基于Simufact的乘用車前輪罩點(diǎn)焊變形模擬研究

宋慶軍 張林陽 李軍 鄭虹

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 材料與輕量化研究院，長春130011）

1 前言

傳統(tǒng)鋼制車身前輪罩總成由不同板厚的鋼板經(jīng)沖壓和點(diǎn)焊連接而成[1]，前輪罩總成通常包含內(nèi)擋板、支撐板、擋泥板、連接板和輔助支架等組件，與車身前縱梁、上連接梁、前圍擋板和懸架前滑柱等總成相連，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，點(diǎn)焊過程會造成一定的變形，生產(chǎn)中對其點(diǎn)焊后的尺寸精度要求較高[2]，如點(diǎn)焊后前輪罩總成的變形量過大，則會嚴(yán)重影響車身精度和前滑柱的安裝質(zhì)量，進(jìn)而影響整車的尺寸精度和舒適性，因而工程上對前輪罩總成的點(diǎn)焊變形要求極為嚴(yán)格，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)前，需要針對不同的點(diǎn)焊順序來研究總成的點(diǎn)焊變形趨勢，進(jìn)而優(yōu)選出最佳的點(diǎn)焊順序，保證總成的尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求。

以Simufact有限元分析軟件為平臺，從網(wǎng)格劃分、熱源模型建立、點(diǎn)焊參數(shù)確定和初始邊界條件設(shè)置等方面開展了前輪罩總成點(diǎn)焊變形模擬研究，探討了不同點(diǎn)焊順序?qū)η拜喺挚偝珊负笞杂勺冃蔚挠绊懸?guī)律，闡述了點(diǎn)焊順序?qū)负笞冃蔚挠绊懺?，并?yōu)化出了最佳的焊接順序，為實(shí)際前輪罩總成的點(diǎn)焊連接提供理論支持。

2 點(diǎn)焊模型建立

2.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

本研究中前輪罩總成幾何模型基于CATIA軟件建立，由內(nèi)擋板、支撐板、擋泥板和輔助支架4個零件點(diǎn)焊連接而成（圖1）。利用Hypermesh軟件對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸采用漸變式設(shè)計(jì)，焊點(diǎn)附近網(wǎng)格尺寸小，遠(yuǎn)離焊點(diǎn)位置網(wǎng)格尺寸大。完成網(wǎng)格劃分后，該模型共含有35 350個節(jié)點(diǎn)和28 640個六面體單元（圖2）。

圖1 前輪罩總成幾何模型

圖2 前輪罩總成網(wǎng)格模型

2.2 材料物性參數(shù)

本研究采用的點(diǎn)焊電極帽尺寸參考實(shí)際工程應(yīng)用，選擇ISO 5821：2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的F1-16-20-50-8-6型號。前輪罩總成的各個組件由不同厚度和牌號的鋼板經(jīng)沖壓而成，各零件力學(xué)性能及料厚如表1所示。

表1 前輪罩總成各組件力學(xué)性能及料厚

2.3 熱源模型校核

前輪罩總成涉及5種不同板厚的點(diǎn)焊搭接形式，分別為1 mm&1 mm、1 mm&1.5 mm、1 mm&2.3 mm、1.5 mm&2.3 mm和1 mm&1.5 mm&2.3 mm，本研究以1 mm&1 mm厚度的平板點(diǎn)焊為例，利用Simufact軟件中的點(diǎn)焊熱源模型，并參考實(shí)際工程中前輪罩總成點(diǎn)焊的工藝參數(shù)，對該熱源模型進(jìn)行校核，如圖3，其中圖3a為模擬的焊點(diǎn)截面，圖3b為實(shí)際焊件的焊點(diǎn)截面，通過對比發(fā)現(xiàn)，在相同的點(diǎn)焊工藝下，兩焊點(diǎn)截面的形貌吻合度較好，熔核直徑和熔深基本相當(dāng)，如表2所示，可見采用Simufact軟件自帶的點(diǎn)焊熱源模型可較好地對前輪罩總成點(diǎn)焊過程進(jìn)行有限元模擬。

圖3 焊點(diǎn)截面形貌對比

表2 焊點(diǎn)截面尺寸對比

2.4 點(diǎn)焊參數(shù)確定

針對前述5種不同板厚的點(diǎn)焊搭接形式，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，本研究點(diǎn)焊模擬過程選擇如下工藝參數(shù)，見表3，利用Simufact軟件模擬完成后所得焊點(diǎn)的橫截面形貌見圖4，對焊點(diǎn)的熔核直徑進(jìn)行測量，并與相關(guān)點(diǎn)焊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，所得結(jié)果見表4，可見利用上述工藝參數(shù)得到的焊點(diǎn)熔核直徑完全滿足點(diǎn)焊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，所選工藝參數(shù)可應(yīng)用于前輪罩總成的點(diǎn)焊模擬過程中。

圖4 不同板厚組合的焊點(diǎn)截面

表3 點(diǎn)焊模擬工藝參數(shù)

表4 不同板厚組合的焊點(diǎn)熔核直徑 mm

2.5 初始條件和邊界條件設(shè)置

由于焊接過程較復(fù)雜，本研究對模型初始條件和邊界條件進(jìn)行合理簡化以提高計(jì)算效率。

a.初始條件。工件初始溫度為20℃，所用材料為各向同性且性能連續(xù)，模擬過程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。

b.裝夾邊界條件。參考前輪罩總成的實(shí)際點(diǎn)焊過程，選擇12處夾持點(diǎn)作為點(diǎn)焊模擬的邊界條件，如圖5。

圖5 前輪罩總成裝夾邊界條件

c.熱交換邊界條件。系數(shù)為20 W/（m2·K）的對流散熱。

3 點(diǎn)焊變形模擬結(jié)果

3.1 點(diǎn)焊變形合格判據(jù)

模擬完成后，將裝夾邊界條件去除，計(jì)算前輪罩總成的焊后自由變形，根據(jù)相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，點(diǎn)焊后前輪罩總成的最大變形量不能大于1.2 mm，前滑柱安裝點(diǎn)的最大位移量不能大于0.8 mm，因此本研究選擇輪罩總成最大變形量D1≤1.2 mm和前滑柱安裝點(diǎn)最大位移量D2≤0.8 mm作為評定前輪罩總成點(diǎn)焊變形合格的依據(jù)。

3.2 不同焊道順序?qū)ψ冃蔚挠绊?/h3>

前輪罩總成包含內(nèi)擋板、支撐板、擋泥板和輔助支架4個組件，共計(jì)36個焊點(diǎn)，針對不同組件之間的點(diǎn)焊連接，將各焊道定義如下。

a.內(nèi)擋板與輔助支架的連接定義為焊道①，共計(jì)13個焊點(diǎn)；

b.支撐板與內(nèi)擋板、輔助支架的連接定義為焊道②，共計(jì)16個焊點(diǎn)；

c.內(nèi)擋板與擋泥板的連接定義為焊道③，共計(jì)7個焊點(diǎn)。

本文制定的6種不同焊道順序如下。

a.焊道①→焊道②→焊道③，

b.焊道①→焊道③→焊道②，

c.焊道②→焊道①→焊道③，

d.焊道②→焊道③→焊道①，

e.焊道③→焊道①→焊道②，

f.焊道③→焊道②→焊道①，

以上內(nèi)容用以研究其對焊接變形的影響。點(diǎn)焊完成后去除裝夾邊界條件，所得前輪罩總成的自由變形云圖如圖6。

圖6 前輪罩總成焊后自由變形云圖

根據(jù)上述變形云圖測得的前輪罩總成焊后最大變形量和前滑柱安裝點(diǎn)最大位移量如表5所示，可以看出，按焊道順序c、d進(jìn)行點(diǎn)焊后，前輪罩總成最大變形量和前滑柱安裝點(diǎn)最大位移量均小于設(shè)計(jì)要求值，符合設(shè)計(jì)要求；按焊道順序a、b、e、f進(jìn)行點(diǎn)焊后，前輪罩總成最大變形量和前滑柱安裝點(diǎn)最大位移量接近或大于設(shè)計(jì)要求值，不符合設(shè)計(jì)要求；其中焊道順序c對應(yīng)的焊接變形最小，其總成最大變形量為0.957 mm，前滑柱安裝點(diǎn)最大位移量為0.654 mm，可作為前輪罩總成實(shí)際點(diǎn)焊時的焊道順序。

表5 不同焊道順序?qū)?yīng)的點(diǎn)焊變形 mm

對6種焊道順序?qū)?yīng)的點(diǎn)焊變形進(jìn)行綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粭l焊道相同時，后兩條焊道的順序變化對點(diǎn)焊變形影響不大，如焊道順序c和d對應(yīng)的點(diǎn)焊變形量相差很小，因此對于不同的焊道順序，第一條焊道的選擇對點(diǎn)焊變形的影響最大，前輪罩總成實(shí)際點(diǎn)焊時應(yīng)優(yōu)先焊接焊道②。

3.3 不同焊點(diǎn)順序?qū)ψ冃蔚挠绊?/h3>

選擇上述點(diǎn)焊變形量最小的焊道順序c，即先焊焊道②，再焊焊道①，最后焊焊道③，分別改變每一條焊道內(nèi)的焊點(diǎn)順序變化，研究焊點(diǎn)順序?qū)c(diǎn)焊變形的影響，如圖7，其中圖7a代表焊點(diǎn)順序①，圖7b代表焊點(diǎn)順序②，箭頭方向代表每一條焊道內(nèi)的焊點(diǎn)先后順序，圖8為兩種焊點(diǎn)順序?qū)?yīng)的前輪罩總成焊后自由變形云圖。

圖7 兩種不同的焊點(diǎn)順序

圖8 前輪罩總成焊后自由變形云圖

根據(jù)上述變形云圖測得的前輪罩總成焊后最大變形量和前滑柱安裝點(diǎn)最大位移量如表6所示，可以看出，相對于焊道順序?qū)c(diǎn)焊變形量的影響，文中設(shè)定的兩種焊點(diǎn)順序下前輪罩總成的點(diǎn)焊變形量相差不大，且均符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，說明針對于本研究的前輪罩總成點(diǎn)焊，當(dāng)焊道順序確定時，每條焊道內(nèi)的焊點(diǎn)順序變化對前輪罩總成點(diǎn)焊變形量的影響相對較小，實(shí)際生產(chǎn)中可更關(guān)注于焊道順序的變化對前輪罩總成點(diǎn)焊變形的影響規(guī)律。

表6 不同焊點(diǎn)順序?qū)?yīng)的點(diǎn)焊變形 mm

4 結(jié)果分析

綜合前輪罩總成點(diǎn)焊變形模擬結(jié)果可知，相對于焊點(diǎn)順序的不同，焊道順序的變化對點(diǎn)焊變形的影響更大，因此本文重點(diǎn)針對焊道順序?qū)c(diǎn)焊變形的影響進(jìn)行分析。在不同的焊道順序中，先將支撐板與內(nèi)擋板點(diǎn)焊在一起，即先點(diǎn)焊焊道②，再分別點(diǎn)焊另外兩個組件，最終所得的前輪罩總成變形最小，而若先焊焊道①或焊道③，所得的前輪罩總成變形相對更大，從結(jié)構(gòu)上分析其原因，當(dāng)先將支撐板與內(nèi)擋板點(diǎn)焊在一起時，形成的組件為半封閉結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)剛度大，會對后續(xù)的點(diǎn)焊變形起到抑制作用，使得最終的總成自由變形量最小。

利用焊道①將內(nèi)擋板與輔助支架連接起來的結(jié)構(gòu)定義為結(jié)構(gòu)1，利用焊道②將支撐板與內(nèi)擋板連接起來的結(jié)構(gòu)定義為結(jié)構(gòu)2，利用焊道③將內(nèi)擋板與擋泥板連接起來的結(jié)構(gòu)定義為結(jié)構(gòu)3，在3種結(jié)構(gòu)的內(nèi)擋板相同位置施加約束和載荷，采用Hy?permesh軟件建立模型，分析3種結(jié)構(gòu)的剛度大小，所得的變形云圖如圖9，施加相同的約束和載荷后所得3種結(jié)構(gòu)的最大變形量如表7。

表7 3種結(jié)構(gòu)的最大變形量 mm

圖9 3種結(jié)構(gòu)的變形云圖

可以看出，先焊接焊道②所得的支撐板與內(nèi)擋板連接結(jié)構(gòu)，其最大變形量遠(yuǎn)小于另外兩種結(jié)構(gòu)，說明這種結(jié)構(gòu)的剛度相對更大，對后續(xù)的點(diǎn)焊變形起到抑制作用，使得最終的前輪罩總成變形量最小，同時先點(diǎn)焊支撐板與內(nèi)擋板也可以更好地改善前滑柱安裝孔的精度，提高整車的舒適性。

5 結(jié)論

本研究以Simufact有限元分析軟件為平臺，對某乘用車前輪罩總成點(diǎn)焊變形進(jìn)行模擬分析，得出如下結(jié)論。

a.相對于焊點(diǎn)順序?qū)c(diǎn)焊變形的影響程度，焊道順序的變化對前輪罩總成點(diǎn)焊變形的影響更為顯著。

b.點(diǎn)焊變形的大小主要與第一條焊道的選擇有關(guān)，先將支撐板與內(nèi)擋板點(diǎn)焊連接，再分別點(diǎn)焊另外兩個組件，所得前輪罩總成的變形最小。

c.第一條焊道點(diǎn)焊后所形成的連接結(jié)構(gòu)剛度大小是影響前輪罩總成最終點(diǎn)焊變形量的主要因素。