摘要：白車身的焊接變形直接影響整車性能和內(nèi)外飾感官品質(zhì)。為了減少白車身焊接變形所付出的設(shè)計(jì)變更投資、人力資源、孕育周期，通過總結(jié)歸納車身典型搭接接頭如U型Z型T型，結(jié)合焊接變形仿真、實(shí)物驗(yàn)證和總結(jié)，對比典型接頭的不同焊接工藝得出有效可行的工藝方案。通過對白車身典型接頭的點(diǎn)焊焊接變形進(jìn)行仿真并得出每種接頭最有利于精度保證的焊接順序，對工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及縮短工藝設(shè)計(jì)周期提出參考。

關(guān)鍵詞：白車身 焊接變形 典型接頭 焊接工藝

中圖分類號：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220100

Abstract： The welding deformation of Body In White（BIW） directly affects the performance of the vehicle and? perceived quality of the interior and exterior. In order to reduce the equipment investment dueto design change， human resources and gestation cycle caused by BIW welding deformation， this paper obtains an effective and feasible process scheme by summarizing typical BIW joints such as U-， Z- and T-shaped joints， combining with welding deformation simulation， physical verification and summarization， as well as comparing different welding process of typical joints. By simulating the welding deformation of typical joints of BIW， this paper obtains the welding sequence of each joint which is most conducive to ensuring the accuracy， and proposes reference for process design， equipment selection and shortening the process design cycle.

Key words： BIW， Welding deformation， Typical joints， Welding process

1 前言

乘用車白車身一般包含300～500個沖壓件，沖壓件之間至少采用5 000個焊點(diǎn)、40 m長焊縫[1]，按照設(shè)定的特定焊裝工序，經(jīng)過沖壓件、小總成、大總成、白車身的裝焊流程，最終裝焊成白車身。白車身精度猶如人的骨骼一樣重要，為了保證整車性能和內(nèi)外飾感官品質(zhì)，白車身精度由最初的“2 mm工程”提升到目前“1 mm工程”甚至更高，故車身精度提升成為汽車開發(fā)人員一直努力解決的課題。

采用焊接變形CAE模擬仿真，在設(shè)計(jì)階段就對每種接頭的焊接變形采用先期預(yù)防對策，對白車身工業(yè)化精度能按時(shí)達(dá)成既定的工程設(shè)定目標(biāo)以及降低達(dá)成工程目標(biāo)所需付出的設(shè)計(jì)變更投資、人力資源、孕育周期起到?jīng)Q定性的作用。

目前焊接變形控制手段主要有2種方法，其一為經(jīng)驗(yàn)法，即工程人員在設(shè)計(jì)階段通過以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一些預(yù)防性的對策，在工業(yè)化階段通過以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行精度調(diào)試。其二為仿真分析法，即工程人員在設(shè)計(jì)階段，通過焊接變形CAE鏈?zhǔn)椒抡娣绞?，先期預(yù)期焊接變形的部位和變形量并采用優(yōu)化措施，解析出最佳的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，并體現(xiàn)在工藝設(shè)計(jì)方案中。

為了研究焊接變形，文獻(xiàn)[2]以后防撞梁總成為例，研究了焊縫的焊接順序和焊接方向?qū)附幼冃蔚挠绊?，并解析?組最優(yōu)組合的共同作用控制后防撞梁總成的焊接變形；文獻(xiàn)[3]以前圍上橫梁總成為例，研究了不同點(diǎn)焊順序?qū)附幼冃蔚挠绊懀晃墨I(xiàn)[4]以乘用車側(cè)圍為例，研究了焊接過程中的溫度場、焊接應(yīng)力分布，得到焊點(diǎn)位置和數(shù)量對焊接變形的影響；文獻(xiàn)[5]以分體式車門內(nèi)板總成為例，基于Simufact仿真分析分段式車門總成CO2焊變形仿真優(yōu)化，研究了不同焊接參數(shù)、CO2焊和冷金屬過渡焊接對焊接變形的影響；文獻(xiàn)[6]提出了基于SYSWELD軟件的焊接接頭溫度場及焊接殘余應(yīng)力的模擬分析方法；文獻(xiàn)[7]研究了通過正交試驗(yàn)單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲得機(jī)器人焊接正交參數(shù)。

隨著消費(fèi)者對汽車造型朝更個性化、更科技感、更高端大氣需求發(fā)展，汽車造型需求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜；再加上汽車市場競爭越來越白熱化，每個主機(jī)廠均需在更短周期內(nèi)將高品質(zhì)的車型推向市場，需要獲得時(shí)間和質(zhì)量的雙贏。因此一方面僅靠經(jīng)驗(yàn)法來控制白車身的焊接變形也不能滿足要求，另一方面每個產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，由于開發(fā)周期長、工藝研發(fā)人力資源限制，也不可能將所有的工序都進(jìn)行焊接變形的CAE仿真?；谶@一現(xiàn)狀，本研究基于Simufact軟件對白車身典型接頭進(jìn)行焊接變形仿真，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)對比分析，得出白車身點(diǎn)焊典型接頭的焊接變形及控制措施。

2 焊接變形理論基礎(chǔ)及工藝類型

2.1 焊接變形理論基礎(chǔ)

在白車身產(chǎn)品的整個焊接過程中，工件本身主要受到2種力的作用，一種是工裝約束產(chǎn)生的宏觀力，另一種是焊接引起的熱脹冷縮微觀力，前者主要產(chǎn)生的是彈性變形，后者則會引起材料本身的彈塑性變形。

從材料力學(xué)角度，可以從以下3個角度來對焊接過程中涉及的基礎(chǔ)理論進(jìn)行梳理。

2.1.1 彈塑性材料本構(gòu)方程

2.2 接觸算法

在工件與工件發(fā)生接觸的時(shí)候，需要在接觸發(fā)生的位置采用罰函數(shù)的方式對其進(jìn)行約束。

在這里，一般可以采用罰函數(shù)的方式進(jìn)行描述，如圖1所示。在檢測到發(fā)生了“接觸穿透”的區(qū)域，增加1個使其發(fā)生分離的罰函數(shù)，其剛度值分別用垂直方向的罰剛度kn和切線方向的罰剛度kf來表示，他們均是隨著接觸穿透距離而增加的。

2.3 點(diǎn)焊工藝參數(shù)

在白車身產(chǎn)品焊接工藝中，常見的是點(diǎn)焊工藝。

點(diǎn)焊仿真的工藝參數(shù)有電極頭的形狀（尤其是接觸端面的形狀尺寸）及材質(zhì)、點(diǎn)焊壓力（隨時(shí)間周期變化）、點(diǎn)焊電流（隨時(shí)間周期變化）、各層材料屬性、各層板厚。

3 仿真建模輸入及流程

3.1 輸入條件

3.1.1 數(shù)模網(wǎng)格

根據(jù)數(shù)模劃分網(wǎng)格，采用6面體網(wǎng)格，并對于前序的焊點(diǎn)采用局部粘連點(diǎn)連接在一起，局部粘連點(diǎn)將保持所引用的節(jié)點(diǎn)和在一定的影響范圍內(nèi)的鄰近點(diǎn)相結(jié)合。

3.1.2 材料屬性

在焊接仿真中，需要定義材料的熱力學(xué)屬性參數(shù)有楊氏模量、泊松比、密度、線膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)、固相線溫度、潛熱、流變應(yīng)力。

3.1.3 物理裝配條件

夾具定位設(shè)計(jì)以物理裝配條件（Conditions Physical Assembly，CAP）作為仿真的約束條件。

3.1.4 夾具定位策略

按照N-2-1定位原則，需要定義每個約束力的大小、方向和作用卸載時(shí)間。

3.1.5 焊接順序

在白車身產(chǎn)品的焊接過程中，通常存在上百個焊點(diǎn)及焊接位置。在仿真計(jì)算中，需要依次將焊接順序進(jìn)行整理輸入。

3.1.6 焊接工藝參數(shù)

如2.3節(jié)所述，針對不同的焊接工藝參數(shù)，需要將各焊接處的工藝參數(shù)進(jìn)行校核及輸入。

3.1.7 求解設(shè)置

一般包含仿真分析總時(shí)間定義以及熱力耦合參數(shù)設(shè)置。

3.2 仿真模型建立及仿真流程

根據(jù)焊接變形理論、白車身的材料屬性、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)進(jìn)行焊接變形仿真建模求解，其流程如圖2所示。

4 案例分析

白車身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用點(diǎn)焊連接的典型接頭有U型接頭、Z型接頭、T型接頭，接頭形式示意如圖3所示。

4.1 U型接頭

U型接頭是汽車白車身最常見的搭接接頭之一，主要涉及在白車身下車體梁架區(qū)域，由于U型接頭搭接基本都是厚板或者高強(qiáng)度板，材料和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致U型接頭不利于精度保證。一般U型接頭點(diǎn)焊精度不良主要為扭轉(zhuǎn)和翹曲2種（按汽車坐標(biāo)方向，體現(xiàn)為Y方向、Z方向精度不良），這2種精度不良直接影響整車的性能（四輪定位平衡、耐久疲勞等）和白車身整體精度（車身的寬度、車身開口精度等）。為了保證整車強(qiáng)度及無異響要求，一般U型接頭為5面強(qiáng)制搭接焊接，每個搭接面均需點(diǎn)焊連接，如圖4所示，且圖4中的搭接面①、搭接面②與搭接面④、搭接面⑤對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

U型接頭5個搭接面的焊接順序按照搭接面③、搭接面①、搭接面②（順序U1）和搭接面①、搭接面②、搭接面③（順序U2）得到焊接變形仿真分析結(jié)果，分別圖5、圖6所示。

按照汽車坐標(biāo)，選取最遠(yuǎn)端的4個測點(diǎn)，分別得到2種不同焊接順序的焊接變形量數(shù)值如下表1所示。從表1可知，選擇焊接順序U1的焊接變形更小，更利于保證更高車身精度。

4.2 Z型接頭

Z型接頭是汽車白車身最常見的搭接接頭之一，主要涉及在白車身門檻、開閉件內(nèi)板加強(qiáng)和部分梁架加強(qiáng)區(qū)域。Z型接頭點(diǎn)焊精度不良主要為扭轉(zhuǎn)和翹曲2種（按汽車坐標(biāo)方向，體現(xiàn)為Y方向、Z方向精度不良），這2種精度不良直接影響了整車的外飾感官品質(zhì)（如開閉件的間隙面差）。為了保證整車強(qiáng)度和外飾感官品質(zhì)，一般Z型接頭為3面強(qiáng)制搭接焊接，每個搭接面均需點(diǎn)焊連接，如圖7所示。

Z型接頭5個搭接面的焊接順序按照搭接點(diǎn)③、搭接點(diǎn)①、搭接點(diǎn)②（順序Z1）和搭接點(diǎn)①、搭接點(diǎn)②、搭接點(diǎn)③（順序Z2）得到焊接變形仿真分析結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

按照汽車坐標(biāo)，并選取最遠(yuǎn)端的4個測點(diǎn)，分別得到2種不同焊接順序的焊接變形量數(shù)值如表2所示。從表2可知，選擇焊接順序Z1的焊接變形更小，更利于更高車身精度保證。

4.3 T型接頭

T型接頭是車身精度最難保證的接頭形式，由于這種接頭形式的部件一方面受限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般只能布置1排焊點(diǎn)，另一方面在部件焊接完成后，除了焊接變形外，自身重力加大部件精度難度控制。

T型接頭的搭接形式和焊點(diǎn)布置如圖3c所示。

為了確認(rèn)部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和質(zhì)量對變形的影響，建立分析模型如圖10所示。圖10a中，Q為懸臂載荷，a為T型接頭焊接搭接長度，b為T型接頭懸臂伸出長度，h為T型接頭懸臂結(jié)構(gòu)高度，t為T型接頭懸臂結(jié)構(gòu)板厚。

對圖10進(jìn)行焊接變形建模分析求解模型得出Q、a、b、h，在焊接變形＜1.0 mm時(shí)，關(guān)系如下。

a.當(dāng)0.5＜t≤1mm時(shí)，h＜200 mm，b＜150 mm，Q≤0 N；

b.當(dāng)1＜t≤2 mm時(shí)，h＜300 mm，b＜150 mm，Q≤5 N；

c.當(dāng)t≥3 mm時(shí)，h＜300 mm，b＜200 mm，Q≤0 N；

d.當(dāng)t≥3 mm，h＜300 mm，b＜150 mm，Q≤5 N；

e.當(dāng)t≥3 mm時(shí)，h＜100 mm，b＜150 mm，Q≤15 N。

5 實(shí)物驗(yàn)證

U型結(jié)構(gòu)以白車身后縱梁總成的點(diǎn)焊焊接為例進(jìn)行驗(yàn)證，順序U1的實(shí)際焊接變形為0.4 mm（圖11），而順序U2的焊接順序?qū)?yīng)焊接變形為1.2 mm（圖12）。

Z型和T型以白車身前縱梁輪罩總成的點(diǎn)焊焊接為例進(jìn)行驗(yàn)證，零件搭接尺寸為板厚1.5 mm，h=285 mm，b=145 mm，Q=40 N。實(shí)際變形量為1.5 mm，仿真結(jié)果如圖13所示。

6 結(jié)束語

本文通過對白車3種典型的點(diǎn)焊搭接接頭的焊接變形進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

a.通過對車身典型搭接接頭的案例仿真和總結(jié)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)階段快速判斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝方案對部件精度的影響，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方案設(shè)計(jì)的更改量；

b.對于U型和Z型接頭，采用先焊接底部再焊接側(cè)面的焊接順序?qū)附幼冃慰刂谱罴眩?/p>

c.對于T型接頭，焊接變形狀態(tài)與T型接頭的懸臂質(zhì)量、懸臂高度、懸臂伸出長度、板厚、搭接寬度存在互相關(guān)聯(lián)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊握銓. 汽車裝焊技術(shù)及夾具設(shè)計(jì)[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社， 1996： 1-30.

[2] 周玉雷. 車身薄板件焊接變形CAE分析與工藝優(yōu)化研究[D]. 長沙： 湖南大學(xué)， 2015.

[3] 肖榮光. 車身焊裝變形預(yù)測及控制研究[D]. 重慶： 重慶理工大學(xué)， 2013.

[4] 張申皓. 乘用車側(cè)圍點(diǎn)焊熱變形模型的建立及其應(yīng)用[D]. 蕪湖： 安徽工程大學(xué)， 2018.

[5] 陳文剛. 基于Simufact的分段式車門總成CO2焊變形仿真優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程師， 2019（11）： 120-122.

[6] 李振江. 基于SYSWELD的焊接接頭溫度場和殘余應(yīng)力場研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2010.

[7] 房元斌， 蹤雪梅， 張華清， 等. 基于正交試驗(yàn)的T形接頭焊接工藝優(yōu)化[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2017， 38（8）： 45-49+131.