仿真技術在鋁制發動機罩焊接工藝中的應用

摘要：為加快鋁制發動機罩導入進程，利用數值模擬和全球制造模擬（GMS）驗證焊接機器人的可達性、干涉性和生產節拍的保障能力，并通過數值模擬確認發動機罩焊接變形量滿足工藝要求，實現與生產線、工裝夾具的并行工程，加速導入工裝夾具，最終實現車型導入周期縮短3個月，成本降低約20萬元，同時提高了焊接質量。

關鍵詞：電阻點焊 數值模擬 GMS驗證

中圖分類號：U466 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240041

Application of Simulation Technique in Welding Process

of Aluminium Engine Hood

Wang Qiang， Wang Yong， Wei Haoran， Zhang Peng， Rong Xiaoming， Wan Ke

（Dongfeng Honda Automobile Company Limited， Wuhan 430050）

Abstract：In order to speed up the process of introducing aluminum engine hood， numerical simulation and Global Manufacturing Simulation （GMS） are used to verify the accessibility， interference， production cycle of the welding robot， and numerical simulation is used to confirm that the welding deformation can satisfy the process requirements， realize parallel engineering with production line， tooling and fixture， and accelerate the introduction of tooling and fixtures. Finally， the introduction cycle of models can be shortened by 3 months， cost reduction of 200，000 RMB， with improved welding quality.

Key words： Resistance spot welding， Numerical simulation， GMS verification

1 前言

汽車輕量化技術有助于改善新能源汽車及燃油車的能耗表現[1]。研究表明：燃油車整車質量降低10%，其燃油消耗量降低6%～8%，排放量降低5%～6%，行駛里程約增加5.5%[2-3]；新能源汽車整車質量降低10%，可降低15%～20%電池成本及20%日常損耗成本[4]。采用輕量化材料替換傳統鋼鐵材料是實現汽車輕量化的重要途徑[5-6]。為此，某公司引入首款電動汽車用鋁合金發動機罩，所用的鋁材為HA5754，目前國內主要研究方向為5系/6系鋁合金[7-8]，對該鋁材的焊接工藝研究較少。

發動機罩內板總成外輪廓精度直接影響表面質量，因此，要在確保單品精度的前提下，獲得焊接變形量最小的內板總成。鋁合金的線膨脹系數是鋼材的3倍，焊接時易產生熱裂紋、變形等缺陷[9]。因此，在圖面檢證階段，焊接夾具設計、焊點打點順序分配要求比鋼材要求更高。當前新車型開發周期大幅縮短，須在鋁制發動機罩內板產品圖紙階段通過數值模擬和全球制造模擬（Global Manufacturing Simulation，GMS）等對焊接夾具的設計、焊點焊接順序、焊接干涉性、節拍等進行仿真模擬驗證，在設備導入前期確認工藝方案的可行性。

2 仿真模擬驗證過程

2.1 材料介紹

該車型鋁制發動機罩內板總成由4個鋁質單品通過電阻點焊焊接而成，4個鋁質單品均采用HA5754鋁合金，由厚度分別為0.9 mm、1.2 mm的板材搭接而成，化學成分如表1所示。

2.2 GMS模型建立

在沒有實物的情況下，為實現新車型檢證，依托數字化工廠對產品的制造過程進行詳細規劃設計和直觀驗證。在提高工藝規劃質量的同時，可縮短設計時間，加速車型式樣的熟成，減少浪費，并取代實車檢證。

2.2.1 線體模型建立

某公司四門兩蓋生產線配置有3臺雙工位包邊機，9臺搬運機器人，圖1所示為根據現場實物布局建立的數字化工廠，用于后期GMS仿真模擬。

2.2.2 發動機罩內板總成焊點分配

根據過往車型實績，發動機罩內板上共有9枚側焊點，受現場焊接機器人布局、數量和生產節拍的限制，可以在夾具內焊接最多5枚側焊點。剩余的焊點需要在下一站位補焊。在焊接夾具內完成焊接的焊點稱為定位焊點。依據過往經驗初步設定的鋁制發動機罩內板總成的焊點焊接順序如圖2所示，其中1號～5號焊點在夾具夾緊的狀態下焊接，6號～9號焊點在夾具松開后焊接，數字順序代表焊點焊接順序。

2.3 計算機輔助工程模型建立

在計算該鋁制發動機蓋電阻點焊數值時，為更直接地分析夾具、焊點焊接順序引起的焊接變形，對建立的數模做以下簡化處理：

a. 鋁制發動機罩內板鋁合金板件與電阻點焊電極頭的材料為均質、各向同性；

b. 各結構件間的接觸面光滑且連續，為小位移接觸；

c. 在點焊的焊接加壓過程中，上下電極端面、板件焊點位置不產生軸向或徑向位移。

2.3.1 邊界條件

焊接夾具在汽車白車身生產過程中十分重要，直接影響汽車生產制造水平。根據該發動機蓋相關單品的定位基準、加工基準、公差帶等，利用3D制圖軟件繪制相應的焊接夾具（夾具對稱，僅展示一半），如圖3所示。所有元件均采用六點定位，即“3-2-1”定位原理。在該夾具圖中，CL為夾緊裝置、K為定位銷、T為夾具支撐件，并標注了各定位單元的位置及材質要求（如磁鐵等）。后續的仿真數值計算邊界條件設置將使用該夾具進行數值計算。

2.3.2 網格劃分

鋁制發動機罩內板總成由內板、加強件、左右鉸鏈安裝件組成，具體網格劃分如圖4所示，其中，板件-板件、板件-夾具、板件-電極的接觸區域為重點關注部位，該區域的網格較小，尺寸為1 mm×1 mm（長×寬），高度分為4層。其他的區域較為稀疏。內板劃分為261 400個體網格、加強件劃分為82 360個體網格、鉸鏈安裝件劃分為17 700個體網格。

2.3.3 焊接參數設定

焊接參數設定如圖5所示，0.1 s后電流加載至26 kA，在26 kA保持0.3 s后，0.1 s內電流卸載至0，之后再保壓0.1 s。整個焊接過程中焊接壓力均設定為3.43 kN。

2.4 實物驗證方法

GMS采用的實物驗證包含現場實際加工過程中的干涉情況及生產節拍確認。計算機輔助工程（Computer-Aided Engineering，CAE）實物驗證包含發動機罩內板總成焊接變形量及夾具定位系統的測量。本次使用的測量儀器為FARO EDGE（法如）可掃描2.7M關節臂測量儀，工作溫度為10～40 ℃。

3 結果分析

3.1 GMS結果分析

將GMS仿真結果與現場焊接結果進行對比，檢證焊接夾具設計、焊點焊接順序的合理性。

3.1.1 GMS仿真結果

借助數字化工廠（圖1），在虛擬環境中模擬現場焊接機器人在焊接過程中的可達性、干涉性和加工節拍。

GMS仿真結果如圖6a所示，機蓋內板總成在夾具內完成打點后，由另外一臺機器人將其抓取后在空中進行增打。由仿真結果可知，夾具內的Z向5枚焊點和空中增打的Z向4枚焊點均處于焊接機器人可達范圍，機器人在焊接過程中與夾具、板件均無干涉。如圖6b所示，焊槍電極頭均垂直于打點面。

3.1.2 實物驗證

對該發動機罩內板總成實物進行焊接加工，如圖7所示，機器人可達性、焊接機器人與抓取機器人之間均無干涉。表2為鋁制發動機罩內板總成的加工節拍統計結果，加工節拍不超過41.5 s即可滿足生產要求。綜上所述，GMS模擬結果與實物加工結果非常吻合，即該鋁制發動機罩內板總成的焊接夾具、焊點焊接順序滿足車間布局及生產節拍要求。

3.2 CAE結果分析

由于板件、夾具、焊點焊接順序左右對稱，因此，為節約計算資源，僅對右側部分進行數值模擬計算。如圖8所示，對機蓋內板總成外邊界進行區域劃分并編號，后續的機蓋總成邊界變形將按照圖中所給位置點測量，并進行統計分析。

3.2.1 數值計算結果

圖9所示為鋁制發動機罩內板總成數值模擬焊接變形結果，由圖9可知，4RB和-5RT位置的變形量較大，最大變形量為0.7 mm。鉸鏈安裝支架周圍（-2RT～2RT）的變形量較小，僅為0.17 mm。

3.2.2 實物驗證

對上述數值計算的焊接工藝進行實物焊接試驗驗證。共進行4組焊接試驗，并將焊接完成后的4組發動機罩內板外輪廓變形量進行掃描統計。如圖10所示，對其實際焊接變形量的平均值與仿真結果進行對比分析可知，除首尾（及夾頭）附近外，內板外輪廓焊接變形量的仿真結果與實物發動機罩（HOOD）內板的變形趨勢基本一致。

3.2.3 結果分析

4RB緊鄰1號焊點，該位置的變形主要是焊接第1個焊點時引起的，在焊槍加壓通電狀態下，由于鋁材的線膨脹系數是鋼材的3倍，在電阻點焊時更易產生焊接變形，在該位置夾具附近設置1組夾頭CL-3，在夾頭外力的作用下，抑制了其在焊接過程中的焊接變形。

-5RT位置遠離焊點，在夾具設計初期，考慮到夾具成本、夾具簡便性和故障率，沒有在該位置設置夾頭。從實物加工結果來看，該部位最大翹起量約為0.7 mm，滿足現場管控標準（低于±0.8 mm）。

-2RT～2RT（除1RT位置外）位置的變形量較小，鉸鏈支架依靠6個焊點與發動機罩內板進行鏈接。由打點順序（圖2）可知，其中2個點在夾具內焊接，其他4個點在夾具外焊接。夾具內選取的2個焊點嚴格按照定位焊點選取原則選取，即成型焊點的布置及順序要保證工件焊接完成夾具釋放后，在后續的傳送及補焊工序中各零件的相對位置不發生變化。-2RT～2RT位置焊點多且離焊點位置很近。在焊槍加壓通電的狀態下，在鉸鏈支架焊點位置附近設置了2組夾頭+2組定位銷+1組支撐塊，抑制在焊接過程中的變形。

對夾頭附近實物出現-Z向變形，而仿真結果為0的現象進行研究。圖11所示為該夾具定位系統的實際測量結果，T-01R位置與CL-01R位置-Z向形變為0.18 mm。夾頭處偏-Z向的位置，在外板輪廓對應處出現了-Z向變形，即在內板總成焊接前，內板在壓頭的作用下已出現變形，在數值仿真計算中，內板與壓頭為理想狀態下的剛性連接，故內板在數值計算時不會出現-Z向變形。同理，CL-02BR位置、T-05R位置-Z向形變分別為0.43 mm、0.38 mm，這也是1RT位置-Z向形變為-0.63 mm的原因。

4 結束語

為縮短新車型的投產時間，借助GMS、CAE仿真技術，在鋁制發動機罩內板產品圖紙階段對焊接夾具的設計、焊點焊接順序、焊接干涉性、節拍等工藝方案進行仿真模擬，得到如下結論：

a. 焊點附近的焊接變形較大，需要在其周圍設置相應的夾頭遏制其在電阻點焊過程中產生變形；

b. 在設備導入前期通過GMS、CAE等設計出合理的焊接工藝方案，設備導入后按照前期仿真的方案實施，可縮短車型導入時間約3個月。

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