特種汽車車身總拼焊胎的模擬研究

摘要：通過焊接模擬仿真軟件對某小批量生產車型車身的總拼焊胎工裝進行焊接結構的模擬研究，結合焊胎各關鍵控制部位的模擬數據結果，分析焊胎關鍵控制部位的焊接變形是否在可控要求范圍之內，為總拼焊胎工裝的結構設計提供理論支撐，進而保證裝焊車身的整體外形尺寸和精度。

關鍵詞：總拼焊胎；模擬仿真；焊接

車身的焊裝過程是將車身各類沖壓件在特定的工藝裝備中夾緊固定位置和形狀，通過焊接組合成車身各類組件、合件、分總成及總成，最終焊合成為整體的過程[1]。車身各零件大都采用薄板，剛性差、易變形，在裝焊過程中必須采用專用焊裝工裝夾具實現多點定位加緊，以保證各零件、焊合件、分總成件焊后的貼合程度和形狀位置[2]。焊裝過程所使用的工裝夾具稱為焊胎。焊胎的使用可以提高車身整體精度，同時滿足小批量生產模式需求，節省人力、物力和生產現場空間，提高生產效率，同時焊胎夾具轉產靈活，改型擴展方便，可塑性強[3]。

總拼焊胎的設計

在什么樣的生產條件下使用哪種類型的焊胎夾具才是最經濟合理的，也就是其經濟性，一直以來都是焊胎夾具結構發展和設計的一個主要問題[4，5]。本文針對某小批量生產車型進行總拼焊胎的工藝設計。左右定位位置選取地板左右中心線（即與駕駛室左右中心線重合），地板焊合、側圍焊合、后圍焊合在整個總拼工裝夾具中的位置確定了，則其他各分總成的位置也就確定了，所有關鍵控制定位點的裝夾位置也隨之確定。總拼焊胎采用平移式結構，某車型總拼焊胎的三維示意如圖1所示。

總拼焊胎焊接結構的有限元研究

車身總拼焊胎作為大型焊接結構件，其焊接質量直接影響到工裝夾具結構的可靠性和后續白車身產品的精度及質量[6]。地板總拼是白車身總成的第一步，整個工裝夾具地板基座部分的上平面作為車身總拼的基準，其焊接質量及平面度是整個車身總成拼焊的關鍵。側圍立面部分決定著在總拼夾具上裝焊完成的白車身總成其整體外形尺寸精度是否符合要求，其焊接質量及平面度同樣需要重點控制。本文針對這兩部分進行結構焊接的有限元分析。

采用焊接仿真模擬軟件Simufact Welding軟件，通過建立一個數學化的熱源模型來模擬焊接過程的熱輸入，并考慮焊接速度、焊接順序、工裝夾具、電源能量及填充材料等因素的情況下將模型的溫度場與應力場進行耦合，計算得到焊接過程各個時刻焊接熱效應產生的溫度、焊接應力與變形的大小及其分布情況[7]。

1.有限元模型的建立

針對地板基座部分工裝上面框架和側圍立面板的焊接過程進行了有限元分析。其結構中共存在的焊縫均為角焊縫，按照預定的焊接順序進行仿真計算，分析在該種情況下上面框架的焊接變形量、焊接溫度、變形分布情況等內容。

主要連接處采用Q235A矩管或鋼板，焊絲使用ER50-6。化學成分及基本力學性能見表1和表2。表3為不同焊縫的焊接參數。有限元模型如圖2所示。

將結構放置在平臺上進行施焊，需在結構下面設置焊接平臺，由于結構左右對稱，在對稱面處施加對稱面約束，在一端施加完全固定約束，各小圓柱體是施加的固定約束。地板基座上平面框架和兩側圍立面的約束施加結果分別如圖3和圖4所示。

2.焊接結果分析

仿真工藝鏈特性分析焊接過程，在工況一的焊接計算結果的基礎上，進行工況二、工況三的焊接過程分析，焊接過程完成后卸載之前固定的約束力，通過計算可以得到冷卻至室溫后地板基座上平面框架和側圍立面板的溫度、焊接變形量等參數。

（1）地板基座上平面框架" 計算結果如下：

1）整體最高溫度結果。整體最高溫度分布如圖5所示。在上面框架焊接過程中，焊縫處溫度較高，最高溫度1500℃，位于焊縫熔池處。焊縫周圍為焊接熱影響區，距離焊縫越遠則熱影響越小。

2）熱變形結果。熱變形結果可以表示出結構的整體變形量，即總位移，也可以表示出在各軸線方向上的變形量，同時可以捕捉最大變形量和最小變形量在結構中的具體位置。 整體變形（總位移）結果如圖6所示。

分析計算結果得出：總拼夾具地板基座上面框架焊接熱變形最大出現在前端橫梁兩端頭位置，最大值為1.32mm，中后部固定，變形量最小。

（2）側圍立面板" 計算結果如下：

1）整體最高溫度結果。整體最高溫度分布如圖7所示。在側圍立面板焊接過程中，焊縫處溫度較高，最高溫度1500℃，位于焊縫熔池處。焊縫周圍為焊接熱影響區，距離焊縫越遠則熱影響越小。

2）熱變形結果。整體變形（總位移）結果如圖8所示，圖中圈出了焊接熱變形最大值出現的位置。

分析計算結果得出：

總拼夾具側圍立面板焊接熱變形最大出現在中立柱內面中折線位置，最大值為0.63mm，中下部固定幾乎無變形量。

綜上，地板基座上面框架整體最大變形量為1.32mm，位于前端橫梁兩端頭位置，變形量在可控范圍之內，且位置未位于地板關鍵貼合面部位；側圍立面板整體最大變形量為0.63mm，位于中立柱內面中折線位置，雖位于側圍關鍵定位控制面處但在可控范圍之內。因此，地板基座上面框架和側圍立面板的焊接變形量符合整個總拼夾具平面度的制造要求。通過此次仿真模擬得出，總拼工裝夾具主焊胎與車身產品關鍵定位控制面的焊接結構符合工裝夾具精度理論技術要求。

結語

有限元仿真分析是驗證設計理論可靠性的有效手段，是正式投產前進行模擬試用并及時完善的控制途徑，其運用不但可以進行后期預見節省人力物力，同時可以提高設計和生產制造效率。

通過對地板基座部分和側圍立面板的有限元分析，證實了本文研究的車身總拼焊胎關鍵控制面部分的焊接變形在可控要求范圍之內，可以保證整個總拼工裝的精度，進而保證裝焊車身的整體外形尺寸和精度。

參考文獻：

[1] 鄧仕珍，等. 汽車車身制造工藝學[M]．北京：北京理工大學出版社，2004.

[2] 陳家起. 汽車車身制造工藝學[M]. 重慶：重慶大學出版社，1993.

[3] 楊握銓. 汽車裝焊技術及夾具設計[M]. 北京：北京理工大學出版社，1996.

[4] 王金財. 組合夾具設計與組裝技術[M]. 北京：機械工業出版社，2015.

[5] TO Kowang，NB Mohd Hame，CS Long，AB Mohd Rasli.Operation management：Project management in jig and fixture Industries[J]. Advanced Materials Research，2014，931：1621-1625.

[6] 李紅華，等. 框架式柔性總拼技術在商用車焊裝線上的應用[J]. 汽車工藝與材料，2017（9）：61-65.

[7] 秦勇，等. 基于Simufact Welding 的焊接仿真及變形分析[J]. 北部灣大學學報，2020（4）：21-25.