司中祺 張曉鴻

摘要：為研究激光-MIG復(fù)合焊接汽車車身覆蓋件工藝可行性，利用CATIA軟件建立了車頂和側(cè)圍的對稱幾何模型，然后使用SYSWELD對復(fù)合焊接的溫度場及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了車頂和側(cè)圍在復(fù)合焊接過程中的溫度及應(yīng)力變化。結(jié)果表明，鋁合金車身覆蓋件激光-MIG復(fù)合焊接溫度場不沿焊縫中心線對稱分布，最高溫度出現(xiàn)在熱源前端，且側(cè)圍溫度偏高。車頂和側(cè)圍焊縫下表面平均熱應(yīng)力高于上表面，且上表面最大應(yīng)力與下表面最大應(yīng)力相差5 MPa;焊接變形沿著焊接線兩側(cè)，且沿著車頂和車柱兩側(cè)分布較為明顯。

關(guān)鍵詞：激光-MIG復(fù)合焊;鋁合金;車身覆蓋件;數(shù)值模擬

1、引言

在汽車制造工業(yè)的發(fā)展歷程中，汽車的輕量化始終是研究的重要方向。為了減輕汽車重量，使用輕合金是降低車身重量最常用的方法[1]。汽車覆蓋件作為主要部件，在制造中廣泛的應(yīng)用鋁及鋁合金。但它具有材料薄、尺寸大、表面質(zhì)量和尺寸精度要求高等特點(diǎn)，且鋁合金因?yàn)橐籽趸蜔嶙冃未蟮忍匦灾萍s了其在汽車制造中的廣泛應(yīng)用[2]。

因此，將激光和電弧有機(jī)復(fù)合，不僅可以改善鋁合金的焊接質(zhì)量，同時(shí)可以有效控制焊接變形。本文結(jié)合已有激光-MIG復(fù)合焊接理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了車身覆蓋件激光-MIG復(fù)合焊接物理數(shù)學(xué)模型，研究了激光-MIG復(fù)合焊焊接車身覆蓋件過程中的溫度場和應(yīng)力變形規(guī)律，這對擴(kuò)大激光-MIG復(fù)合焊技術(shù)在汽車鋁合金焊接中的應(yīng)用，推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展具有十分重要的意義。

2、有限元模型

2.1物理模型

本研究根據(jù)車頂與側(cè)圍實(shí)際焊接過程進(jìn)行建模，為提高計(jì)算效率，建模時(shí)做如下簡化：

①以車身縱軸線為基準(zhǔn)，對稱選取車頂與側(cè)圍1/2模型;②對實(shí)際尺寸做等比例縮小;③忽略簡化小孔、倒角等幾何特征。

基于以上，使用CATIA軟件建立了幾何模型，厚度為3.0mm。使用Visual Environment MESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行局部加密，如圖1所示。

2.2熱源模型

2.3邊界條件

2.4材料屬性

本研究中所用鋁合金熱物理屬性與溫度相關(guān)，如表1。

3、模擬結(jié)果與分析

3.1 溫度場分析

初始溫度設(shè)為20℃，激光功率為3000W、焊接速度為50mm/min，每個(gè)載荷步內(nèi)設(shè)置20個(gè)子步，焊接完成后自然冷卻258s。計(jì)算得到不同時(shí)刻的溫度場分布云圖，如圖2所示。

焊接剛開始時(shí)車頂和側(cè)圍焊縫區(qū)域受熱熔化，溫度梯度較小，如圖2a，焊縫中心的最高溫度為2968℃，此時(shí)焊縫的傳熱主要以熱傳導(dǎo)為主。如圖2b，焊縫以熱源為中心形成穩(wěn)定熔池，焊接過程已逐漸進(jìn)入了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，最高溫度2832℃出現(xiàn)在熱源前端，且溫度梯度明顯大于后端，這是由熱源移動(dòng)快、前端激光加熱光斑半徑小所致。如圖2c，熱源前、后端溫度梯度進(jìn)一步增大，熱影響區(qū)范圍有所增大。

3.2 應(yīng)力和變形分析

本研究在車身縱向?qū)ΨQ面上施加對稱約束，在底板施加三個(gè)方向上的固定約束，以約束模型平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

不同時(shí)刻的等效熱應(yīng)力如圖3a，上表面的熱應(yīng)力沿焊縫方向分布密集，最大應(yīng)力在熱源前端，約為48MPa;下表面最大熱應(yīng)力在焊縫中心兩側(cè)，約為53MPa，且高于上表面，這是因?yàn)楹附勇窂讲灰?guī)則，焊接處是弧狀，下表面受熱可膨脹范圍小于上表面，因此更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。如圖3b，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)圍邊緣靠近焊縫，約為72 MPa。如圖3c，基本完成了車頂?shù)暮附樱藭r(shí)焊接應(yīng)力峰值237 MPa。

焊接完成后的變形分布，如圖3d-f，X方向上最大變形位移4mm出現(xiàn)在底盤上，并沿著車柱分散，這是因?yàn)榈妆P為固定約束，焊接時(shí)候受到較強(qiáng)拉應(yīng)力所致。Y方向上最大變形位移15mm出現(xiàn)在底盤前段，沿著底盤和側(cè)圍均勻分散。Z方向上焊接變形沿著焊縫兩側(cè)且沿著車頂和車柱兩側(cè)分布較為明顯，最大變形位移13mm出現(xiàn)在底盤靠側(cè)圍方向位置，且沿著車柱和側(cè)圍均勻分布，這對降低焊接殘余應(yīng)力峰值是有益的。

4、結(jié)論

本研究利用SYSWELD軟件獲得了鋁合金車身覆蓋件激光-MIG復(fù)合焊接的溫度場和應(yīng)力場仿真結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）溫度場不沿焊縫中心線對稱分布，側(cè)圍溫度偏高;因?yàn)榧す夤獍呒械脑?，?dǎo)致焊縫區(qū)域的最高溫度出現(xiàn)在熱源前端。

（2）應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果顯示焊縫下表面平均熱應(yīng)力高于上表面，且與上表面最大應(yīng)力相差5 MPa;焊接變形沿著焊接線兩側(cè)，且沿著車頂和車柱兩側(cè)分布較為明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]許瑞麟，朱品朝，于成哉，等.汽車車身焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電焊機(jī)，2010，40（005）：1-18.

[2]牛全峰，李世紅，楊學(xué)智.汽車材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].現(xiàn)代零部件，2012，08（No.109）：24-26.

基金項(xiàng)目：成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科研項(xiàng)目（06211039）