金属薄板成形性能与试验方法--扩孔试验

第16卷第5期精密成形工程2024年5月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING55 316L不锈钢薄板焊缝成形及力学性能研究刁亚龙a，师文庆a,b*，程才a，贾东贺c，张冰青a（广东海洋大学 a.电子与信息工程学院 b.材料科学与工程学院c.船舶与海运学院，广东湛江 524088）摘要：目的减少1 mm厚度316L不锈钢薄板在焊接生产过程中出现的缺陷等问题，并提高不锈钢薄板焊缝成形质量和焊接接头力学性能。

方法采用脉冲激光焊接技术实现对厚度1 mm的316L不锈钢薄板的精确焊接，并利用金相显微镜、维氏硬度计、万能拉伸试验机和扫描电镜对焊缝的表面形貌、微观结构、力学性能、断口形貌进行表征分析。

结果当激光功率为403 W、输出电流为150 A、焊接速度为150 mm/min、离焦量为−5.525 mm时，焊缝正反面的形貌规则无缺陷。

焊缝区内的微观结构主要由δ-铁素体和奥氏体2种晶粒构成，相较于母材及热影响区，焊缝区晶粒尺寸更细小均匀，平均硬度为156HV，表现出更高的硬度特性。

焊接接头的抗拉强度和屈服强度均值分别达到643.28 MPa和305.95 MPa，相对于母材的强度分别提高了7%和49%；平均断后伸长率为37.2%，达到原始母材伸长率的55%；断裂呈现韧性断裂的塑性变形和延展性特征。

结论优化调整焊接工艺参数后，1 mm厚度316L不锈钢薄板的焊缝成形质量提高，无缺陷且微观组织分布均匀，焊接接头强度显著提高。

关键词：激光焊接；316L不锈钢薄板；焊缝形貌；微观组织；力学性能DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.05.007中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)05-0055-07Forming and Mechanical Properties of Welds in 316L Stainless Steel SheetDIAO Yalong a, SHI Wenqing a,b*, CHENG Cai a, JIA Donghe c, ZHANG Bingqing a(a. College of Electronic and Information Engineering, b. College of Materials Science and Engineering,c. College of Shipping and Maritime Transport, Guangdong Ocean University, Guangdong Zhanjiang 524088, China)ABSTRACT: The work aims to reduce problems such as defects in the welding production process of 316L stainless steel sheet with a thickness of 1 mm, and to improve the weld forming quality of stainless steel sheet and the mechanical properties of its welded joints. Pulsed laser welding technology was used to accurately weld 316L stainless steel sheet with a thickness of 1 mm, and the surface morphology, microstructure, mechanical properties and fracture morphology of the welded joints were charac-terized by metallurgical microscope, Vickers hardness tester, universal tensile testing machine and scanning electron microscope收稿日期：2024-04-23Received：2024-04-23基金项目：国家自然科学基金（62073089）；广东省普通高校重点领域专项项目（2020ZDZX2061）；广东省大学生科技创新培育专项资金（pdjh2023a0242）Fund：National Natural Science Foundation of China (62073089); Special Projects in Key Areas of Guangdong Ordinary Col-leges and Universities (2020ZDZX2061); Special Funds for Cultivation of Science and Technology Innovation for College Stu-dents in Guangdong Province (pdjh2023a0242)引文格式：刁亚龙, 师文庆, 程才, 等. 316L不锈钢薄板焊缝成形及力学性能研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(5): 55-61. DIAO Yalong, SHI Wenqing, CHENG Cai, et al. Forming and Mechanical Properties of Welds in 316L Stainless Steel Sheet[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(5): 55-61.*通信作者（Corresponding author）56精密成形工程 2024年5月for analysis. When the laser power was 403 W, the output current was 150 A, the welding speed was 150 mm/min, and the de-focus amount was −5.525 mm, the morphology of the front and back surfaces of the weld was regular without defects. The mi-crostructure in the weld zone was mainly composed of two grain, δ-ferrite and austenite. The grain in the weld zone was finer and more uniform than that in the base metal and the heat-affected zone, and the average hardness was 156HV, showing higher hardness characteristics. The average tensile strength and yield strength of the welded joints reached 643.28 MPa, 305.95 MPa, respectively, increased by 7% and 49% compared with the base material strength. The average elongation after fracture was37.2%, reaching 55% elongation rate of the original base material. The form of fracture was toughness fracture with characteris-tics of plastic deformation and ductility. After the welding process parameters are optimized and adjusted, the weld forming quality of 316L stainless steel sheet with a thickness of 1 mm is high. There is no defect, the microstructure distribution is uni-form, and the strength of welded joints is significantly improved.KEY WORDS: laser welding; 316L stainless steel sheet; weld morphology; microstructure; mechanical properties316L不锈钢薄板是低碳奥氏体不锈钢，具有优异的耐焊性、耐腐蚀性和耐高温性能，是制造业的必备金属材料，广泛应用于新能源、汽车、医疗化工等领域[1-4]。

2019 CREATION BEYOND VISION01宝钢先进高强钢家族1.1 概述1.2 产品种类1.3 高强钢应用性能及试验方法1.3.1 力学性能与硬化曲线1.3.2 成形极限1.3.3 扩孔率1.3.4 动态力学性能1.3.5 疲劳性能1.3.6 延迟开裂性能1.4 宝钢汽车板材料数据服务0101020703淬火延性钢3.1 概述3.2 常用牌号和命名规则3.3 微观组织3.4 力学性能3.5 成形性能3.5.1 成形极限3.5.2 扩孔率3.6 点焊性能3.7 服役性能3.7.1 动态力学性能3.7.2 疲劳特性3.7.3 延迟开裂特性3.8 应用案例3.9 可供规格28282829303135373704马氏体钢4.1 概述4.2 常用牌号和命名规则4.3 牌号对照 4.4 微观组织 4.5 力学性能 4.6 成形性能 4.6.1 成形极限 4.6.2 扩孔率 4.7 点焊性能 4.8 服役性能 4.8.1 动态力学性能 4.8.2 疲劳特性 4.8.3 延迟开裂特性 4.9 应用案例4.10 可供规格3838393940414144454502双相钢2.1 概述2.2 常用牌号和命名规则2.3 牌号对照2.4 微观组织2.5 力学性能2.6 成形性能2.6.1 成形极限2.6.2 扩孔率2.7 点焊性能2.8 服役性能2.8.1 动态力学性能2.8.2 疲劳特性2.8.3 延迟开裂特性2.9 应用案例2.10 可供规格0909********1623252607孪晶诱发塑性钢7.1 概述7.2 常用牌号和命名规则7.3 微观组织7.4 力学性能7.5 成形性能7.5.1 成形极限7.5.2 扩孔率7.6 点焊性能7.7 服役性能7.7.1 动态力学性能7.7.2 延迟开裂特性7.8 应用案例7.9 可供规格61616162626364646406相变诱导塑性钢6.1 概述6.2 常用牌号和命名规则6.3 牌号对照6.4 微观组织6.5 力学性能6.6 成形性能6.6.1 成形极限6.6.2 扩孔率6.7 点焊性能6.8 服役性能6.8.1 动态力学性能6.8.2 疲劳特性6.8.3 延迟开裂特性6.9 应用案例6.10 可供规格535353545455 5658596008热冲压成形钢8.1 概述8.2 常用牌号和命名规则8.3 牌号对照8.4 微观组织8.5 连续冷却转变（CCT）曲线8.6 力学性能8.7 点焊性能8.8 服役性能8.8.1 动态力学性能 8.9 应用案例8.10 可供规格6565656666676769707009高强钢零件产品与工艺设计建议9.1 产品形状的设计9.2 冲压工艺设计9.3 冲压模具设计9.4 模具加工、调试和验收7172737405复相钢5.1 概述5.2 常用牌号和命名规则5.3 牌号对照5.4 微观组织5.5 力学性能5.6 成形性能5.6.1 成形极限5.6.2 扩孔率5.7 点焊性能5.8 应用案例5.9 可供规格464646474849 49525210宝钢试验设备75宝钢超轻型白车身(BCB)的高强钢应用1.2 产品种类先进高强度钢板主要指以相变强化为主要强化方式的一类钢板，包括双相钢（Dual Phase Steel，DP）、相变诱发塑性钢（Transformation Induced Plasticity Steel，TRIP）、孪晶诱发塑性钢（Twinning Induced Plasticity Steel，TWIP）、复相钢（Complex Phase Steel，CP）和马氏体钢（Martensitic Steel，MS）等，如下图所示。

金属薄板成形性能试验1. 简介成形性能是指薄板对各种冲压成形的适应能力，即薄板在指定加工过程中产生塑性变形而不失效的能力。

成形性能研究的重点是成形极限的大小，也就是薄板发生破裂前能够获得的最大变形程度。

1.1 模拟成形性能指标选择或评定金属薄板冲压成形品级时，可对模拟成形性能指标提出要求。

设计或分析冲压成形工艺过程，以及设计冲压成形模具时，经常需要参考模拟成形性能指标的数据。

薄板常用模拟成形性能指标有：1、胀形性能指标：杯突值IE；2、拉深性能指标：极限拉深比LDR或载荷极限拉深比LDR（T）；3、扩孔（内孔外翻）性能指标：极限扩孔率（平均极限扩孔率）λ（λ）；4、弯曲性能指标：最小相对弯曲半径R min/t；5、“拉深+胀形”复合成形性能指标：锥杯值CCV；6、面内变形均匀性指标：凸耳率Z e；7、贴模（抗皱）性指标：方板对角拉伸试验皱高；8、定形性指标：张拉弯曲回弹值。

1.2 特定成形性能指标选择或评定金属薄板冲压成形品级、协议金属薄板的订货供货、设计或分析冲压成形工艺过程时，可对金属薄板的材料特性指标或工艺性能指标提出要求，或参考它们的数据，它们统称为特定成形性能指标：1、塑性应变比（r值）或平均塑性应变比（r）；2、应变硬化指数（n值）；3、塑性应变比平面各向异性度（r∆）。

1.3 局部成形极限评定、估测金属薄板的局部成形性能，或分析解决冲压成形破裂问题时，可使用金属薄板的成形极限图或成形极限曲线。

1.4 其他以上所列举的各种成型性能试验方法均为我国冲压生产和冶金制造行业已经使用或比较熟悉的模拟成型性能试验方法，而且也属于国际上的主流成形性能试验范畴。

除这些方法外，国际上还流行其他一些模拟成形性能试验，见图1。

图1 模拟成形性能试验方法注：整体成形极限指金属薄板在冲压过程中发生颈缩、破裂、皱曲等成形缺陷之前，某种特定的整体几何尺寸或某种几何特征的整体尺寸可以达到的极限变形程度。

局部成形极限指金属薄板在冲压过程中发生颈缩、破裂、皱曲等成形缺陷之前，局部点位或局部变形区域可以达到的极限变形程度。

不锈钢超薄板的力学性能及成形极限研究近十几年来，随着不锈钢超薄板在家电行业及国防装备中的广泛使用，其力学性能及成形极限的研究受到了广大科学家的广泛关注。

经过几年的研究，大量的有关不锈钢超薄板的力学性能及成形极限的实验证明被证明是可行的，为发展不锈钢超薄板的技术提供了重要的理论依据。

不锈钢超薄板的力学性能及成形极限的研究主要是通过模拟实验和理论分析研究相关性能的过程。

实验方面，模拟实验中使用的设备有拉伸机，冲击试验机，疲劳试验机，耐热曲线仪，耐蚀试验机等。

而在理论分析方面，研究者利用计算机仿真技术，运用不锈钢复合材料的微观结构和力学模型，建立不锈钢超薄板微观结构与力学性能之间的关系。

此外，成形极限研究还需要考虑塑性变形、应力集中、应变分布等因素。

在不锈钢超薄板力学性能及成形极限研究过程中，研究过程受不锈钢复合材料微观结构、热处理工艺、塑性变形参数、力学性能计算方法、模拟实验参数等多个因素的影响。

如经过不同的热处理工艺，不同的不锈钢超薄板在热处理前后的室温力学性能有明显差别。

此外，不锈钢超薄板微观结构的大小、形状、碳含量等因素均可能影响其力学性能。

在成形极限研究过程中，模拟实验被广泛应用，但是模拟实验受参数的影响，如件尺寸、材料类型、加载速率等因素，可能会导致成形极限的准确性和可靠性存在较大的偏差。

理论分析方法也在成形极限研究中被广泛应用，它通过研究不锈钢超薄板的微观结构和柔性变形的关系，来预测塑性变形的成形极限。

综上所述，不锈钢超薄板的力学性能及成形极限的研究不仅有助于深入研究不锈钢超薄板的材料性能，而且可以为相关技术的发展提供重要的理论依据。

未来，在此基础上，我们将继续深入研究不锈钢超薄板的力学性能及成形极限，开发出更为先进实用的技术方案，为发展不锈钢超薄板技术和行业做出贡献。

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实验项目名称：扩孔实验实验项目性质：普通实验所属课程名称：冲压工艺及模具设计实验计划学时：2一、实验目的测定金属薄板的扩孔成形性能。

二、基本原理扩孔实验如图1所示,试件毛坯2放在凹模4与压边圈6之间压死，用圆柱形平底凸模5把试件的中心孔d0胀大，直至孔边缘局部发生破裂时为止。

图1 扩孔实验装置1-扩孔试件 2-试件毛坯 3-定位销 4-凹模 5-凸模 6-压边圈测量扩孔试件的最大孔径d 1max 和最小孔径d 1min ，用下式计算扩孔率λ。

作为扩孔成形的性能指标：10001⨯-=d d d λ%式中：0d --试件中心孔的初始直径，mm1d --扩孔后边缘破裂时孔径的平均值，mm ；)(min 1max 11d d d +=/2。

λ越大,钣料的扩孔成形性能越好。

扩孔实验也叫KWI 实验。

三、实验设备及工具BHB-80A 型钣料试验机、卡尺。

四、模具与试件按照JB4409•4-88“薄钢板扩孔试验方法”规定，扩孔试验参数按表1选择。

扩孔实验试件毛坯的外形可以是圆形，也可以是方形，本实验采用方形毛坯。

中心孔在钻孔之后还要铰孔，并用100目的砂纸打磨，要求中心孔无毛刺和裂纹。

试件表面不得有伤痕，边缘无毛刺。

五、实验步骤1准备试样、编号、测量中心孔直径（精度±０.０２）。

2根据试样厚度从表1选择凹模，把凹模４装在试验机的凹模座上。

3根据试件厚度和中心孔直径d 0从表1选择凸模，把凸模５装在中心活塞上，并把压边圈６放在压边活塞上。

4在试件上涂润滑油，以中心孔定位，定放在压边圈上。

5把凹模座落入模筒中，按下压边按钮，调整压边液压达到２MPa 。

6按压胀形按钮，凸模上升，开始阶段可以快些；当孔边缘临近裂纹时，凸模上升应缓慢；当裂纹出现时，要立即停止凸模上升，并取下试件。

为了防止颈缩的裂纹不再继续扩大，可以立即旋回电液控制器上的旋钮，使小电流表指针回零位。

或手指不离开压边开关的停止按钮，及时按下即可。