CAE技術在車燈熱板焊接中的應用

辛忠華，朱 濤，吳海萍，周永新

（大茂偉瑞柯車燈有限公司，江蘇 常州 213022）

熱板焊接是常用的塑料焊接技術，其主要是對2個互相焊接的料件進行加熱，達到料件彼此的熔化狀態(tài)，再施加一定的壓力來達到互相焊接的效果［1］。與其他塑料焊接技術相比，其有著焊接速度快、焊件無需特殊處理等優(yōu)點，常應用于汽車尾燈的燈殼與底座之間的接合。焊接筋是燈殼上設計的一圈筋，是熱板焊接的受熱受壓區(qū)域。焊接筋的結構與車燈焊接品質有著很大的關聯(lián)。焊接筋的結構設計主要考慮高度、寬度、與焊接方向的角度等因素。目前，這些設計一般是憑靠經驗，在設計前期無法準確評估焊接品質，往往避免不了虛焊、假焊的風險。本文在設計前期，引入CAE技術評估了焊接筋的結構，預測了在焊接過程中，焊接筋易偏移區(qū)域，大大避免了焊接風險，減少了修模費用，縮短了設計周期。

1 尾燈有限元模型建立

圖1為某款汽車尾燈的燈殼模型。整個模型包括紅白黑三色燈殼、焊接筋、焊接方向等。焊接筋是熱板焊接的作用區(qū)域［2］，焊接方向是焊接機器的合模方向，也是加壓方向。

紅白黑三色燈殼是通過注塑而成，在前處理階段，可以在catia合成一個零件，或者利用有限元軟件中Boned功能連接在一起。網(wǎng)格劃分是有限元分析的必要步驟，整體尺寸選用4 mm，對于焊接筋附近的區(qū)域，需要進行局部細化，選用2 mm。為了提高計算精度，整個模型采用二階四面體網(wǎng)格進行劃分。

圖1 汽車尾燈的燈殼模型

本次模擬燈殼的材料為PMMA，其材料屬性［3］為：彈性模量2 740 MPa，泊松比0.36，密度1.19E-9 t／mm3。

有限元的模擬結果準確度很大部分取決于邊界條件與載荷。良好的模型應能反映結構的力學特性，與實際的支撐情況和所受外載應相符［4］。熱板焊接過程中，燈殼被熱板焊接機上模的夾具完全夾緊，并隨上模沿焊接方向運動，因此，在模擬中，將燈殼外表面與夾具貼合區(qū)域設置成完全固定。為了準確地得到燈殼在焊接過程中受到的壓力，利用壓力傳感器 （圖2），測出焊接過程中的合模壓力大小為1 248 kg。在CAE軟件中，將壓力施加到焊接筋的焊接面上，壓力F=1248×9.8=12 230 N，壓力方向即為給定的焊接方向。邊界條件與載荷施加后，即可求解。

圖2 壓力測量裝置

2 模擬結果

焊接過程中出現(xiàn)假焊、虛焊等問題，主要是由于焊接過程中焊接筋在受壓的情況下，會發(fā)生不同大小的位移導致焊接不勻。因此，以焊接筋的位移結果作為評估對象，如圖3所示，燈殼最大位移量為0.132 mm，位于右上及右下焊接筋區(qū)域。此區(qū)焊接偏移較大的主要原因是該處焊接筋與焊接方向成較大角度，且焊接筋高度較大，最高處達17.80 mm，在加壓的情況下，該處更容易發(fā)生偏移。

圖3 燈殼位移云圖

為了驗證模擬結果及檢查焊接品質，利用檢具對燈殼進行了面差測量。面差測量是檢測燈殼的實際位置與設計的理想位置之間的差距。面差測量點如圖4所示。為了減少誤差，每個測量點測量4次面差，取平均值作為面差結果。

圖5為6個測量點平均面差的對比圖。從圖看出，面差的最大區(qū)域均與模擬區(qū)域相符合，均為測量點2，最大面差值為-0.87 mm，不滿足車廠的±0.7 mm的要求。面差值較大主要原因是在焊接過程中，該處焊接筋發(fā)生了較大的向燈殼內部的偏移，導致燈殼往后陷，沒有達到理想的高度。

圖4 面差測量點布置圖

圖5 燈殼的面差測量結果

3 結構優(yōu)化

為了減小焊接過程中焊接筋的位移偏移現(xiàn)象，需對結構進行優(yōu)化。目前，常用的優(yōu)化方式包括增加加強筋支撐、加大焊接筋的寬度、減小焊接筋的高度、減小焊接筋與焊接方向的夾角角度等［5］。本設計采用增加加強筋的方式進行優(yōu)化，加強筋的位置如圖6所示，為焊接過程中，最易偏移區(qū)域。

圖6 燈殼優(yōu)化圖

將優(yōu)化后的結構再次進行CAE分析，結果如圖7所示，最大位移位置雖然與優(yōu)化前的位置相同，但最大位移從0.132降為0.075 mm，減小了45%，焊接偏移現(xiàn)象大大減小。從模擬角度，說明增加加強筋能有效改善焊接偏移現(xiàn)象。

圖7 優(yōu)化后燈殼位移云圖

同樣，對優(yōu)化后的燈殼進行了面差分析。如圖8所示，優(yōu)化后燈殼的最大面差仍為測量點2，但最大面差的數(shù)值為由-0.87 mm變?yōu)?0.61 mm，滿足了車廠的±0.7 mm要求。增加加強筋，減小了焊接筋的偏移現(xiàn)象，減小了燈殼后陷量，測量結果證明了優(yōu)化的有效性。

圖8 優(yōu)化后燈殼的面差測量結果

4 結論

本文基于CAE技術，根據(jù)測得的焊接壓力與焊接方向，進行焊接過程的靜力分析，得到了焊接筋在焊接過程中的焊接位移分布量。對焊接較大位移的區(qū)域進行了加筋優(yōu)化，并利用檢具測量檢驗了優(yōu)化前后的面差結果，結論如下。

1）模擬的燈殼最大位移區(qū)域與測量的面差最大區(qū)域位置相符，證明了模擬的可靠性。

2）針對位移偏移區(qū)域，進行了加筋處理，最大面差數(shù)值-0.87 mm變?yōu)?0.61 mm，滿足了車廠的要求。實驗結果表明，增加加強筋能夠有效改善因焊接偏移引起的面差問題。