白車身典型接頭點焊焊接變形仿真及研究

摘要：白車身的焊接變形直接影響整車性能和內外飾感官品質。為了減少白車身焊接變形所付出的設計變更投資、人力資源、孕育周期，通過總結歸納車身典型搭接接頭如U型Z型T型，結合焊接變形仿真、實物驗證和總結，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焊焊接變形進行仿真并得出每種接頭最有利于精度保證的焊接順序，對工藝設計、設備選型及縮短工藝設計周期提出參考。

關鍵詞：白車身 焊接變形 典型接頭 焊接工藝

中圖分類號：U466? ?文獻標識碼：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、40 m長焊縫[1]，按照設定的特定焊裝工序，經過沖壓件、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外飾感官品質，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人員一直努力解決的課題。

采用焊接變形CAE模擬仿真，在設計階段就對每種接頭的焊接變形采用先期預防對策，對白車身工業化精度能按時達成既定的工程設定目標以及降低達成工程目標所需付出的設計變更投資、人力資源、孕育周期起到決定性的作用。

目前焊接變形控制手段主要有2種方法，其一為經驗法，即工程人員在設計階段通過以往項目經驗進行一些預防性的對策，在工業化階段通過以往項目經驗進行精度調試。其二為仿真分析法，即工程人員在設計階段，通過焊接變形CAE鏈式仿真方式，先期預期焊接變形的部位和變形量并采用優化措施，解析出最佳的工藝設計參數，并體現在工藝設計方案中。

為了研究焊接變形，文獻[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對焊接變形的影響，并解析出2組最優組合的共同作用控制后防撞梁總成的焊接變形；文獻[3]以前圍上橫梁總成為例，研究了不同點焊順序對焊接變形的影響；文獻[4]以乘用車側圍為例，研究了焊接過程中的溫度場、焊接應力分布，得到焊點位置和數量對焊接變形的影響；文獻[5]以分體式車門內板總成為例，基于Simufact仿真分析分段式車門總成CO2焊變形仿真優化，研究了不同焊接參數、CO2焊和冷金屬過渡焊接對焊接變形的影響；文獻[6]提出了基于SYSWELD軟件的焊接接頭溫度場及焊接殘余應力的模擬分析方法；文獻[7]研究了通過正交試驗單因子試驗設計，獲得機器人焊接正交參數。

隨著消費者對汽車造型朝更個性化、更科技感、更高端大氣需求發展，汽車造型需求產品結構設計越來越復雜；再加上汽車市場競爭越來越白熱化，每個主機廠均需在更短周期內將高品質的車型推向市場，需要獲得時間和質量的雙贏。因此一方面僅靠經驗法來控制白車身的焊接變形也不能滿足要求，另一方面每個產品開發時，由于開發周期長、工藝研發人力資源限制，也不可能將所有的工序都進行焊接變形的CAE仿真。基于這一現狀，本研究基于Simufact軟件對白車身典型接頭進行焊接變形仿真，并結合現場試驗對比分析，得出白車身點焊典型接頭的焊接變形及控制措施。

2 焊接變形理論基礎及工藝類型

2.1 焊接變形理論基礎

在白車身產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。

從材料力學角度，可以從以下3個角度來對焊接過程中涉及的基礎理論進行梳理。

2.1.1 彈塑性材料本構方程

2.2 接觸算法

在工件與工件發生接觸的時候，需要在接觸發生的位置采用罰函數的方式對其進行約束。

在這里，一般可以采用罰函數的方式進行描述，如圖1所示。在檢測到發生了“接觸穿透”的區域，增加1個使其發生分離的罰函數，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 點焊工藝參數

在白車身產品焊接工藝中，常見的是點焊工藝。

點焊仿真的工藝參數有電極頭的形狀（尤其是接觸端面的形狀尺寸）及材質、點焊壓力（隨時間周期變化）、點焊電流（隨時間周期變化）、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 數模網格

根據數模劃分網格，采用6面體網格，并對于前序的焊點采用局部粘連點連接在一起，局部粘連點將保持所引用的節點和在一定的影響范圍內的鄰近點相結合。

3.1.2 材料屬性

在焊接仿真中，需要定義材料的熱力學屬性參數有楊氏模量、泊松比、密度、線膨脹系數、比熱容、熱導率、熔點、固相線溫度、潛熱、流變應力。

3.1.3 物理裝配條件

夾具定位設計以物理裝配條件（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、方向和作用卸載時間。

3.1.5 焊接順序

在白車身產品的焊接過程中，通常存在上百個焊點及焊接位置。在仿真計算中，需要依次將焊接順序進行整理輸入。

3.1.6 焊接工藝參數

如2.3節所述，針對不同的焊接工藝參數，需要將各焊接處的工藝參數進行校核及輸入。

3.1.7 求解設置

一般包含仿真分析總時間定義以及熱力耦合參數設置。

3.2 仿真模型建立及仿真流程

根據焊接變形理論、白車身的材料屬性、工藝設計、工裝設計、工藝參數進行焊接變形仿真建模求解，其流程如圖2所示。

4 案例分析

白車身產品結構采用點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域，由于U型接頭搭接基本都是厚板或者高強度板，材料和結構導致U型接頭不利于精度保證。一般U型接頭點焊精度不良主要為扭轉和翹曲2種（按汽車坐標方向，體現為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）。為了保證整車強度及無異響要求，一般U型接頭為5面強制搭接焊接，每個搭接面均需點焊連接，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對稱結構設計。

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果，分別圖5、圖6所示。

按照汽車坐標，選取最遠端的4個測點，分別得到2種不同焊接順序的焊接變形量數值如下表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、開閉件內板加強和部分梁架加強區域。Z型接頭點焊精度不良主要為扭轉和翹曲2種（按汽車坐標方向，體現為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（如開閉件的間隙面差）。為了保證整車強度和外飾感官品質，一般Z型接頭為3面強制搭接焊接，每個搭接面均需點焊連接，如圖7所示。

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

按照汽車坐標，并選取最遠端的4個測點，分別得到2種不同焊接順序的焊接變形量數值如表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構設計，一般只能布置1排焊點，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布置如圖3c所示。

為了確認部件產品結構、強度和質量對變形的影響，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型接頭懸臂結構高度，t為T型接頭懸臂結構板厚。

對圖10進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，關系如下。

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

b.當1＜t≤2 mm時，h＜300 mm，b＜150 mm，Q≤5 N；

c.當t≥3 mm時，h＜300 mm，b＜200 mm，Q≤0 N；

d.當t≥3 mm，h＜300 mm，b＜150 mm，Q≤5 N；

e.當t≥3 mm時，h＜100 mm，b＜150 mm，Q≤15 N。

5 實物驗證

U型結構以白車身后縱梁總成的點焊焊接為例進行驗證，順序U1的實際焊接變形為0.4 mm（圖11），而順序U2的焊接順序對應焊接變形為1.2 mm（圖12）。

Z型和T型以白車身前縱梁輪罩總成的點焊焊接為例進行驗證，零件搭接尺寸為板厚1.5 mm，h=285 mm，b=145 mm，Q=40 N。實際變形量為1.5 mm，仿真結果如圖13所示。

6 結束語

本文通過對白車3種典型的點焊搭接接頭的焊接變形進行研究，得出以下結論。

a.通過對車身典型搭接接頭的案例仿真和總結，在產品設計和工藝設計階段快速判斷產品結構和工藝方案對部件精度的影響，減少產品設計和工藝方案設計的更改量；

b.對于U型和Z型接頭，采用先焊接底部再焊接側面的焊接順序對焊接變形控制最佳；

c.對于T型接頭，焊接變形狀態與T型接頭的懸臂質量、懸臂高度、懸臂伸出長度、板厚、搭接寬度存在互相關聯關系。

參考文獻：

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