不等厚板激光拼焊在線碾壓機(jī)構(gòu)碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 東 許 敏 李 治 郭 松 高彥凱

1.遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，鞍山，114051 2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)，1100163.凌源鋼鐵股份公司機(jī)動(dòng)部，朝陽(yáng)，122500

0 引言

激光拼焊是將幾塊不同厚度(或不同材質(zhì))的鋼板在沖壓成形前用激光對(duì)焊在一起的工藝方法[1]。不等厚板激光拼焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于白車(chē)身制造，通過(guò)合理分配鋼板厚度，在不降低強(qiáng)度和安全性的前提下實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)的輕量化和節(jié)能減排[2-3]。

由于激光光斑直徑很小，焊接時(shí)能夠熔化的寬度有限，因此對(duì)焊前鋼板對(duì)接邊緣形成的間隙有嚴(yán)格限制[4]。過(guò)大的間隙將導(dǎo)致漏光及熔化的金屬不足，引發(fā)焊縫凹陷、咬邊等缺陷[5-7]，因此間隙是激光拼焊中亟需解決的重要問(wèn)題。碾壓技術(shù)是解決間隙問(wèn)題的有效方法。

碾壓技術(shù)在瑞士Soudronic公司的生產(chǎn)線上有所應(yīng)用，目前處于技術(shù)保密階段，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究處于空白狀態(tài)。

碾壓過(guò)程中的金屬變形是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程，碾壓效果受碾壓輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)、碾壓工藝參數(shù)、材料屬性、溫度條件、摩擦潤(rùn)滑等諸多因素影響，碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響最為直接。由于生產(chǎn)線上的空間限制，碾壓輪必須設(shè)計(jì)成很薄的盤(pán)形，但碾壓工藝對(duì)其強(qiáng)度和剛度要求又很高，因此碾壓輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響碾壓質(zhì)量，對(duì)碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義。

1 碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

碾壓機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)線上位于焊接單元前方(圖1)，主要由碾壓輪、壓緊輪和支撐輪組成。工作時(shí)，碾壓輪對(duì)厚板邊緣進(jìn)行碾壓，料片局部變形后，產(chǎn)生向焊縫間隙方向的寬展(圖2)，塑性流動(dòng)的金屬可以將間隙填補(bǔ)或減小。

圖1 碾壓機(jī)構(gòu)工作原理Fig.1 Working principle of rolling mechanism

圖2 理想的寬展量與寬展形貌Fig.2 Ideal width and shape of spread

碾壓輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括直徑、厚度、輪緣形貌等，它們對(duì)碾壓力和寬展有較大影響。通過(guò)仿真試驗(yàn)來(lái)獲得數(shù)據(jù)，每次試驗(yàn)需要幾十個(gè)小時(shí)，且只能獲得一組數(shù)據(jù)，而參數(shù)優(yōu)化需要大量樣本數(shù)據(jù)，完全通過(guò)仿真試驗(yàn)來(lái)獲得則時(shí)間成本巨大。本文在仿真試驗(yàn)獲得的有限數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與碾壓力、寬展之間關(guān)系的徑向基函數(shù)(radial basis function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)模型得到大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后在海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，具體過(guò)程如圖3所示。

圖3 碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過(guò)程Fig.3 Optimization process of roller structure parameters

1.1 拉丁超立方抽取樣本

寬展是碾壓追求的主要目標(biāo)，碾壓力和軸向力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，鑒于軸向力與碾壓力相比要小得多，確定寬展和碾壓力為優(yōu)化指標(biāo)，影響優(yōu)化指標(biāo)的最主要因素有兩個(gè)：碾壓輪直徑和碾壓輪厚度。依據(jù)碾壓輪的剛度要求以及其在拼焊板上形成壓痕寬度的限制，確定碾壓輪厚度的取值范圍為2～5 mm，考慮到碾壓輪的結(jié)構(gòu)以及工作空間要求，確定碾壓輪直徑的取值范圍為50～300 mm。

為實(shí)現(xiàn)用有限的采樣數(shù)據(jù)反映隨機(jī)變量的整體分布，采用拉丁超立方(Latin hypercube sampling，LHS)方法來(lái)抽取樣本[8]。為保證試驗(yàn)的代表性，對(duì)每個(gè)因素(碾壓輪直徑和厚度)抽取了20個(gè)水平，然后進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

1.2 碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析

碾壓輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為碾壓輪直徑和碾壓輪厚度。碾壓的目標(biāo)是以較小的碾壓力獲得合適的寬展量與寬展形貌。

1.2.1碾壓過(guò)程仿真

圖4 碾壓仿真模型Fig.4 The simulation model of rolling

(1)建立仿真模型?；谀雺簷C(jī)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立的仿真模型見(jiàn)圖4，鋼板采用彈塑性體材料模型，依據(jù)模擬計(jì)算的精度要求，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體縮減積分單元C3D8R，各輪體選擇解析型剛體，對(duì)產(chǎn)生接觸的物體滿足無(wú)穿透條件，考慮摩擦關(guān)系和其他一些接觸屬性。在板材上施加速度約束，碾壓輪可做上下、左右位置的調(diào)整并轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊輪和支撐輪只有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

(2)仿真基本參數(shù)。表1所示為碾壓機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件的基本幾何尺寸，表2所示為其材料性能參數(shù)。仿真中采用的主要工藝參數(shù)如下：碾壓速度v=6 m/min，碾壓深度Δh=0.28 mm，碾壓位置l=0.7 mm。

表1 碾壓輪與板材的幾何參數(shù)

表2 碾壓輪與板材性能參數(shù)

1.2.2碾壓輪直徑對(duì)寬展和碾壓力的影響

碾壓輪直徑與寬展的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著碾壓輪直徑的增大，寬展逐漸增大，在150～200 mm區(qū)間增幅較大，而在50～100 mm區(qū)間和200～250 mm區(qū)間增幅平緩。

圖5 碾壓輪直徑與寬展的關(guān)系Fig.5 Relationship between roller diameters and spread

碾壓輪直徑與碾壓力、軸向力的關(guān)系如圖6所示，隨著碾壓輪直徑的增大，碾壓力和軸向力都在增大，其中碾壓力的增幅度更為明顯。

圖6 碾壓輪直徑與碾壓力、軸向力的關(guān)系Fig.6 Relationship of roller diameters with rolling force and axial force

從結(jié)果可以看出，直徑增大會(huì)導(dǎo)致寬展和力同時(shí)增大，從寬展的角度來(lái)看，直徑越大越好，但過(guò)大的碾壓力與軸向力卻增加了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，碾壓輪直徑也不能過(guò)大，因此需要對(duì)碾壓輪直徑進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.3碾壓輪厚度對(duì)寬展和碾壓力的影響

碾壓輪厚度與寬展及碾壓力、軸向力的關(guān)系如圖7和圖8所示。從圖7中可以看出，寬展與碾壓輪厚度近似成正比關(guān)系。從圖8中可以看出，隨著碾壓輪厚度的增大，輪體與板材的接觸面積增大，碾壓力大幅增大，軸向力小幅增大。

圖7 碾壓輪厚度與寬展的關(guān)系Fig.7 Relationship between roller thicknesses and spread

圖8 碾壓輪厚度與碾壓力軸向力的關(guān)系Fig.8 Relationship of roller thicknesses with rolling force and axial force

碾壓輪厚度有兩方面的影響，一方面厚度增大導(dǎo)致輪體剛度和寬展增大，另一方面會(huì)導(dǎo)致碾壓力和軸向力增大，因此需要綜合考慮來(lái)確定碾壓輪厚度的優(yōu)化值。

1.3 RBF預(yù)測(cè)模型的建立

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種黑箱建模工具，可以在對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一無(wú)所知的情況下，僅借助于輸入和輸出數(shù)據(jù)，透過(guò)數(shù)學(xué)技巧來(lái)決定系統(tǒng)的模式。本文采用RBF[9]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與碾壓力和寬展間的關(guān)系進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)。將前述仿真試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)作為輸入樣本和目標(biāo)輸出矢量，設(shè)定均方誤差、徑向基函數(shù)的分布等基本參數(shù)后，進(jìn)行RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，然后建立碾壓機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)模型。

1.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

碾壓的目的在于用較小的碾壓力獲得足夠的寬展，也就是說(shuō)寬展并非越大越好，它取決于間隙的大小、板厚以及工藝參數(shù)等，對(duì)于采用剪切下料方法(精度0.1 mm/1 000 mm)，最大焊縫長(zhǎng)度為2 300 mm的激光拼焊生產(chǎn)線，需補(bǔ)償?shù)拈g隙范圍即需產(chǎn)生寬展的有效范圍約為0.34～0.46 mm。

確定目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中，y1為寬展量；y2為碾壓力。

將碾壓輪半徑和厚度在其取值范圍內(nèi)各自均勻地取100個(gè)數(shù)據(jù)，代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，獲得10 000組樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，在樣本數(shù)據(jù)中尋找最優(yōu)，得到結(jié)果為：碾壓輪半徑145.7 mm，碾壓輪厚4.12 mm。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整確定碾壓輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：碾壓輪半徑145 mm，碾壓輪厚4 mm。

2 碾壓焊接試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

依據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)了碾壓焊接試驗(yàn)臺(tái)(圖9)，試驗(yàn)臺(tái)由定位壓緊單元、傳輸單元、碾壓?jiǎn)卧?、焊接單元和控制單元組成。試驗(yàn)臺(tái)可完成料片的碾壓成形及焊接加工，最大成形焊縫長(zhǎng)度為1 m。碾壓輪直徑為290 mm，厚度為4 mm，輪軸可提供19 kN支撐力，碾壓輪垂直方向的移動(dòng)行程為5 mm。

圖9 長(zhǎng)焊縫激光焊接試驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Long weld laser welding test-bed

試驗(yàn)材料是普通冷軋鋼板(DC04)，厚度分別為1.6 mm和2.5 mm，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表3，機(jī)械性能見(jiàn)表4。

表3 材料的化學(xué)成分

表4 材料的機(jī)械性能

2.2 試驗(yàn)方法

為研究寬展的變化，試驗(yàn)采用規(guī)則間隙，試驗(yàn)前精銑板材接邊以提高接邊質(zhì)量。碾壓目標(biāo)為：①間隙最大為0.3 mm的料片在碾后間隙小于0.05 mm；②碾壓后料片接觸良好，滿足激光焊接工藝要求；③壓痕的位置和寬度穩(wěn)定，料片焊縫清晰。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10所示為其中一個(gè)試樣的碾壓和焊接結(jié)果。

(a)碾壓效果 (b)焊接效果(c)截面形貌圖10 碾壓后焊接結(jié)果Fig.10 Results of tailored laser welding after rolling

2.3.1碾壓試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)1.6 mm和2.5 mm的鋼板在不同間隙下進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，調(diào)整碾壓深度(碾壓力)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)隨著碾壓深度的增大，碾壓后殘留間隙變小，證明寬展隨著碾壓深度的增大而增大，通過(guò)調(diào)整碾壓深度可以適應(yīng)不同的間隙。試驗(yàn)中，對(duì)0.3 mm以下的間隙通過(guò)調(diào)整碾壓深度獲得了滿足要求的焊前間隙。

(2)通過(guò)對(duì)比相同碾壓深度不同預(yù)留間隙條件下的碾壓力可以看出，隨著預(yù)留間隙的增大,碾壓力略有減小，證明變形阻力對(duì)碾壓力有一定的反饋?zhàn)饔谩?/p>

2.3.2碾壓后的焊接試驗(yàn)結(jié)果

圖10是對(duì)厚度分別為1.6 mm和2.5 mm的鋼板碾壓后的焊接結(jié)果，焊前間隙0.2 mm。焊接參數(shù)如下：激光功率3.5 kW，焊接速度3.5 m/min，離焦量-1 mm。從圖10中可以看出，碾壓壓痕均勻、位置穩(wěn)定，焊后焊縫較為飽滿，各個(gè)截面形狀一致。

3 結(jié)論

對(duì)碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)了碾壓機(jī)構(gòu)的物理樣機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。得到如下結(jié)論：碾壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果為碾壓輪半徑145 mm，碾壓輪寬度4 mm，試驗(yàn)證明了該結(jié)果的正確性。在碾壓焊接試驗(yàn)中，對(duì)于0.3 mm以下的間隙，均取得了理想的焊接結(jié)果，表明碾壓技術(shù)可以用于間隙補(bǔ)償，該技術(shù)提高了激光拼焊的適應(yīng)性，且應(yīng)采用力控制方法來(lái)控制碾壓深度。碾壓后的焊縫飽滿，且不同位置形狀一致，證明了碾壓技術(shù)可改善焊縫不均的問(wèn)題。