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        曲線焊縫汽車鋼板激光焊接專用夾具的設(shè)計和應(yīng)用

        2019-12-03 02:56:36侯寶輝王云浩
        上海金屬 2019年6期
        關(guān)鍵詞:焊件厚板鼓包

        侯寶輝 宋 藝 王云浩 張 梅

        (上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

        隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,車身質(zhì)量、能耗、尾氣排放量等已成為各大汽車廠提升競爭力的關(guān)鍵指標,國內(nèi)外對汽車行業(yè)在節(jié)能降耗和環(huán)保方面的要求也越來越高。因此,在確保安全性的前提下,汽車車身減重是汽車廠亟待解決的問題。激光拼焊板(簡稱TWB, tailor welding blank)就是將兩張或兩張以上不同材質(zhì)、不同厚度、不同表面鍍層的鋼板,利用激光能量熔融焊接起來,然后整體沖壓和組裝成汽車車身。采用激光拼焊板制作汽車車身具有車身輕、沖壓工序簡單、安全性和可靠性好、生產(chǎn)效率高等特點,已成為各大汽車廠實現(xiàn)汽車輕量化的重要手段[1]。

        目前,激光焊接產(chǎn)品的焊縫形狀主要有直線形、折線形和曲線形3種。曲線焊縫的焊接是一種精度高、柔性好的焊接工藝,但控制難度較大,要獲得良好的焊接質(zhì)量,不僅需要先進的生產(chǎn)設(shè)備和穩(wěn)定的焊接工藝,更需要與之匹配的專用夾具。焊接夾具的設(shè)計不僅要考慮其定位精度、夾緊穩(wěn)定性、系統(tǒng)剛性等基本要求,還要顧及到快速上料、夾緊、焊接、下料等工序,要能提高生產(chǎn)效率。近年來,隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展,專用夾具的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍,已成為必不可少的裝備,能保證焊接件的精確度,防止焊件變形或位移,提高焊接質(zhì)量。

        本文研究的激光焊接專用夾具,就是在焊接前對焊接件進行定位和夾緊。其目的主要有[2]:(1)避免被焊工件在焊接過程中位移;(2)使工件的焊接變形保持在可控范圍內(nèi),并確保工件的拼接間隙穩(wěn)定。

        1 曲線焊縫焊接夾具的設(shè)計

        焊接夾具主要由定位機構(gòu)和夾緊機構(gòu)組成,能對焊接工件施加反向變形力或剛性夾固,從而減小焊件的變形和位移。但是在激光焊接過程中,為了減少焊接應(yīng)力,又能使焊件在某一方向自由伸縮,要根據(jù)焊件的形狀和尺寸來確定夾具的定位方法、定位基準及夾緊機構(gòu)的設(shè)計[3]。設(shè)計夾具時,還應(yīng)考慮其經(jīng)濟性。

        以某型汽車的門板為例,它是由兩塊不同厚度的鋼板焊接而成的,厚板厚度為1.4 mm,薄板厚度為0.7 mm,其焊縫由6條直線和5條弧線組成。本文論述了該門板激光焊接專用夾具的設(shè)計和應(yīng)用,門板及焊縫的形狀如圖1所示。

        1.1 夾具定位方式設(shè)計

        如上所述,焊接夾具主要由定位機構(gòu)和夾緊機構(gòu)組成,將待焊件按工藝要求放在確定的位置的過程稱作定位,工件保持在夾具中確定位置的過程稱作夾緊。夾具的定位設(shè)計時,首先應(yīng)遵循物體定位原則即六點定則。為了保證焊件在焊接過程中位置固定,需研究焊件如何在笛卡爾坐標系中固定不動。對于笛卡爾坐標系,如果物體在空間中不與其他物體接觸,則對于空間直角坐標系而言,物體可以沿x、y、z軸移動,或者分別繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)。也就是說,一個獨立的物體在空間最多有6個自由度,因此,自由度是確定物體空間位置的參數(shù)[4- 5]。

        圖1 某型汽車門板示意圖Fig.1 Schematic of a certain type of car door panel

        對于上述門板的焊接用夾具,其設(shè)計思路是:首先采用定位銷對厚板進行導(dǎo)程定位,即Y向自由度限制;采用氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)作為厚板的導(dǎo)向定位,即X向自由度限制;采用底部電磁鐵作為基準面,即Z向自由度限制,如圖2(a)所示。然后,薄板的X、Y向自由度的限制均是利用厚板定位后的邊緣,Z向自由度限制仍依靠底部電磁鐵,以此完成厚板和薄板的定位[6],如圖2(b)所示。

        圖2 (a)厚板定位和(b)已定位的厚、薄板示意圖Fig.2 Schematic of (a) positioning the thick plate and (b) the positioned thick and thin plates

        1.2 定位器設(shè)計

        定位器是保證焊件能在夾具中處于正確位置的部件,也可稱為定位原件或定位機構(gòu)[7]。為了保證工件的定位精度,厚板的導(dǎo)向定位基面定位器采用氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu),并使其氣缸的行程精度達到±0.1 mm,如圖3所示。

        圖3 氣動翻轉(zhuǎn)定位器Fig.3 Pneumatic turnover locator

        焊接夾具的定位器還要有良好的耐磨性、機械剛度以及較高的制造精度和安裝精度。本文設(shè)計的夾具,安裝基面的定位器主要承受焊件的重力,其與焊件接觸的部位易磨損,因此在電磁鐵基面以外附加了墊板滾珠,其最高點為支撐點,比電磁鐵安裝面高0.2~0.3 mm,可避免焊接件直接接觸電磁鐵而發(fā)生磨損[8],如圖4所示。

        圖4 電磁鐵附加墊板Fig.4 Additional pad for electromagnet

        1.3 工件夾緊力計算

        焊接夾具的設(shè)計計算首先要確定焊接時焊件所需的夾緊力,然后根據(jù)夾緊力大小、焊件結(jié)構(gòu)、夾緊點布置、安裝空間大小以及激光焊接頭的可達性等因素確定夾緊機構(gòu)的型號和數(shù)量,并計算選定夾緊機構(gòu)的強度和剛度[9]。

        焊件所需的夾緊力大致可分為4類。第1類是預(yù)防焊接件在焊后冷卻過程中發(fā)生變形所需的夾緊力;第2類是焊接前對焊件施加反向變形力所需的夾緊力;第3類是焊件裝配時,為了保證安裝精度,確定間隙和位置所需的夾緊力;第4類是在具有翻轉(zhuǎn)功能的夾具或胎具上,為克服重力作用所需的夾緊力。

        目前,由于焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和計算理論的不完善,對上述前3類夾緊力尚不能進行理論計算,因此往往采用數(shù)值模擬計算軟件或通過試驗來確定夾緊力。本文采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法確定夾具的夾緊力[9]。

        薄板在焊接過程中易產(chǎn)生波浪變形或局部的圓形或橢圓形鼓包,或在焊縫附近凹陷而使板面扭曲變形。板材的圓形鼓包可理解為周邊固定的板材在均布載荷q作用下形成的彎曲,其中心撓度可用式(1)表示:

        (1)

        將q值和C值代入式(1)后得:

        (2)

        式中:E為板材的彈性模量,近似取E=2.06×105MPa;δ為板材厚度;v為板材的泊松比,對于該材料,v=0.3。

        經(jīng)試驗測得板材變形后的f、r值,即可利用式(2)計算出F值即夾緊力。同時要考慮夾緊力是否超出板材的屈服強度,因此還需根據(jù)式(3)計算板材鼓包中心的應(yīng)力:

        (3)

        (4)

        將式(2)代入式(4)得:

        (5)

        將實測的鼓包尺寸代入式(5)即可計算出板材的應(yīng)力值σ。若該應(yīng)力值超過板材的屈服強度σs,則在計算夾緊力Fs時,將σ置換成σs得:

        (6)

        計算的夾緊力F或Fs并不是均勻地分布在整個鼓包上,而是分布在電磁鐵的N、S極之間,因此可近似地認為每段磁極的夾緊力為:

        (7)

        當σ>σs時,則計算載荷的公式為:

        (8)

        由上述公式可以計算出焊接時所需的夾緊力,以此來選擇夾緊機構(gòu)的類型和數(shù)量。該案例中0.7 mm的薄板最容易產(chǎn)生鼓包,試驗測定的薄板產(chǎn)生鼓包的r≈12 mm,因此,為保證夾持過程中薄板不出現(xiàn)鼓包,按照材料的屈服下限計算夾緊載荷,根據(jù)式(8)計算出焊接所需的最大夾緊力[10]:

        (9)

        即焊接長度上所需的最大夾緊力為10.9 N/mm。

        1.4 電磁鐵選型計算

        曲線焊縫待焊件主要依靠電磁鐵吸力夾緊,因此必須保證在較短時間內(nèi)提供足夠大的吸力,且在激光焊接后能快速消磁,以便快速且方便地取下焊接板。本文選用進口的電磁鐵,能保證設(shè)備運行的壽命和可靠性。由于電磁鐵在使用中會發(fā)熱,為使電磁鐵能及時散熱,必須增加水冷系統(tǒng)。本文電磁鐵的水冷系統(tǒng)設(shè)計為4回路,其結(jié)構(gòu)如圖5所示(每個虛線框為一個回路)。

        圖5 電磁鐵水冷系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic of water- cooling system of the electromagnet

        電磁鐵的磁力可根據(jù)安培力公式和磁化強度矢量的定義推導(dǎo):

        (10)

        式中:φ為通過鐵芯極化面的磁通,wb;δ為未吸合時銜鐵和鐵芯的氣隙長度,cm;α為修正系數(shù),一般為3~4,本文取4;s為鐵芯極化面面積,cm2。

        式(10)中磁通量為:

        φ=IW×Gδ×108

        (11)

        式中:IW為線包的安匝值,匝數(shù)W=7.36×104;Gδ為工作磁通的磁導(dǎo),H。

        工作磁通的磁導(dǎo)計算公式為:

        (12)

        式中:R0為銜鐵旋轉(zhuǎn)到鐵芯中心的長度,cm;μ0為空氣中的磁導(dǎo)率,0.4π10-8H/cm;r為極化面半徑,cm。

        由圖6所示的電磁鐵結(jié)構(gòu)圖可知,R0=0.56,r=0.3,δ=0.069,故由式(12)可得磁導(dǎo):

        (13)

        φ=IW×Gδ×108=4.12×105I

        (14)

        為防止0.7 mm厚的鋼板出現(xiàn)鼓包,按式(8)推導(dǎo)出需要單位面積10.9 N/mm2夾緊力,根據(jù)鋼板尺寸,在111 mm×902 mm 面積上需要約104N夾緊力。

        圖6 電磁鐵結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Sketch drawing of the electromagnet

        將F=104以及式(11)、(12)、(14)和上述已知量代入式(10)得:

        電流I=0.73A

        已知電磁鐵的工作電壓為110 V,由P=UI推導(dǎo)出功率為80 W。由此確定該電磁鐵的主要參數(shù)為工作電壓110 V、功率80 W。

        1.5 工件預(yù)緊力的數(shù)值模擬

        通常,電磁鐵的吸力采用經(jīng)驗公式計算,但不能直觀地反映磁場分布,而且對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料不同或貼合間隙大的焊件誤差較大,因此本文采用數(shù)值模擬的方法進行研究[11]。

        有限元分析的操作流程至少有前處理、計算和后處理3步[12]。本文首先利用3D軟件建立求解模型,劃分網(wǎng)格,添加材料和界面屬性,施加邊界條件和受力,利用數(shù)值模擬軟件得到可視化分析結(jié)果。在劃分網(wǎng)格時,焊縫附近的單元格要細分,為了確保模擬軟件的計算速度,節(jié)約系統(tǒng)資源,遠離焊縫的單元格可以給予較大的尺寸[13]。采用模擬軟件計算得到的結(jié)果如圖7所示。

        焊件邊部與定位銷接觸,所以數(shù)值模擬初始處于接觸狀態(tài)。曲線形焊縫的兩側(cè)即C區(qū)和D區(qū),由于電磁鐵提供電磁力,也處于接觸狀態(tài),并且從應(yīng)力分布可知,電磁鐵的吸力使這兩個區(qū)域處于均勻受力的狀態(tài)。

        從圖8可以看出,焊縫附近的應(yīng)力最大,且均勻分布,有效應(yīng)力最大值為10.23 MPa,即10.23 N/mm2,與式(9)的推導(dǎo)結(jié)果基本吻合。所以從有限元分析結(jié)果進一步證明電磁鐵選型基本正確。

        圖7 焊接件有限元模擬示意圖Fig.7 Schematic of finite element simulation of welded assembly

        圖8 曲線焊縫有效應(yīng)力有限元模擬示意圖Fig.8 Schematic of finite element simulation of effective stress for the curve welded joint

        2 應(yīng)用及效果

        根據(jù)上述方案設(shè)計、制作了汽車門板的焊接專用夾具,并投入生產(chǎn)應(yīng)用。在使用該夾具時,首先要正確安裝,并且待焊件的平整度、外觀等都應(yīng)符合激光焊接的相關(guān)要求。在這些均滿足的條件下,連續(xù)進行了17批次門板的試生產(chǎn),所記錄的數(shù)據(jù)列于表1。圖9為夾具和門板的照片。

        表1 17批次門板的試生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 1 Data regarding 17 batches of the trial- produced door panel

        從表1可以看出,試生產(chǎn)的門板共4 890件,合格品4 889件,不合格品1件,廢品率0.20%,焊接質(zhì)量穩(wěn)定, 說明該專用夾具能滿足批量生產(chǎn)要求。由表1還可以看出,零件生產(chǎn)時循環(huán)時間穩(wěn)定,無異常停機故障。

        圖9 (a)專用夾具和(b)門板照片F(xiàn)ig.9 Macrographs of (a) the special fixture and (b) the door panel

        3 結(jié)束語

        (1)隨著對汽車輕量化要求的進一步提高,曲線形焊縫的焊接鋼板在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

        (2)焊接汽車鋼板時,焊件的定位過程為:用定位銷先對厚板進行Y向自由度限制,用氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)對厚板進行X向自由度限制,用底部電磁鐵作為基準面進行Z向自由度限制;然后,利用厚板定位后的邊緣限制薄板的X、Y向自由度,Z向自由度限制仍依靠底部電磁鐵。

        (3)焊件的夾緊主要靠電磁鐵吸力,應(yīng)保證能在較短時間內(nèi)提供足夠大的吸力,且激光焊接后能夠快速消磁。電磁鐵的水冷系統(tǒng)為4回路。

        (4)根據(jù)彈性力學(xué)原理計算的焊接過程中所需的夾緊力約為10.9 N/mm2,用電磁力學(xué)公式推導(dǎo)出提供該夾緊力所需的電磁鐵工作電壓為110 V,功率80 W,這是設(shè)計夾具的依據(jù)。通過有限元模擬得到的該夾具在焊縫附近提供的最大有效應(yīng)力為10.23 MPa,即10.23 N/mm2,這與夾緊力的計算結(jié)果基本吻合,證明電磁鐵選型合理。

        (5)采用試制的焊接專用夾具激光焊接某汽車門板的一次合格率達到了99.8%,能滿足激光焊接質(zhì)量要求和企業(yè)的生產(chǎn)效率要求,實現(xiàn)汽車零部件的批量生產(chǎn)。

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