同时发生胀形，由于厚管或高强度管的大部 分已贴模，这一胀形过程中厚管或高强度管基本不会再向外端方向移动，焊 缝位置可基本不变，于是焊缝附近薄管或低强度管不会受到轴向拉应力作用， 避免了该部位局部减薄的缺陷。本发明避免了一步胀形时由于薄管或低强度 管优先变形导致的焊缝移动，以及焊缝附近薄管或低强度管的局部减薄，提 高了成形件的疲劳强度。
图1是背景技术中拼焊管胀形前的结构示意图，图2是背景技术中通过 胀形获得的拼焊管的结构示意图，图3是传统工艺方法将拼焊管材置于模具 中的示意图，图4是步骤一中的模具及拼焊管的示意图，图5是步骤一中加 工的拼焊管的结构示意图，图6是步骤二中的模具及拼焊管的示意图，图7 是步骤二中拼焊管二次胀形的示意图，图8是步骤二中加工的拼焊管的结构 示意图，图9是离焊缝距离的曲线图，图IO是减薄率分布曲线图，图ll是 不同偏移量的减薄率分布曲线图，图12是不同过渡角获得的减薄率分布曲线 图。
具体实施例方式
具体实施方式
一(参见图4 图8)本实施方式是这样实现的步骤一、 先将初始管坯4置入初始模具2中，合模后施加合模力，用两个冲头3密封 住初始管坯4的两端，然后向初始管坯4内注入高压液体，初始模具2将初 始管坯4的薄管或低强度管的外壁完全约束住，并将厚管或高强度管靠近薄 管或低强度管一侧的CD段同时进行约束，使薄管或低强度管在步骤一的胀 形过程中基本不变形，使厚管或高强度管CD段以外的管段发生胀形，直至 厚管或高强度管CD段以外的管段贴模，获得中间形状工件5;步骤二、将 步骤一成形的中间形状工件5放入具有最终形状模腔的模具1中，合模后施 加合模力，用两个冲头3密封住中间形状工件5的两端，向中间形状工件5
内注入高压液体，在内压作用下，薄管或低强度管以及厚管或高强度管的CD 段发生胀形变形，得到最终形状的拼焊管7。
具体实施方式
二(参见图5和图8)本实施方式中间形状工件5上的过 渡区DE段具有半锥角《的锥面过渡形状，《的取值应根据最终零件端部的 过渡半锥角A进行选取，a的范围为0.9 U々。以保证变形的均匀性。其它 与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三(参见图5和图8)本实施方式cc范围为1.0^。其它与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四(参见图4~图8)本实施方式的步骤一在中间形状工 件5的成形过程中，被初始模具2约束的厚管或高强度管靠近薄管或低强度 管一侧的CD段的长度为厚管或高强度管外径的10% 20%。其它与具体实 施方式一相同。
具体实施方式
五(参见图4~图8)本实施方式最终形状的拼焊管7最 大横截面外壁周长与初始管坯4初始截面外壁周长的比值为1.03 1.3。其它 与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六(参见图4~图8)本实施方式所采用的初始管坯4是 由同种材质不同厚度管材拼焊制成，薄管的厚度与厚管的厚度比值为0.5 0.9。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七(参见图4~图8)本实施方式所采用的初始管坯4是 不同材料和不同强度的管材拼焊制成，薄管或低强度管的屈服强度与厚管或 高强度管的屈服强度比值为0.5-0.9。其它与具体实施方式
一相同。
图10根据数值模拟给出传统一步成形和本发明分步成形获得的零件减 薄率分布曲线。可见， 一步成形由于未改变薄、厚管的变形顺序，胀形区内 减薄率分布变化很大。其中横坐标O点为焊缝中点，离焊缝距离越近薄管减 薄率越大、厚管减薄率越小。薄管最大减薄率达33.7%，厚管最大减薄率仅 22.2%，焊缝两侧壁厚减薄率出现突变。而采用本发明的分步成形方法，由 于变形顺序发生改变，成形后减薄率很均匀，薄、厚管最大减薄率均在 26% 27%之间，说明分步成形有效提高了变形均匀性，避免了局部减薄缺陷。
实施本发明的分步成形，需要确定图4所示初始模具2的形状和尺寸，
主要指」丄和"角，初始模具2的小直径部分的直径可按初始管坯4外径选 取。图4所示中间形状工件5的拐点D点的位置共有两种可能，分别为在薄 管上或厚管上。D点位置不同，焊缝的变形时刻不同当D点位于薄管上， 在第一步成形时薄管和焊缝都会发生变形，其变形情况与传统胀形情况相似， 不可采用；当D点位于厚管上，即焊缝被初始模具2的小直径一段约束住时， 焊缝在第一步成形过程中不发生变形，因此D点位置应置于厚管上。在此， 定义D点与焊缝的距离^丄为D点的偏移量，给出不同偏移量A L时获得的 减薄率分布曲线，可见么￡ = 7.5°/"时减薄率分布最为均匀^为管材初始外 径)；当A丄〉25Q/W时，厚管靠近焊缝区域出现减薄率为负值，这是因为厚管 在沿轴向严重受压严重时可能出现起皱缺陷。因此，D点的合理位置应取偏 移量A丄为管径的10%~20%的位置。
为了避免由中间形状工件5变形为最终形状的拼焊管7时薄管发生过大 减薄或在D点附近出现环向起皱问题，过渡角a应根据最终零件的々角来选 取。图12给出过渡角《分别取0.67々、1.0々和1.33〃时获得的减薄率分布曲 线，可见当过渡角cc为即《=^时减薄率分布最为均匀，这是因为 此时中间形状件5在第二步胀形过程中的胀形区长度与最终零件相应区域的 长度相等，没有附加的轴向伸长或压縮变形；《=0.67^时薄管减薄率增大， 厚管减薄率降低；《=1.33々时薄、厚管在靠近焊缝附件减薄率急剧增大，但 在离焊缝较远的中部位置减薄率反而降低，壁厚不均匀性加剧(其中"为角 度值，单位是"度")。
权利要求
1、一种拼焊管的胀形方法，其特征在于拼焊管的胀形方法是这样实现的步骤一、先将初始管坯(4)置入初始模具(2)中，合模后施加合模力，用两个冲头(3)密封住初始管坯(4)的两端，然后向初始管坯(4)内注入高压液体，初始模具(2)将初始管坯(4)的薄管或低强度管的外壁完全约束住，并将厚管或高强度管靠近薄管或低强度管一侧的CD段同时进行约束，使厚管或高强度管CD段以外的管段发生胀形，直至厚管或高强度管CD段以外的管段贴模，获得中间形状工件(5)；步骤二、将步骤一成形的中间形状工件(5)放入具有最终形状模腔的模具(1)中，合模后施加合模力，用两个冲头(3)密封住中间形状工件(5)的两端，向中间形状工件(5)内注入高压液体，在内压作用下，薄管或低强度管以及厚管或高强度管的CD段发生胀形变形，得到最终形状的拼焊管(7)。
2、 根据权利要求1所述的一种拼焊管的胀形方法，其特征在于中间形 状工件(5)上的过渡区DE段具有半锥角《的锥面过渡形状，cc的范围为0.9 l萃
3、 根据权利要求2所述的一种拼焊管的胀形方法，其特征在于《的范 围为1.0y9。
4、 根据权利要求1所述的一种拼焊管的胀形方法，其特征在于步骤一在中间形状工件(5)的成形过程中，被初始模具(2)约束的厚管或高强度 管靠近薄管或低强度管一侧的CD段的长度为厚管或高强度管外径的10% 20%。
5、 根据权利要求1所述的一种拼焊管的胀形方法，其特征在于最终形 状的拼焊管(7)最大横截面外壁周长与初始管坯(4)初始截面外壁周长的 比值为1.03 1.3。
6、 根据权利要求1所述的一种拼焊管的胀形方法，其特征在于所采用的初始管坯(4)是由同种材质不同厚度管材拼焊制成，薄管的厚度与厚管的 厚度比值为0.5 0.9。
7、 根据权利要求1所述的一种拼焊管的胀形方法，其特征在于所采弔 的初始管坯(4)是不同材料和不同强度的管材拼焊制成，薄管或低强度管的 屈服强度与厚管或高强度管的屈服强度比值为0.5~0.9。
全文摘要
一种拼焊管的胀形方法，它涉及一种管状结构件的胀形方法。本发明的目的是为解决现有在胀形过程中存在的低强度管材优先发生胀形，并在焊缝附近发生较大的局部减薄，从而降低结构的强度，尤其是疲劳强度的问题。本发明将步骤一成形的中间形状工件放入具有最终形状模腔的模具中，合模后施加合模力，用两个冲头密封住中间形状工件的两端，向中间形状工件内注入高压液体，在内压作用下，薄管或低强度管以及厚管或高强度管的CD段发生胀形变形，得到最终形状的拼焊管。本发明避免了一步胀形时由于薄管或低强度管优先变形导致的焊缝移动，以及焊缝附近薄管或低强度管的局部减薄，可提高管状成形件的疲劳强度。
文档编号B21D26/033GK101376146SQ20081013728
公开日2009年3月4日 申请日期2008年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者钢 刘, 王小松, 苑世剑 申请人:哈尔滨工业大学