差厚拼焊板零件焊縫線偏移的控制方法

龔志輝 趙樹武

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,4100822.北京星航機(jī)電裝備有限公司,北京 ,100074

0 引言

激光拼焊板的應(yīng)用是汽車車身輕量化的有效途徑之一[1]，但拼焊板不同材料以及不同厚度的組合在成形過(guò)程中表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能和不同程度的變形，使得成形過(guò)程很難控制，薄弱一側(cè)材料易出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷，成形過(guò)程中焊縫線不可避免地會(huì)產(chǎn)生偏移，使得實(shí)際成形后零件的焊縫線與設(shè)計(jì)焊縫線產(chǎn)生偏差[2-3]。MIN等[4]通過(guò)對(duì)SPCC鋼材拼焊樣件進(jìn)行強(qiáng)度、硬度、脹形實(shí)驗(yàn)認(rèn)為,焊縫區(qū)組織及焊縫移動(dòng)等因素使得板料成形性能下降。KOROUYEH等[5]通過(guò)對(duì)不等厚板材拼焊的研究發(fā)現(xiàn),變形過(guò)程中焊縫線的偏移對(duì)拼焊板整體的成形性能有著重要影響。

目前對(duì)焊縫線位置偏差的控制主要有兩種方式。一種是過(guò)成形工藝控制法，即通過(guò)優(yōu)化模具設(shè)計(jì)參數(shù)、成形工藝參數(shù)等實(shí)現(xiàn)焊縫偏移的控制。CAO等[6]通過(guò)液壓夾持焊縫裝置控制焊縫線漂移,以提高整體成形性。HEO等[7]通過(guò)使用拉延筋調(diào)整阻力來(lái)減小焊縫漂移。朱元右等[8]采用分瓣式壓邊圈來(lái)研究焊縫漂移。HE[9]采用壓邊力控制方案來(lái)減小焊縫線漂移。由于成形工藝首先要保證成形過(guò)程中坯料收縮的均衡性及好的成形質(zhì)量，因此往往難以兼顧到焊縫線的控制。另一種方法是預(yù)先在坯料上布置合理的焊縫線，在滿足成形要求的前提下縮小焊縫線偏差。TANG等[10]基于一步有限元方法預(yù)測(cè)了拼焊板沖壓過(guò)程原始焊縫線位置及焊縫線偏移規(guī)律。KU等[11]基于有限元反向追蹤方法對(duì)拼焊板進(jìn)行了設(shè)計(jì)和并預(yù)測(cè)了焊縫線的偏移，該方法可以在保證成形質(zhì)量的前提下有效地實(shí)現(xiàn)焊縫線偏移的控制，但需要預(yù)先對(duì)坯料的焊縫線進(jìn)行精確的計(jì)算。

本文基于網(wǎng)格映射法[12]對(duì)拼焊板板料焊縫線初始形狀位置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,以減小成形件焊縫線實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置偏差，同時(shí)揭示焊縫線偏差的主要來(lái)源。

1 差厚拼焊板成形特點(diǎn)

圖1 差厚拼焊板成形模具的階梯型面Fig.1 Step surface of die for TWB with different thicknesses

等厚拼焊板成形時(shí)，模具型面與普通非拼焊板成形時(shí)的一致。差厚拼焊板成形時(shí)，坯料采用單面平齊的拼接方式，型面一面是平的，而另一面存在著明顯的階梯高度差異，因此相應(yīng)的模具型面上也根據(jù)料厚的差異設(shè)置了相應(yīng)的階梯，如圖1所示。由于模具型面，特別是圧料面上階梯兩側(cè)的間隙不同，對(duì)應(yīng)的薄側(cè)區(qū)域材料可以通過(guò)階梯流入厚側(cè)區(qū)域，但厚側(cè)區(qū)域材料不能通過(guò)階梯流入薄側(cè)，因此階梯的位置與最終所形成的焊縫線的位置必須相適應(yīng)。實(shí)際成形時(shí)若零件焊縫線與模具階梯相距太遠(yuǎn)，易造成焊縫線薄側(cè)壓不實(shí)而起皺，若太近,厚側(cè)材料可能侵入薄側(cè)造成成形無(wú)法到底，局部壓力極高，可能損毀模具造成安全事故。因此差厚拼焊板成形時(shí)無(wú)法在模具調(diào)試時(shí)去調(diào)整坯料焊縫線的位置,以縮小實(shí)際焊縫線相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫線的偏差，只能通過(guò)預(yù)先對(duì)實(shí)際焊縫線進(jìn)行反求并依此構(gòu)建并加工出模具上的階梯型面后進(jìn)行試沖驗(yàn)證。

2 焊縫線控制的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 模具階梯型面曲線初始構(gòu)建

焊縫線的構(gòu)建包括坯料焊縫線及模具型面階梯曲線構(gòu)件兩個(gè)部分，二者存在著密切的聯(lián)系。依據(jù)產(chǎn)品模型構(gòu)建工藝補(bǔ)充面及壓料面形成完整的沖壓工藝模型后，由于設(shè)計(jì)焊縫線僅僅只是在產(chǎn)品之上，因此與產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的模具型面部分的階梯可以根據(jù)產(chǎn)品焊縫線初步確定，但除此之外，還需要確定非常產(chǎn)品區(qū)域(工藝補(bǔ)充面、內(nèi)部孔洞填充面、圧料面)的焊縫。內(nèi)部孔洞填充面焊縫的獲取比較簡(jiǎn)單，采用曲線光滑連接即可實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 車門內(nèi)板孔洞填充面焊縫Fig.2 Weld line of filling surface of inner door hole

產(chǎn)品及內(nèi)部孔洞填充面屬于模具型面的一部分，但工藝補(bǔ)充面及壓料面上的階梯型面需要另行確定。工程中通常采用的方法如圖3所示，將產(chǎn)品兩末端曲線進(jìn)行線性延伸，然后按沖壓方向拉伸成平面，與工藝補(bǔ)充面及壓料面所形成的交線即為模具工藝補(bǔ)充面及壓料面上初始的階梯型面，此階梯面需要根據(jù)后續(xù)的計(jì)算進(jìn)行調(diào)整。

圖3 工藝補(bǔ)充面及壓料面焊縫確定Fig.3 Weld line of binder and addendum

2.2 焊縫線的映射計(jì)算

初始仿真時(shí)坯料的焊縫線基于初始獲取的模具焊縫線采用有限元一步法反求獲得，但經(jīng)過(guò)一次成形計(jì)算后則需要通過(guò)網(wǎng)格映射獲取。

如圖4所示，首先獲取成形件邊緣輪廓線的焊縫線端點(diǎn)E、F，然后獲取零件外邊緣輪廓線(外修邊輪廓線)與焊縫線的交點(diǎn)A、D，再獲取零件內(nèi)邊緣輪廓線(內(nèi)沖孔輪廓線)與焊縫線的交點(diǎn)B、C。將EA、AB、BC、CD、DF線進(jìn)行離散獲得離散點(diǎn)，其中AB段和CD段為產(chǎn)品內(nèi)焊縫線，包含的離散點(diǎn)為產(chǎn)品內(nèi)離散點(diǎn)，其他為產(chǎn)品外焊縫線，包含的離散點(diǎn)為產(chǎn)品外離散點(diǎn)。成形后的焊縫線相對(duì)偏差計(jì)算只包含AB段和CD段零件內(nèi)焊縫線的離散點(diǎn)。

圖4 焊縫線離散成點(diǎn)Fig.4 Discretizing weld line into points

在有限元仿真分析時(shí)，如果不采用自適應(yīng)網(wǎng)格，則仿真前后的網(wǎng)格及節(jié)點(diǎn)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，借此關(guān)系，將各離散點(diǎn)投影到仿真后的網(wǎng)格之上，可以計(jì)算出仿真前(坯料狀態(tài))的相應(yīng)位置，然后擬合成曲線后即可獲得坯料上的焊縫線。

2.3 坯料焊縫的調(diào)整計(jì)算

坯料焊縫是否符合要求需要根據(jù)成形后焊縫相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫的偏差進(jìn)行計(jì)算，焊縫線離散之后可以轉(zhuǎn)化為計(jì)算產(chǎn)品內(nèi)離散點(diǎn)的偏差。當(dāng)這些離散點(diǎn)的偏差最大值Δimax小于某一閾值時(shí)，認(rèn)為坯料焊縫線精度已達(dá)到要求，否則需要對(duì)坯料焊縫線進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算出成形后所有離散點(diǎn)相對(duì)偏差Δi，然后坯料上與之對(duì)應(yīng)的離散點(diǎn)也偏移Δi，擬合成曲線后即可獲得坯料新的焊縫線，如圖5所示。

圖5 坯料焊縫線的調(diào)整Fig.5 Adjustment of blank weld line

2.4 曲線焊縫的直線化

通過(guò)反求計(jì)算獲得的坯料焊縫是一條曲線，理論上坯料采用曲線焊縫在成形之后可以無(wú)限逼近設(shè)計(jì)焊縫，但目前坯料焊縫均為直線焊縫，因此所求得的曲線焊縫需要直線化，直線化的基本原則是使得成形后的焊縫與設(shè)計(jì)焊縫的偏差盡可能地小。

2.4.1坯料曲線焊縫初始直線化

對(duì)焊縫直線化過(guò)程就是求解曲線焊縫中線的過(guò)程，最常用的中線求解方法為最小二乘法。焊縫直線化之后除了帶來(lái)成形后的焊縫與設(shè)計(jì)焊縫之間的偏差外，還可能使得成形后的焊縫相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫產(chǎn)生角度偏差及橫向整體偏移，因此后續(xù)還要進(jìn)行直線焊縫的偏轉(zhuǎn)調(diào)整及整體平移。

2.4.2坯料直線焊縫的偏轉(zhuǎn)調(diào)整及整體平移

以設(shè)計(jì)焊縫線為基準(zhǔn)線，將成形后的焊縫與設(shè)計(jì)焊縫進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。從成形后的離散點(diǎn)中尋找到i、j兩個(gè)高點(diǎn)及低點(diǎn)k，計(jì)算出i、j相對(duì)設(shè)計(jì)離散點(diǎn)i0、j0的距離Δi和Δj。然后需要將成形后的離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)于直線焊縫上的離散點(diǎn)i′、j′分別向上和向下移動(dòng)|Δi-Δj|/2，獲得對(duì)應(yīng)點(diǎn)i″、j″，將此兩點(diǎn)連接起來(lái)即獲得偏轉(zhuǎn)調(diào)整之后的直線焊縫。然后進(jìn)行仿真計(jì)算，如果出現(xiàn)i、j兩個(gè)高點(diǎn)偏差仍然較大的情況，重復(fù)上述步驟直至二者基本平齊。

圖6 直線焊縫的偏轉(zhuǎn)調(diào)整Fig.6 Rotating adjustment of straight weld line

根據(jù)成形后的結(jié)果計(jì)算出兩個(gè)高點(diǎn)i、j相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫的偏差max(Δi,Δj)以及低點(diǎn)k相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫的偏差Δk，按Δ=|max(Δi,Δj)-Δk|/2將坯料的直線焊縫進(jìn)行整體平移，如圖7所示。之后進(jìn)行仿真校驗(yàn)，當(dāng)max(Δi,Δj)-Δk沒(méi)有趨近于0時(shí)重復(fù)上述步驟。

圖7 直線焊縫的整體平移Fig.7 Monolithic movement of straight weld line

3 焊縫線控制的基本流程

焊縫線反求需要反復(fù)比較進(jìn)行迭代計(jì)算，采取的基本過(guò)程是先求解出理想的坯料曲線焊縫，然后直線化，再進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和平移調(diào)整。具體流程如下。

(1)初始構(gòu)建模具階梯型面曲線，由該型面曲線確定初始坯料焊縫線。

(2)進(jìn)行成形仿真，同時(shí)將焊縫線離散并應(yīng)用網(wǎng)格映射法建立離散點(diǎn)“設(shè)計(jì)-坯料-成形件”三者之間的映射關(guān)系。

(3)將成形后焊縫與設(shè)計(jì)焊縫進(jìn)行比較獲取偏差，如偏差過(guò)大則根據(jù)離散點(diǎn)各自的偏差值對(duì)坯料焊縫進(jìn)行調(diào)整后再仿真。循環(huán)此過(guò)程，直到偏差在所要求的精度范圍內(nèi)。此時(shí)將獲得比較理想的坯料曲線焊縫。

(4)將曲線焊縫直線化后進(jìn)行成形仿真計(jì)算，比較兩個(gè)高點(diǎn)(兩個(gè)低點(diǎn))相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫的偏差值，進(jìn)行相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)調(diào)整。循環(huán)此過(guò)程，直到偏差在所要求的精度范圍之內(nèi)。

(5)比較成形仿真后最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的偏差值，相應(yīng)地對(duì)直線焊縫進(jìn)行整體平移。循環(huán)此過(guò)程，直到偏差在所要求的精度范圍之內(nèi)。

4 計(jì)算實(shí)例

拼焊板在車門內(nèi)板的成形中應(yīng)用非常普遍，本文采用仿車門內(nèi)板模型進(jìn)行計(jì)算及實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模型尺寸為196 mm×147 mm×58 mm，材料為DC04，厚度為1.4 mm和0.7 mm。

如圖8a所示，將內(nèi)孔填充后連接形成內(nèi)填充焊縫線，通過(guò)兩端線延伸并結(jié)合沖壓方向建立工藝補(bǔ)充面焊縫如圖8b所示。

(a)設(shè)計(jì)模型焊縫 (b)工藝補(bǔ)充面焊縫圖8 整體焊縫的構(gòu)建Fig.8 Construction of integrated weld line

提取模具焊縫并進(jìn)行離散，離散點(diǎn)間距的選取根據(jù)坯料劃分的網(wǎng)格大小確定。此處坯料網(wǎng)格尺寸為4.0 mm×4.0 mm，選擇的離散點(diǎn)間距為網(wǎng)格尺寸2倍，如圖9所示。

圖9 提取焊縫并離散成點(diǎn)Fig.9 Extraction of weld line and creation ofdiscrete points

初始成形仿真計(jì)算時(shí)，坯料焊縫線為模具焊縫線在沖壓方向上的投影。獲得成形網(wǎng)格后，將離散點(diǎn)投影到網(wǎng)格模型之上，如圖10所示。由圖10可知，由于坯料在成形時(shí)收縮，部分節(jié)點(diǎn)無(wú)法投影到網(wǎng)格模型之上，選取焊縫線與網(wǎng)格模型邊緣線的交點(diǎn)作為補(bǔ)充的離散點(diǎn)(圖10中的E點(diǎn)和F點(diǎn))。

圖10 離散點(diǎn)的投影Fig.10 Projection of discrete points

離散點(diǎn)經(jīng)過(guò)映射之后獲得初始坯料上的曲線焊縫，進(jìn)行仿真后可計(jì)算出成形后焊縫相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫的偏差，然后根據(jù)偏差值對(duì)初始焊縫進(jìn)行調(diào)整，獲得的仿真結(jié)果如圖11所示。三次仿真相應(yīng)的坯料焊縫線如圖12所示。

(a)投影焊縫線 (b)初次反求焊縫線 (c)調(diào)整后焊縫線圖11 不同坯料焊縫成形結(jié)果Fig.11 Stamping results of different blank weld line

圖12 三種坯料焊縫線Fig.12 Three types of blank weld line

初次反求坯料焊縫線和一次調(diào)整后的坯料焊縫線均為曲線焊縫，成形后相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫的偏差如圖13所示。最大相對(duì)偏差值為4.33 mm，調(diào)整后最大相對(duì)偏差值為0.95 mm。

圖13 坯料曲線焊縫直線化Fig.13 Initial linearization of blank weld line

將調(diào)整后的坯料曲線應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行直線化，如圖13所示。然后以直線焊縫進(jìn)行成形仿真計(jì)算，為了更精確地反映成形過(guò)程，模具型面及坯料均按不等厚激光拼焊板實(shí)際成形情況建模。模具型面根據(jù)已獲得的直線焊縫構(gòu)建階梯，如圖14a所示。實(shí)際拼焊板采用單側(cè)平齊方式，中心相差0.35 mm，如圖14b所示。

(a)不等厚模具型面階梯

(b)不等厚拼焊板坯料單元的構(gòu)建圖14 不等厚拼焊板仿真模型構(gòu)建Fig.14 Construction of simulation model for TWB with different thicknesses

成形仿真計(jì)算后的焊縫線相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫線的偏差兩個(gè)高點(diǎn)(A、D點(diǎn))，偏差分別為2.35 mm、8.12 mm，低點(diǎn)為B點(diǎn)，偏差為-11.24 mm。根據(jù)偏差值對(duì)坯料的直線焊縫進(jìn)行角度調(diào)整，調(diào)整后建立相應(yīng)的模具階梯型面并再次仿真，成形仿真計(jì)算后測(cè)得A、D兩點(diǎn)相對(duì)偏差分別為5.10 mm、6.09 mm，B點(diǎn)相對(duì)偏差為-10.56 mm，成形后的焊縫線相對(duì)設(shè)計(jì)焊縫線兩側(cè)分布不均，需整體往上平移2.2 mm，相應(yīng)地將坯料調(diào)整角度后的直線焊縫線整體往上移動(dòng)2.2 mm進(jìn)行成形仿真計(jì)算，測(cè)得A、D兩點(diǎn)相對(duì)偏差分別為7.68 mm、8.35 mm，B點(diǎn)的相對(duì)偏差為-7.62 mm，滿足工程通常限定的±10 mm偏差閾值的要求。

以最終獲得的坯料直線焊縫構(gòu)建模具階梯型面，并制造了相應(yīng)的模具，如圖15所示。

圖15 具有階梯型面的差厚板成形模具Fig.15 Test die with step surface for TWB with different thicknesses

將初始投影的直線焊縫坯料及整體平移后的直線焊縫坯料進(jìn)行沖壓，獲得的零件如圖16所示(設(shè)計(jì)焊縫線為人為繪制)。

(a)投影焊縫成形結(jié)果(b)整體平移焊縫成形結(jié)果圖16 實(shí)際成形零件Fig.16 Actual stamped part

測(cè)得A、B、D三點(diǎn)實(shí)際相對(duì)偏差為7.46 mm、-8.3 mm、7.65 mm，與仿真預(yù)測(cè)值非常接近。

3 結(jié)論

(1)本文提出的通過(guò)反求坯料焊縫線來(lái)控制差厚板零件焊縫線偏差的計(jì)算方法及流程可以在有限次仿真計(jì)算的情況下達(dá)到良好的效果。

(2)在沖壓工藝確定的情況下，坯料采用曲線焊縫可以將差厚板零件焊縫線偏差控制在很小范圍內(nèi)。

(3)成形后焊縫與設(shè)計(jì)焊縫之間有偏差的主要原因是坯料采用了直線焊縫。