CN113588541A - 一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，属于拼焊板特种成形工艺技术领域。本发明的试验方法操作简便，成本低，试验效率高。采用本发明涉及的一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置及试验方法进行试验时，所需操作步骤少、易于操作，对于每种拼焊板一般只需进行1‑3次试验即可，试验结果稳定，避免了反复试验，试验成本低。

Description

一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，属于拼焊板特种成形工艺技术领域。

背景技术

随着科技的进一步发展和社会的不断进步，结构轻量化对提高资源利用率，降低能耗和提高零部件的使用性能发挥着越来越重要的作用，已经成为当今制造业的发展趋势之一，而实现结构轻量化主要有材料和结构两种途径。结构途径指采用变厚度板或变截面等强构件代替等厚度板和等截面构件，既可以节约材料、减轻重量又充分利用了材料的强度和刚度，例如采取拼焊板技术。拼焊板是指通过焊接技术将两块或者两块以上厚度、性能或者表面涂层不同的板材连接在一起，然后进行成形的技术方法。拼焊板的应用可以充分发挥材料作用，大大减少资源浪费，成为结构轻量化的重要途径之一。

拼焊板充液成形技术是拼焊板成形技术和充液成形技术的综合运用，兼具了这两种先进成形技术的双重优点，能够极大的提高其成形性能，又能继承充液柔性成形的特点，成形精密复杂变厚度和空心变截面结构零件，是目前乃至未来实现零部件轻量化成形的重要手段，它的开发符合了社会发展的趋势，对它的研究具有十分重大的意义。

目前，国内外对拼焊板的传统冲压成形研究较多，而对于拼焊板的充液成形技术的研究还很少，而不同的试验方法，拼焊板的成形规律及变形机理又各不相同。由于拼焊板力学性能和所需的变形条件不一致，容易发生不均匀变形而产生大幅度的焊缝移动，在成形过程中极易产生破裂造成产品报废，因此需要对拼焊板充液成形性能及成形规律需要进一步研究，了解拼焊板充液成形的塑性变形特征，掌握拼焊板充液成形规律和变形机理，探讨该项技术的核心问题，为指导和控制拼焊板充液成形的应用奠定基础，为此本发明的一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置及试验方法，能够利用该试验装置及试验方法能够获得拼焊板充液成形性能及成形规律。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明公开一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置及试验方法，提供一种操作简单、易于实现的拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置及试验方法，能够利用该试验装置及试验方法能够获得拼焊板充液成形性能及成形规律。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，该方法的步骤包括：

步骤一，制备差厚拼焊板试样，拼焊板试样包括薄板和厚板，对薄板和厚板进行焊接，焊接完成后将拼焊板切割成圆形坯料；

步骤二，在步骤一得到的圆形坯料表面区域制作网格；

步骤三，在试验前对传感器、激光测距仪、双目视觉系统进行标定；

步骤四，将拼焊板放置到试验装置中；

步骤五，进行成形试验，步骤为：

5.1，试验前，取板厚比η_t、弦高比η_d为变量参数，当研究板厚差异对拼焊板的成形影响时，设定拼焊板的弦高比为η_d为定值；当研究焊缝位置对拼焊板的成形影响时，设定拼焊板的板厚比η_t为定值；

5.2，试验过程中，首先控制液压缸I、液压缸II、液压缸III，同时控制着左压边圈、右压边圈和挡板向上移动，然后将拼焊板放置在凹模套上，薄板放在凹模套的左侧上，在薄板和左压边圈中间增加垫板，来保证压边法兰的等厚度和等间隙；

5.3，控制液压缸I、液压缸II、液压缸III控制着左压边圈、右压边圈和挡板下行合模，然后增加液压缸I和液压缸III的压边力，保证胀形过程中不发生流动，并且保证液压缸I和液压缸III的压边力在充液成形过程中保持不变；

5.4，控制独立液压系统源II和独立液压系统源III，变换不同的径向压力II和径向压力III的大小，获得不同的径向压力对拼焊板充液成形规律的影响；

5.5，按照提前预设的充液压力大小的曲线控制独立液压系统源I从而控制充液压力的大小，向凹模套31内缓慢充液，随着充液时间的持续进行，差厚拼焊板成形程度不断增加，当成形达到其成形极限时差厚拼焊板发生破裂，成形过程中，充液压力的产生源I通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中，当破裂时，成形压力达到顶峰然后下降，其开裂压力值为成形压力的峰值；

步骤六，更换不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板，重复步骤5.1～5.5，获得不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板成形性能和成形规律研究；

步骤七，控制液压缸I和液压缸III，分别调节左压边圈和右压边圈上施加的压边力的大小，固定某一侧压边力，变换另一侧压边力的大小，重复步骤5.1～5.5，获得不同压边力对拼焊板成形性能和成形规律影响的研究；

步骤八，控制独立液压系统源II和独立液压系统源III，分别调节左侧的主动径向液压力和左侧的主动径向液压力的大小，固定某一侧主动径向液压力，变换另一侧主动径向液压力的大小，重复步骤5.1～5.5，获得不同主动径向液压力对拼焊板成形性能和成形规律影响的研究；

步骤九，根据步骤六-步骤八的结果，得到拼焊板的焊缝移动规律以及成形规律的曲线。

步骤一中，拼焊板的材料为钢、铝合金、镁合金或钛合金，制备时首先板材通过剪板机钣金下料，然后用化学除油和碱洗的方法对板材进行化学清洗，得到长方形的薄板、长方形的厚板，薄板和厚板的厚度在0.3mm～5mm之间。

步骤一中，拼焊板进行焊接时选用钨极氩弧焊、激光焊或电子束焊接方法进行焊接；

步骤二中，网格制作的方式选用人工喷漆或激光烧蚀的方式进行。

步骤二中，在圆形坯料表面的制作的网格应随机分布，网格线和板材原始表面对比度应明显，网格的制作范围应大于所测量变形区域，试样用酒精进行除油清洗，并利用打标机或者激光刻字机进行编号标记，并作好相应的记录。

步骤四中，试验装置包括底座、玻璃板、O形橡胶密封圈D、垫块、凹模套、O形橡胶密封圈A、独立液压系统源III、O形橡胶密封圈B、垫板、左压边圈、液压缸III、O形橡胶密封圈C、挡板、液压缸II、液压缸I、右压边圈、独立液压系统源I、独立液压系统源II、真空泵系统和成形规律测量系统；

O形橡胶密封圈D装在底座上，然后将高透光率的玻璃板放置在底座上，然后将垫块安装到底座上，O形橡胶密封圈A安装到垫块的密封槽内，凹模套安装到垫块上，安装完成后利用高压转接接头将独立液压系统源II和独立液压系统源III同凹模套连接起来，形成径向压力的产生源II和III，然后独立液压系统源II和独立液压系统源III通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中。

步骤四中，将左压边圈安装到液压缸III上和右压边圈安装到液压缸II上，并且调整好位置，将O形橡胶密封圈B装在左压边圈和右压边圈的密封沟槽里，安装完成后利用高压转接接头将独立液压系统源I同右压边圈连接起来，形成充液压力的产生源I，然后充液压力的产生源I通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中；将O形橡胶密封圈C安装到挡板的密封沟槽里形成挡板组件，然后将挡板组件安装到左压边圈和右压边圈形成的圆环里，最后将挡板组件连接到液压缸I上，液压缸I、液压缸II、液压缸III单独控制液压力的大小，并且通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中，同时独立液压系统源I、独立液压系统源II、独立液压系统源III分别通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中。垫板为半圆环的垫板，垫板的厚度为(t_h-t_b)mm。

薄板与厚板的板厚差异通过厚度比η_t来定量描述，板厚比等于厚板与薄板厚度之比：

η_t＝t_h/t_b

式中：t_b-薄板厚度，t_h-厚板厚度，板厚比的取值范围为η_t≥1，厚度比η_t越大，说明差厚拼焊板的板厚差异越大。

焊缝位置通过弦高比η_d来定量表示，等于拼焊板胀形区内薄板的弦高与胀形区直径之比：

η_d＝D_b/D₀

式中：D_b-薄板弦高，D₀-拼焊板胀形区直径，弦高比取值范围为0≤η_d≤1，当η_d＝1时，表示拼焊板完全为薄板，而当η_d＝0时，表示拼焊板完全为厚板，随着弦高比减小，薄板在拼焊板中所占比例减小。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明装置采用分块压边圈设计，每块压边圈上配置一个液压缸，每个液压缸分别给压边圈施加压边力，控制压边力大小，每个分块压边圈的压边力独立控制和调整，可灵活控制焊缝两侧板料上的压边力大小，同时满足不同尺寸(板厚比和弦高比)的拼焊板的压紧要求，既控制焊缝移动，又防止起皱，通过变化压边力能够满足不同压边力对成形规律影响的研究，同时，利用试验装置，分别调节左侧的主动径向液压力和左侧的主动径向液压力的大小，固定某一侧主动径向液压力，变换另一侧主动径向液压力的大小，能够获得不同主动径向液压力对拼焊板成形性能和成形规律影响的研究；

2、本发明试验装置采用模块化、组合式、可拆卸、更换式的结构。试验装置可以根据不同的实验条件更换不同的不同形式的压边圈和垫板，满足不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板，无需更换模具，可实现不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板成形性能和成形规律研究，大大的节约了成本；

3、本发明试验装置采用双目视觉系统和激光测距仪通过获得拼焊板充液成形过程中的摄像机拍摄的变形图像，经过图像预处理、特征提取、立体匹配和时序匹配以及三维重建等工作，对被测试样三维信息进行求解，实现试样在时序上的三维跟踪，完成对拼焊板充液成形过程中的应变测量。

4、本发明试验装置采用了计算机为控制核心的、基于单片机和计算机总线接口的数据采集系统，能够实现拼焊板充液成形过程中变形数据的实时、高精度的采集，同时将液压缸压力及胀形高度等测量结果及时传输到数据采集系统中，确保各个测量数据在时序上的精确统一，保证了各种测量数据的精确性。

5、本发明的试验方法操作简便，成本低，试验效率高。采用本发明涉及的一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置及试验方法进行试验时，所需操作步骤少、易于操作，对于每种拼焊板一般只需进行1-3次试验即可，试验结果稳定，避免了反复试验，试验成本低。

附图说明

图1为拼焊板主要参数表示示意图；

图2为本发明的一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置示意图；

图3为本发明的一种研究拼焊板充液成形性能及成形试验工艺流程图；

图4为拼焊板网格示意图；

图5为板厚比对极限胀形高度的影响(ηd＝0.5)；

图6为焊缝位置对极限胀形高度的影响(ηt＝1.5)；

图7为板厚差异对拼焊板焊缝移动的影响规律；

图8为板厚差异对焊缝最大移动量的影响规律。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置涉及一种拼焊板，拼焊板是指通过焊接技术将两块或者两块以上厚度、性能或者表面涂层不同的板材连接在一起的板材，主要由薄板、厚板和焊缝组成，其主要参数示意图如图1所示；

薄板和厚板的板厚差异和拼焊板的焊缝位置是表征拼焊板成形的两个基本物理量。板厚差异是差厚拼焊板区别于等厚拼焊板的最重要的特征，而焊缝位置是与拼焊板液压胀形过程中的应力、应变状态密切相关的，是影响差厚拼焊板塑性变形特征的主要参数之一。

图1所示为拼焊板主要参数表示示意图。从图中可以看出，薄板与厚板的板厚差异可通过厚度比η_t来定量描述。板厚比等于厚板与薄板厚度之比：

η_t＝t_h/t_b

式中：t_b-薄板厚度，t_h-厚板厚度。板厚比的取值范围为η_t≥1。厚度比η_t越大，说明差厚拼焊板的板厚差异越大。焊缝初始位置(简称焊缝位置)直接决定薄板与厚板在板坯中所占的比例，是影响差厚拼焊板液压成形的一个重要的因素。当焊缝位置发生变化时，厚板的弦高(D_h)和薄板的弦高(D_b)也随之变化，在总的成形直径不变的前提下，薄板的弦高(D_b)与拼焊板成形直径的比值必然发生相应的变化，焊缝位置可以通过弦高比η_d来定量表示，其等于拼焊板胀形区内薄板的弦高与胀形区直径之比：

η_d＝D_b/D₀

式中：D_b-薄板弦高，D₀-拼焊板胀形区直径。弦高比取值范围为0≤η_d≤1。当η_d＝1时，表示拼焊板完全为薄板。而当η_d＝0时，表示拼焊板完全为厚板。随着弦高比减小，薄板在拼焊板中所占比例减小。不同的板厚比和不同的焊缝位置，拼焊板充液成形性能及成形规律均不一样，为此本发明的一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置及试验方法，能够利用该试验装置及试验方法能够获得不同状态下的拼焊板充液成形性能及成形规律。

一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置，该试验装置采用分块压边圈设计，每块压边圈上配置一个液压缸，每个液压缸分别给压边圈施加压边力，控制压边力大小，每个分块压边圈的压边力独立控制和调整，可灵活控制焊缝两侧板料上的压边力大小，同时满足不同尺寸(板厚比和弦高比)的拼焊板的压紧要求，既控制焊缝移动，又防止起皱，通过变化压边力能够满足不同压边力对成形规律影响的研究，试验装置采用模块化、组合式、可拆卸、更换式的结构。试验装置可以根据不同的实验条件更换不同的不同形式的压边圈和垫板，满足不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板，无需更换模具，可实现不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板成形性能和成形规律研究，大大的节约了成本；其图如图2所示。

一种研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置，整套装置采用模块化、组合式、可拆卸、更换式的结构，模块可根据不同板厚比的差厚拼焊板进行调节和更换。包括底座35、高透光率的玻璃板34、O形橡胶密封圈D33、垫块32、凹模套31、O形橡胶密封圈A30、独立液压系统源III29、充液接口III28、进液通道III27、O形橡胶密封圈B26、垫板25、左压边圈24、液压缸III23、O形橡胶密封圈C22、挡板21、液压缸II20、拼焊板19、液压缸I18、进液通道I17、右压边圈15、充液接口I14、独立液压系统源I13、进液通道II12、充液接口II11、独立液压系统源II10、出液通道9、出液通道接口8、真空泵系统7、计算机系统6、数据采集系统5、连接线缆4、LED充电光源3、双目视觉系统2和激光测距仪1；

底座35上方开有密封沟槽，密封沟槽放置O形橡胶密封圈D33后，然后依次将高透光率的玻璃板34和垫块32放置到底座35上进行密封，用于成形过程中充液液体的密封。高透光率的玻璃板34，要求可见光透过率大于90％，便于视频装置透过高透光率的玻璃板34记录成形过程。

垫块32右侧面开有与真空泵系统7相结合的真空泵系接口8及高压液体的出液通道9，当拼焊板19胀破流出的的液体和气体可由真空泵系统7快速的通过出液通道9抽出，接口8与真空泵系统7的接头之间采用密封垫片和锥面复合式密封。

垫块32的上方开有密封沟槽，密封沟槽放置O形橡胶密封圈开有密封沟槽，密封沟槽放置O形橡胶密封圈A30后，将凹模套31放置到垫块32上进行密封，用于成形过程中充液液体的密封。

凹模套31左侧开有与独立液压系统源III29相结合的充液接口III28及高压液体的进液通道III27，充液接口III28与进液通道III27的接头之间采用密封垫片和锥面复合式密封，独立液压系统源III29生成的主动径向高压液体，通过独立的液压控制系统控制，经过进液通道27进入拼焊板左侧的充液室，将液体的主动径向压力施加到拼焊板的左侧的外周，主动径向压力通过单独的液压缸独立进行控制和调整，通过单独控制左侧的主动径向液压力的大小，从而控制拼焊板薄厚侧法兰区的材料流动进而控制拼焊板的成形，进而控制拼焊板塑性变形特征；

凹模套31右侧开有与独立液压系统源II10相结合的充液接口11及高压液体的进液通道12，充液接口11与进液通道12的接头之间采用密封垫片和锥面复合式密封，独立液压系统源II10生成的主动径向高压液体，通过独立的液压控制系统控制，经过进液通道12进入拼焊板左侧的充液室，将液体的主动径向压力施加到拼焊板的右侧的外周，主动径向压力通过单独的液压缸独立进行控制和调整，通过单独控制右侧的主动径向液压力的大小，控制拼焊板薄厚侧法兰区的材料流动进而控制拼焊板的成形，进而控制拼焊板塑性变形特征；

拼焊板17由薄板17-I、厚板17-III和焊缝17-II组成，将拼焊板17放置到凹模套31上，将焊缝焊缝17-II放置在中央，在薄板和左压边圈24的中间增加垫板25，来保证压边法兰的等厚度，垫板25为半圆环的垫板，垫板25形状如图3所示，厚度为(t_h-t_b)mm，在拼焊板上印制如图4所示的网格；

左压边圈24为半圆环结构，圆环内部开有O形密封圈沟槽，用于安装O形橡胶密封圈C22，用于同挡板21之间的密封，外侧开有O形密封圈沟槽，安装O形橡胶密封圈B26，用于独立液压系统源III27生成的主动径向高压液体的密封，左压边圈24下方直接安装到拼焊板17的薄板17-I侧的上方的垫板25的上方，左压边圈24上方直接跟液压缸III23连接，液压缸III23可以直接控制加载到左压边圈24的压边力的大小。

右压边圈15为半圆环结构，圆环内部为密封面，同挡板21侧面安装的形橡胶密封圈C22之间的密封，外侧开有O形密封圈沟槽，安装O形橡胶密封圈B26，用于独立液压系统源II10生成的主动径向高压液体的密封，右压边圈15下方直接安装到拼焊板17的厚板17-III侧的上方，右压边圈15上方直接跟液压缸I18连接，液压缸I18可以直接控制加载到右压边圈15的压边力的大小。

左压边圈24和右压边圈15组成了圆环，半圆环的侧面开有密封槽，用于左压边圈24和右压边圈15之间缝隙的密封，挡板21外侧开有O形密封圈沟槽，安装O形橡胶密封圈C22后，然后安装到左压边圈24和右压边圈15组成的圆环的内腔中，挡板21上方直接跟液压缸II20连接，用于控制挡板21所在的位置。

右压边圈15右侧开有与独立液压系统源I13相结合的充液接口I14及高压液体的进液通道I16，充液接口I14与进液通道I16的接头之间采用密封垫片和锥面复合式密封，独立液压系统源I13生成的胀形的高压液体，通过独立的液压控制系统控制，经过充液接口I14和进液通道I16进入由左压边圈24、右压边圈15、挡板21和拼焊板17共同组成的高压充液室，然后在高压充液室内将高压液体的压力直接施加到拼焊板17的上方，压力通过独立液压系统源I13独立进行控制和调整，可以控制高压充液压力的大小，从而控制拼焊板17的成形，进而控制拼焊板塑性变形特征；

垫块32的右侧开有与真空泵系统7相结合的出液接口8及高压液体的出液通道9，出液接口8与出液接口8的接头之间采用密封垫片和锥面复合式密封。真空泵系统的数据通过数据传输线缆4传输到数据采集系统5中。底座35中央以及高透光率的玻璃板34的下方，安装成形规律测量系统，成形规律测量系统主要由激光测距仪1、双目视觉系统2、LED充电光源3、数据传输线缆4、数据采集系统5、计算机系统6组成。数据采集系统5是以计算机为控制核心的、基于单片机和计算机总线接口设计的。电路上采用了高分辨率的AD转换芯片设计了数模转换电路，运用了数字滤波方法对采集的力信号进行了滤波处理，使采集系统具有较高的可靠性和集成度，用于完成力信号数据实时、高精度的采集。

测量系统对拼焊板17受液压胀形过程中变形量数据的采集是通过双目视觉系统2对拼焊板17变形图像的采集实现的。双目视觉系统2为非接触式光学测量系统，采用数字图像处理技术获取拼焊板在充液成形过程表面的三维几何和各点相对位移，实现对拼焊板17充液成形过程进行动态监控，获得拼焊板17实时的焊缝移动规律数据和用于计算拼焊板7成形规律的应变数据，通过传输线缆4实时上传到数据采集系统5上，同时独立液压系统源I13径向液压力的数据、独立液压系统源II10充液成形力和独立液压系统源III29径向液压力的数据通过传输线缆4实时上传到数据采集系统5上，另一方面，激光测距仪1可以实时测量拼焊板胀形过程中的位移，实现了非接触、快速的胀形高度的测量，激光测距仪1的数据通过传输线缆4也实时上传到数据采集系统5中。确保最终计算得到的应力和应变在时序上能够精确统一，保证了焊缝移动规律及成形规律准确性。

本发明还提供了利用上述装置的研究拼焊板充液成形性能及成形规律的试验装置及试验方法，用于研究拼焊板充液成形性能及成形规律，其试验过程主要包括如下步骤：

步骤一、差厚拼焊板试样准备，进行差厚拼焊板的制备，制备的拼焊板的材料为钢、铝合金、镁合金、钛合金等材料，下面对差厚拼焊板的制备步骤进行详细描述：

1.1、首先板材通过剪板机钣金下料，然后用化学除油和碱洗的方法对板材进行化学清洗，得到长方形的薄板、长方形的厚板，薄板和厚板的厚度在0.3mm～5mm之间；

1.2、利用焊接设备对长方形的薄板和厚板进行焊接，获得不同规格差厚拼焊板19，焊接设备根据材料的焊接特性选用钨极氩弧焊、激光焊、电子束等焊接方法；

1.3、根据试验装置的尺寸，然后通过线切割方式切割差厚拼焊板为圆形坯料；

制作的圆形坯料要求：1)应保证制作的圆形坯料边缘无裂纹；2)制备不同尺寸和凡何形状的试样，且每种类型的试样不少于3个，同等条件下每个试验做三次实验，取三次试验的平均值，作为最终实验结果。其实验步骤如下：

步骤二、在所需要测量的圆形坯料表面区域制作网格，网格制作的方式可以选用人工喷漆、激光烧蚀的方式进行。网格的形状如图4所示。在圆形坯料表面的制作的网格应随机分布，网格线和板材原始表面对比度应明显，网格的制作范围应大于所测量变形区域，试样用酒精进行除油清洗，并利用打标机或者激光刻字机进行编号标记，并作好相应的记录。

步骤三、在实验前对测量的仪器进行标定，保证测量数据的正确性。

3.1、实验前对传感器和激光测距仪进行标定，以获得拉力输出模拟量对应的载荷大小与数字量间的比例关系。

3.2、在双相机和光源装置固定好后对该双目视觉系统进行离线标定，以确定双相机各自的内部参数和两相机之间的外部参数，用于后续的三维重建和应变计算；

步骤四、安装试验装置，将差厚拼焊板放置到试验装置中，下面对安装步骤进行详细描述：

4.1O形橡胶密封圈D33装在底座35上，然后将高透光率的玻璃板34放置在底座35上，然后将垫块32安装到底座35上，O形橡胶密封圈A30安装到垫块32的密封槽内，凹模套31安装到垫块32上，安装完成后利用高压转接接头将独立液压系统源II10和独立液压系统源III29同凹模套31连接起来，形成径向压力的产生源II和III，然后独立液压系统源II10和独立液压系统源III通过数据线缆4跟数据采集系统5相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统5中；

4.2将步骤一制造完成的差厚拼焊板坯料17放置在凹模套31上，差厚拼焊板17具有阶梯表面的一面向上，薄板侧17-I放在凹模套31的左侧上，在薄板和左压边圈24中间增加垫板25，来保证压边法兰的等厚度和等间隙，垫板25形状如图3所示，厚度为(t_h-t_b)mm

4.3将LED充电光源3、双目视觉系统2和激光测距仪1分别安装到试验平台上，双目视觉系统2和激光测距仪1的信号输出端分别与数据采集系统5相连，数据同步采集系统5连接到计算机系统6中。真空泵系统7同样也通过线缆同数据采集系统5相连，系统的数据能够实时上传到数据采集系统5中。

4.4将步骤4.2安装完成的部件，放置到步骤4.3组成的成形规律测量系统上，将成形规律测量系统放置到底座35的中央，高透光率的玻璃板34的下方。

4.5将左压边圈24安装到液压缸III23上和右压边圈15安装到液压缸II20上，并且调整好位置，将O形橡胶密封圈B26装在左压边圈24和右压边圈15的密封沟槽里，安装完成后利用高压转接接头将独立液压系统源I13同右压边圈15连接起来，形成充液压力的产生源I，然后充液压力的产生源I通过数据线缆4跟数据采集系统5相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统5中；

4.6将O形橡胶密封圈C22安装到挡板21的密封沟槽里形成挡板组件，然后将挡板组件安装到左压边圈24和右压边圈15形成的圆环里，最后将挡板组件连接到液压缸I18上。液压缸I18、液压缸II20、液压缸III23单独控制液压力的大小，并且通过数据线缆4跟数据采集系统5相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统5中。同时独立液压系统源I13、独立液压系统源II10、独立液压系统源III29分别通过数据线缆4跟数据采集系统5相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统5中。

步骤五、成形试验，下面对成形试验步骤进行详细描述

5.1试验中分别取板厚比η_t、弦高比η_d为变量参数，研究拼焊板板厚差异和焊缝位置对拼焊板开裂压力、极限胀形高度和焊缝移动的影响规律。当研究板厚差异对拼焊板的成形影响时，需设定拼焊板的弦高比为η_d为定值；当研究焊缝位置对拼焊板的成形影响时，需设定拼焊板的板厚比η_t为定值。

5.2在实验过程中，首先控制液压缸I18、液压缸II20、液压缸III23，同时控制着左压边圈24、右压边圈15和挡板21向上移动，然后将步骤一制作好的差厚拼焊板17放置在凹模套31上，差厚拼焊板17具有阶梯表面的一面向上，薄板侧17-I放在凹模套31的左侧上，在薄板和左压边圈24中间增加垫板25，来保证压边法兰的等厚度和等间隙，垫板25形状如图3所示，厚度为(t_h-t_b)mm

5.3控制液压缸I18、液压缸II20、液压缸III23控制着左压边圈24、右压边圈15和挡板21下行合模，然后增加液压缸I18和液压缸III23的压边力，保证胀形过程中不发生流动，并且保证液压缸I18和液压缸III23的压边力在充液成形过程中保持不变；

5.4控制独立液压系统源II10和独立液压系统源III29从而控制径向压力的产生源II和III，使其处于一个定值，根据试验的情况，可以变换不同的径向压力II和径向压力III的大小，获得不同的径向压力对差厚拼焊板充液成形规律的影响。

5.5按照提前预设的充液压力大小的曲线控制独立液压系统源I13从而控制充液压力的大小，向凹模套31内缓慢充液，为保证试验结果的可比较性，每次充液的时间、频率和变形速率尽可能稳定，实际充液压力大小与时间的曲线与预设的充液压力大小的曲线一致。随着充液时间的持续进行，差厚拼焊板成形程度不断增加，当成形达到其成形极限时差厚拼焊板发生破裂，成形过程中，充液压力的产生源I通过数据线缆4跟数据采集系统5相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统5中，当破裂时，成形压力达到顶峰然后下降，其开裂压力值为成形压力的峰值。实验过程中，激光测距仪1差厚拼焊板胀形的高度，实时传输到数据采集系统5中，在充液的同时，需要开启装置的真空泵系统7，将凹模套31、垫块32、高透光率的玻璃板34和差厚拼焊板17形成的空腔里的气体和液体实时排除，并将数据信息实时上传到数据采集系统中。成形完成后控制液压缸I18、液压缸II20、液压缸III23，控制着左压边圈24、右压边圈15和挡板21向上移动，移到安全位置后，关闭设备取出成形后的试样；

步骤六、利用本发明的试验装置的模块化、组合式、可拆卸、更换式的结构，根据不同的实验条件更换不同的不同形式的压边圈和垫板，然后更换不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板，重复步骤5.1～5.5，获得不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板成形性能和成形规律研究；

步骤七、利用试验装置，控制液压缸I18和液压缸III23，分别调节左压边圈24和右压边圈15上施加的压边力的大小，固定某一侧压边力，变换另一侧压边力的大小，重复步骤5.1～5.5，获得不同压边力对拼焊板成形性能和成形规律影响的研究；

步骤八、利用试验装置，控制独立液压系统源II10和独立液压系统源III29，分别调节左侧的主动径向液压力和左侧的主动径向液压力的大小，固定某一侧主动径向液压力，变换另一侧主动径向液压力的大小，重复步骤5.1～5.5，获得不同主动径向液压力对拼焊板成形性能和成形规律影响的研究；

步骤九、成形试验后数据处理

成形试验结束后，计算机系统6上的数据处理软件对数据采集系统获取成形过程中的数据进行处理，然后导出后再进行处理，最终获得差厚拼焊板的焊缝移动规律以及成形规律的曲线。

实施例

试验中分别取板厚比η_t、弦高比η_d为变量参数，研究拼焊板板厚差异和焊缝位置对拼焊板开裂压力、极限胀形高度和焊缝移动的影响规律。如表1所示，板厚比共取五种情况，分别为η_t＝3:1.5＝2.0、η_t＝3:1.8＝1.67、η_t＝3:2＝1.5、η_t＝3:2.3＝1.3和η_t＝3:2.5＝1.2，焊缝位置共取五种情况，分别为η_d＝0.18、η_d＝0.32、η_d＝0.5、η_d＝0.68和η_d＝0.82。当研究板厚差异对拼焊板的成形影响时，需设定拼焊板的弦高比为η_d＝0.5为定值，即焊缝位于拼焊板的中央；当研究焊缝位置对拼焊板的成形影响时，需设定拼焊板的板厚比η_t＝1.5为定值，其详细研究方案如表2所示。

5.1试验中分别取板厚比η_t、弦高比η_d为变量参数，研究拼焊板板厚差异和焊缝位置对拼焊板开裂压力、极限胀形高度和焊缝移动的影响规律。当研究板厚差异对拼焊板的成形影响时，需设定拼焊板的弦高比为η_d＝0.5为定值，即焊缝位于拼焊板的中央；当研究焊缝位置对拼焊板的成形影响时，需设定拼焊板的板厚比η_t＝1.5为定值，其详细研究方案如表2所示。

表1拼焊板液压胀形影响参数表

表2研究方案

本实验中的拼焊板采用氩弧焊焊接的方式焊接而成，焊接完成后打磨完焊缝，然后采用激光切割的方式切割成相同直径为Φ220mm的圆坯，同等条件下每个试样做三次实验，取三个试样的平均值，作为最终实验结果。

为了详细研究板厚差异对差厚拼焊板极限胀形高度的影响规律，分析了焊缝位置为中央的不同板厚差异对极限胀形高度的影响规律。图5所示为拼焊板极限胀形高度随板厚比的变化趋势，图6所示为焊缝位置对极限胀形高度的影响(ηt＝1.5)；

从焊缝位于拼焊板的中央，不同板厚比的差厚拼焊板(η_t＝2.0、η_t＝1.67、η_t＝1.5、η_t＝1.3和η_t＝1.2)的液压胀形实验结果，从图中可以看出，不同板厚比的差厚拼焊板的胀形的结果是不相同的，其中最为明显的为拼焊板的胀形高度不同。

当板厚比η_t＝3:2＝1.5时，不同焊缝位置的拼焊板(η_d＝0.18、η_d＝0.32、η_d＝0.5、η_d＝0.68和η_d＝0.82)的液压胀形实验结果，从图中可以看出，不同焊缝位置的拼焊板的成形结果是不相同的，其中最为明显的也是拼焊板的极限胀形高度不同。

为了研究板厚差异对焊缝移动的影响规律，对焊缝位于拼焊板中央的不同板厚比(η_t＝2.0、η_t＝1.67、η_t＝1.5、η_t＝1.3和η_t＝1.2)的铝合金差厚拼焊板充液成形进行了有限元模拟，分析了拼焊板胀形高度为15mm时的焊缝移动规律。图7所示为不同板厚比对差厚拼焊板液压胀形焊缝移动的影响规律，图8所示为板厚比对差厚拼焊板焊缝最大移动量影响规律。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于该方法的步骤包括：

步骤一，制备差厚拼焊板试样，拼焊板试样包括薄板和厚板，对薄板和厚板进行焊接，焊接完成后将拼焊板切割成圆形坯料；

步骤二，在步骤一得到的圆形坯料表面区域制作网格；

步骤三，在试验前对传感器、激光测距仪、双目视觉系统进行标定；

步骤四，将拼焊板放置到试验装置中；

步骤五，进行成形试验，步骤为：

5.1，试验前，取板厚比η_t、弦高比η_d为变量参数，当研究板厚差异对拼焊板的成形影响时，设定拼焊板的弦高比为η_d为定值；当研究焊缝位置对拼焊板的成形影响时，设定拼焊板的板厚比η_t为定值；

5.2，试验过程中，首先控制液压缸I、液压缸II、液压缸III，同时控制着左压边圈、右压边圈和挡板向上移动，然后将拼焊板放置在凹模套上，薄板放在凹模套的左侧上，在薄板和左压边圈中间增加垫板，来保证压边法兰的等厚度和等间隙；

5.3，控制液压缸I、液压缸II、液压缸III控制着左压边圈、右压边圈和挡板下行合模，然后增加液压缸I和液压缸III的压边力，保证胀形过程中不发生流动，并且保证液压缸I和液压缸III的压边力在充液成形过程中保持不变；

5.4，控制独立液压系统源II和独立液压系统源III，变换不同的径向压力II和径向压力III的大小，获得不同的径向压力对拼焊板充液成形规律的影响；

5.5，按照提前预设的充液压力大小的曲线控制独立液压系统源I从而控制充液压力的大小，向凹模套31内缓慢充液，随着充液时间的持续进行，差厚拼焊板成形程度不断增加，当成形达到其成形极限时差厚拼焊板发生破裂，成形过程中，充液压力的产生源I通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中，当破裂时，成形压力达到顶峰然后下降，其开裂压力值为成形压力的峰值；

步骤六，更换不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板，重复步骤5.1～5.5，获得不同板厚比和不同位置焊缝的拼焊板成形性能和成形规律研究；

步骤七，控制液压缸I和液压缸III，分别调节左压边圈和右压边圈上施加的压边力的大小，固定某一侧压边力，变换另一侧压边力的大小，重复步骤5.1～5.5，获得不同压边力对拼焊板成形性能和成形规律影响的研究；

步骤八，控制独立液压系统源II和独立液压系统源III，分别调节左侧的主动径向液压力和左侧的主动径向液压力的大小，固定某一侧主动径向液压力，变换另一侧主动径向液压力的大小，重复步骤5.1～5.5，获得不同主动径向液压力对拼焊板成形性能和成形规律影响的研究；

步骤九，根据步骤六-步骤八的结果，得到拼焊板的焊缝移动规律以及成形规律的曲线。

2.根据权利要求1所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

步骤一中，拼焊板的材料为钢、铝合金、镁合金或钛合金，制备时首先板材通过剪板机钣金下料，然后用化学除油和碱洗的方法对板材进行化学清洗，得到长方形的薄板、长方形的厚板，薄板和厚板的厚度在0.3mm～5mm之间。

3.根据权利要求1所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

步骤一中，拼焊板进行焊接时选用钨极氩弧焊、激光焊或电子束焊接方法进行焊接。

4.根据权利要求1所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

步骤二中，网格制作的方式选用人工喷漆或激光烧蚀的方式进行。

5.根据权利要求1所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

步骤二中，在圆形坯料表面的制作的网格应随机分布，网格线和板材原始表面对比度应明显，网格的制作范围应大于所测量变形区域，试样用酒精进行除油清洗，并利用打标机或者激光刻字机进行编号标记，并作好相应的记录。

6.根据权利要求1所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

步骤四中，试验装置包括底座、玻璃板、O形橡胶密封圈D、垫块、凹模套、O形橡胶密封圈A、独立液压系统源III、O形橡胶密封圈B、垫板、左压边圈、液压缸III、O形橡胶密封圈C、挡板、液压缸II、液压缸I、右压边圈、独立液压系统源I、独立液压系统源II、真空泵系统和成形规律测量系统；

O形橡胶密封圈D装在底座上，然后将高透光率的玻璃板放置在底座上，然后将垫块安装到底座上，O形橡胶密封圈A安装到垫块的密封槽内，凹模套安装到垫块上，安装完成后利用高压转接接头将独立液压系统源II和独立液压系统源III同凹模套连接起来，形成径向压力的产生源II和III，然后独立液压系统源II和独立液压系统源III通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中。

7.根据权利要求6所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

步骤四中，将左压边圈安装到液压缸III上和右压边圈安装到液压缸II上，并且调整好位置，将O形橡胶密封圈B装在左压边圈和右压边圈的密封沟槽里，安装完成后利用高压转接接头将独立液压系统源I同右压边圈连接起来，形成充液压力的产生源I，然后充液压力的产生源I通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中；将O形橡胶密封圈C安装到挡板的密封沟槽里形成挡板组件，然后将挡板组件安装到左压边圈和右压边圈形成的圆环里，最后将挡板组件连接到液压缸I上，液压缸I、液压缸II、液压缸III单独控制液压力的大小，并且通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中，同时独立液压系统源I、独立液压系统源II、独立液压系统源III分别通过数据线缆跟数据采集系统相连，将液压缸压力数据实时上传到数据采集系统中。

8.根据权利要求7所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

垫板为半圆环的垫板，垫板的厚度为(t_h-t_b)mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

薄板与厚板的板厚差异通过厚度比η_t来定量描述，板厚比等于厚板与薄板厚度之比：

η_t＝t_h/t_b

式中：t_b-薄板厚度，t_h-厚板厚度，板厚比的取值范围为η_t≥1，厚度比η_t越大，说明差厚拼焊板的板厚差异越大。

10.根据权利要求1所述的一种用于拼焊板充液成形性能及成形规律的试验方法，其特征在于：

焊缝位置通过弦高比η_d来定量表示，等于拼焊板胀形区内薄板的弦高与胀形区直径之比：

η_d＝D_b/D₀

式中：D_b-薄板弦高，D₀-拼焊板胀形区直径，弦高比取值范围为0≤η_d≤1，当η_d＝1时，表示拼焊板完全为薄板，而当η_d＝0时，表示拼焊板完全为厚板，随着弦高比减小，薄板在拼焊板中所占比例减小。

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