王成軍，尚晨晨，李盛良

(1.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001;3.奇瑞新能源汽車股份有限公司制造工程部，安徽 蕪湖 241002)

為降低燃料消耗和污染排放，汽車輕量化已成為新能源汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)和使用輕質(zhì)化材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效方法。采用優(yōu)良焊接技術(shù)的鋁合金車身既能保證車身強(qiáng)度、剛度及抗沖擊性能，又能較大程度地實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化。

鋁合金的熱膨脹系數(shù)約為鋼鐵的2倍，與鋼鐵焊接相比，鋁合金焊接溫度場在時(shí)間和區(qū)域上梯度差異性大、變化劇烈且焊接變形頻繁，焊后結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力較大，且難控制。由此所導(dǎo)致的鋁合金車體形狀尺寸精度較差、焊縫強(qiáng)度和疲勞性能不足，進(jìn)而造成車體焊接失效，甚至車體報(bào)廢。因此，加強(qiáng)對鋁合金車身焊接殘余應(yīng)力及變形的控制具有重要意義。

焊接應(yīng)力和變形的控制可以從改良焊前組裝精度、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、調(diào)整焊接順序和焊后消除殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行。焊接時(shí)，通過合理安排焊接順序可有效減少焊接應(yīng)力和變形。在鋁合金焊接應(yīng)力及變形研究中，基于數(shù)值模擬技術(shù)能夠克服構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力難以解決的問題，對優(yōu)化鋁合金車體焊接工藝、減少焊接變形具有重要指導(dǎo)作用。

車身地板上的各橫梁和縱梁是分散車身撞擊部位傳遞沖擊力的重要構(gòu)件。分析地板的焊接應(yīng)力、加強(qiáng)對地板焊接變形的控制，對減小車艙變形、保證人員安全具有重要意義。本文選取新能源汽車鋁合金車體前地板骨架結(jié)構(gòu)為研究對象，基于SYSWELD分析焊接順序?qū)ζ浜附討?yīng)力的影響，并研究前地板骨架結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律，為開發(fā)多維振動(dòng)時(shí)效設(shè)備和工藝提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型

1.1 有限元模型建立

奇瑞新能源汽車S61車身骨架為全鋁空間架構(gòu)，由鋁合金型材焊接而成，包括側(cè)圍骨架，地板骨架、頂部橫梁和前艙骨架等，如圖1所示。

圖1 奇瑞新能源汽車S61全鋁車身骨架

選取前地板為研究對象，運(yùn)用CATIA進(jìn)行三維模型的建立，前地板總體尺寸(長×寬×型材厚)為1 510mm×1 440mm×2mm。為保證計(jì)算精度，運(yùn)用Visual-Weld劃分有限元網(wǎng)格時(shí)，全部采用六面體過渡性網(wǎng)格，模型共有110 870個(gè)節(jié)點(diǎn)、56 670個(gè)單元。前地板網(wǎng)格模型、具體結(jié)構(gòu)及焊縫位置如圖2所示。

1、6左、右門檻連接梁；2、7 前座椅左、右前橫梁； 3、4左、右中通道縱梁；5 前座椅前橫梁中段梁； 8前座椅后橫梁；a～j 焊接區(qū)圖2 前地板骨架有限元模型

1.2 材料屬性

前地板材料為6061鋁合金，假定焊縫區(qū)材料與母材相同，6061鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))與力物性能(25℃)如表1～表2所示。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分表 %

表2 6061鋁合金力學(xué)性能表

1.3 熱源模型

前地板焊接方法為MIG焊。為更精確地模擬焊接過程，焊接熱源選用文獻(xiàn)[11]提出的雙橢球熱源模型，如圖3所示。

圖3 雙橢球熱源模型

雙橢球熱源模型分為前后兩個(gè)部分，具有不對稱性，體現(xiàn)了焊接過程中熱源溫度變化前端快后端慢的特點(diǎn)，通常在電弧焊接模擬中使用。其前后兩個(gè)橢球熱流密度分布函數(shù)為

式中：

a

、

a

、

b

、

c

為熱源尺寸參數(shù)，選取

a

=4,

a

=6,

b

=4,

c

=3；

f

、

f

為熱源前后兩部分能量輸入比例，且

f

+

f

=2；

Q

為有效功率。

式中：

U

為焊接電壓，V；

I

為焊接電流，A；

v

為焊接速度，mm·s；

η

為熱效率系數(shù)。

2 焊接順序及參數(shù)設(shè)計(jì)

前地板骨架結(jié)構(gòu)共有10個(gè)焊接區(qū)，沿中心線呈對稱分布，每處有3～4條焊縫?，F(xiàn)場焊接時(shí)，一般采用兩臺機(jī)器同時(shí)焊接。為研究焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響，本文根據(jù)前地板骨架焊縫分布規(guī)律，結(jié)合對稱焊接原理、焊接路徑最小化原則和現(xiàn)場焊接的可行性設(shè)計(jì)了5種焊接方案，如表3所示。方案1為單焊槍焊接，焊接順序如圖4(a)所示；方案2和方案3焊接順序相同，如圖4(b)所示，方案2使用單焊槍焊接，沿著兩條路徑對稱位置交替焊接，方案3使用雙焊槍從兩側(cè)向中間焊接；方案4和方案5采用雙焊槍從中間向兩側(cè)焊接，路徑不同，焊接順序如圖4(c)～圖4(d)所示。

焊接方法為MIG焊，焊接電流

I

=200A，電弧電壓

U

=20V，焊接速度

v

=13mm/s，熱效率系數(shù)1。設(shè)置初始條件為室溫20℃，冷卻條件為空氣冷卻，冷卻時(shí)間500s。

表3 焊接順序方案

(a) (b)

(c) (d)圖4 焊接順序示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 整體焊接殘余應(yīng)力分析

利用SYSWELD有限元分析軟件對5種方案進(jìn)行焊接模擬，冷卻后得到的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。方案1、2的殘余應(yīng)力最大值為211.30MPa和207.96MPa，均位于前座椅左前橫梁和左中通道縱梁連接處。方案3、4和5的殘余應(yīng)力最大值為192.67MPa、194.85MPa和194.81MPa，位于座椅右前橫梁和右中通道縱梁連接處。各焊接順序下，最大殘余應(yīng)力發(fā)生部位均不是發(fā)生碰撞或沖擊時(shí)的主要受力部位，且殘余應(yīng)力最大值都低于材料屈服強(qiáng)度，不會(huì)對前地板骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

(d)方案4

(e)方案5圖5 殘余應(yīng)力分布云圖

5種焊接方案下

X

、

Y

、

Z

三個(gè)方向的殘余應(yīng)力如圖6所示。從圖6中可以看出，前地板骨架

Z

方向殘余應(yīng)力最大，都在200MPa以上，

Y

方向次之，

X

方向最小。5種焊接方案下所產(chǎn)生的

X

向和

Y

向殘余應(yīng)力近似，

Z

向殘余應(yīng)力變化明顯，是由于前地板骨架結(jié)構(gòu)沿

Z

方向焊縫較多且較長，熱源作用時(shí)間久，導(dǎo)致

Z

方向殘余應(yīng)力值較大，在不同焊接順序下變化明顯。

圖6 不同焊接方案下各向最大應(yīng)力

3.2 主焊縫局部焊接應(yīng)力分析

左門檻連接梁和前座椅左前橫梁焊接區(qū)a第3條焊縫位置如圖7所示。圖8為沿焊縫方向殘余應(yīng)力分布情況。從圖8中可以看出，5種焊接方案殘余應(yīng)力曲線變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為焊縫兩端應(yīng)力高于中間。在距焊縫140mm處，各方案的殘余應(yīng)力達(dá)到峰值，5種方案在該焊縫處殘余應(yīng)力差值小于8MPa。

圖7 a焊接區(qū)第3條焊縫位置

圖8 a焊接區(qū)第3條焊縫殘余應(yīng)力分布

左中通道縱梁和前座椅前橫梁中段梁焊接區(qū)c第1條焊縫位置如圖9所示。圖10為5種焊接方案下沿焊縫方向的殘余應(yīng)力分布情況。從圖10中可以看出：焊縫中間應(yīng)力較高，兩端應(yīng)力較低；方案1、2殘余應(yīng)力曲線基本一致，方案3、4和5殘余應(yīng)力曲線基本一致，且方案3、4、5殘余應(yīng)力在焊縫中間部位整體高于方案1、2。

圖9 c焊接區(qū)第1條焊縫位置

圖10 c焊接區(qū)第1條焊縫殘余應(yīng)力分布

前座椅后橫梁和左中通道縱梁焊接區(qū)h第3條焊縫位置如圖11所示。圖12為5種焊接方案下沿焊縫方向的殘余應(yīng)力分布情況。從圖12可以看出，殘余應(yīng)力沿焊縫方向先減小后增大，殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊縫起始點(diǎn)處；方案1、2殘余應(yīng)力曲線基本一致，焊縫3、4、5殘余應(yīng)力曲線基本一致，且方案3、4、5殘余應(yīng)力整體高于方案1、2。

圖11 h焊接區(qū)第3條焊縫位置

圖12 h焊接區(qū)第3條焊縫殘余應(yīng)力分布

沿著焊縫方向，從不同焊縫處局部殘余應(yīng)力來看：方案4產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大，方案2產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最小。在焊接順序相同時(shí)，雙焊槍對稱焊接較單焊槍焊接時(shí)產(chǎn)生的局部殘余應(yīng)力大。雙焊槍對稱焊接時(shí)，方案3順序下產(chǎn)生的局部應(yīng)力較方案4和方案5小。

通過上述整體與局部焊接殘余應(yīng)力分析可知，采用雙焊槍對稱焊接時(shí)，前地板骨架結(jié)構(gòu)焊縫局部的焊接殘余應(yīng)力都高于單焊槍焊接，但整體焊接殘余應(yīng)力峰值都低于單焊槍焊接。分析認(rèn)為：采用雙焊槍對稱焊接時(shí)，由于雙熱源同時(shí)作用，熱量輸入較大，焊縫附近殘余應(yīng)力值較大。但雙焊槍對稱焊接能使焊接時(shí)間縮短近一半，加熱時(shí)間短、冷卻時(shí)間充足，因此雙焊槍對稱焊接時(shí)的整體焊接殘余應(yīng)力峰值較小。

綜上，方案3采用雙焊槍對稱焊接，從兩側(cè)向中間進(jìn)行焊接，先焊接約束較大的構(gòu)件，再焊接約束較小的構(gòu)件，能有效降低焊接殘余應(yīng)力，因此方案3要優(yōu)于其他方案。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)焊接路徑相同時(shí)，采用單焊槍依次交替焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力峰值要高于雙焊槍對稱焊接。采用雙焊槍對稱焊接時(shí)，焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響較小。

(2)前地板骨架

Z

方向殘余應(yīng)力最大，

X

、

Y

方向殘余應(yīng)力較小。焊接順序?qū)?p>X

和

Y

方向殘余應(yīng)力影響較小，對

Z

向殘余應(yīng)力影響較大。

(3)對稱焊接能降低整體殘余應(yīng)力峰值，但會(huì)使焊縫局部應(yīng)力增大。基于整體殘余應(yīng)力峰值和局部殘余應(yīng)力的分析，采用方案3即雙焊槍從兩側(cè)向中間焊接的順序能有效降低前地板骨架焊接殘余應(yīng)力。