摘要：為加快鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩導(dǎo)入進(jìn)程，利用數(shù)值模擬和全球制造模擬（GMS）驗(yàn)證焊接機(jī)器人的可達(dá)性、干涉性和生產(chǎn)節(jié)拍的保障能力，并通過(guò)數(shù)值模擬確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊接變形量滿足工藝要求，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線、工裝夾具的并行工程，加速導(dǎo)入工裝夾具，最終實(shí)現(xiàn)車型導(dǎo)入周期縮短3個(gè)月，成本降低約20萬(wàn)元，同時(shí)提高了焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊 數(shù)值模擬 GMS驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U466 " 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)有助于改善新能源汽車及燃油車的能耗表現(xiàn)[1]。研究表明：燃油車整車質(zhì)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(zhì)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(tǒng)鋼鐵材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑[5-6]。為此，某公司引入首款電動(dòng)汽車用鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩，所用的鋁材為HA5754，目前國(guó)內(nèi)主要研究方向?yàn)?系/6系鋁合金[7-8]，對(duì)該鋁材的焊接工藝研究較少。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成外輪廓精度直接影響表面質(zhì)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(nèi)板總成。鋁合金的線膨脹系數(shù)是鋼材的3倍，焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋、變形等缺陷[9]。因此，在圖面檢證階段，焊接夾具設(shè)計(jì)、焊點(diǎn)打點(diǎn)順序分配要求比鋼材要求更高。當(dāng)前新車型開(kāi)發(fā)周期大幅縮短，須在鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板產(chǎn)品圖紙階段通過(guò)數(shù)值模擬和全球制造模擬（Global Manufacturing Simulation，GMS）等對(duì)焊接夾具的設(shè)計(jì)、焊點(diǎn)焊接順序、焊接干涉性、節(jié)拍等進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證，在設(shè)備導(dǎo)入前期確認(rèn)工藝方案的可行性。

2 仿真模擬驗(yàn)證過(guò)程

2.1 材料介紹

該車型鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成由4個(gè)鋁質(zhì)單品通過(guò)電阻點(diǎn)焊焊接而成，4個(gè)鋁質(zhì)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(xué)成分如表1所示。

2.2 GMS模型建立

在沒(méi)有實(shí)物的情況下，為實(shí)現(xiàn)新車型檢證，依托數(shù)字化工廠對(duì)產(chǎn)品的制造過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃設(shè)計(jì)和直觀驗(yàn)證。在提高工藝規(guī)劃質(zhì)量的同時(shí)，可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，加速車型式樣的熟成，減少浪費(fèi)，并取代實(shí)車檢證。

2.2.1 線體模型建立

某公司四門(mén)兩蓋生產(chǎn)線配置有3臺(tái)雙工位包邊機(jī)，9臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，圖1所示為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物布局建立的數(shù)字化工廠，用于后期GMS仿真模擬。

2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成焊點(diǎn)分配

根據(jù)過(guò)往車型實(shí)績(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板上共有9枚側(cè)焊點(diǎn)，受現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)器人布局、數(shù)量和生產(chǎn)節(jié)拍的限制，可以在夾具內(nèi)焊接最多5枚側(cè)焊點(diǎn)。剩余的焊點(diǎn)需要在下一站位補(bǔ)焊。在焊接夾具內(nèi)完成焊接的焊點(diǎn)稱為定位焊點(diǎn)。依據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定的鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成的焊點(diǎn)焊接順序如圖2所示，其中1號(hào)～5號(hào)焊點(diǎn)在夾具夾緊的狀態(tài)下焊接，6號(hào)～9號(hào)焊點(diǎn)在夾具松開(kāi)后焊接，數(shù)字順序代表焊點(diǎn)焊接順序。

2.3 計(jì)算機(jī)輔助工程模型建立

在計(jì)算該鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)蓋電阻點(diǎn)焊數(shù)值時(shí)，為更直接地分析夾具、焊點(diǎn)焊接順序引起的焊接變形，對(duì)建立的數(shù)模做以下簡(jiǎn)化處理：

a. 鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板鋁合金板件與電阻點(diǎn)焊電極頭的材料為均質(zhì)、各向同性；

b. 各結(jié)構(gòu)件間的接觸面光滑且連續(xù)，為小位移接觸；

c. 在點(diǎn)焊的焊接加壓過(guò)程中，上下電極端面、板件焊點(diǎn)位置不產(chǎn)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(chǎn)過(guò)程中十分重要，直接影響汽車生產(chǎn)制造水平。根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)蓋相關(guān)單品的定位基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)、公差帶等，利用3D制圖軟件繪制相應(yīng)的焊接夾具（夾具對(duì)稱，僅展示一半），如圖3所示。所有元件均采用六點(diǎn)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(biāo)注了各定位單元的位置及材質(zhì)要求（如磁鐵等）。后續(xù)的仿真數(shù)值計(jì)算邊界條件設(shè)置將使用該夾具進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.3.2 網(wǎng)格劃分

鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成由內(nèi)板、加強(qiáng)件、左右鉸鏈安裝件組成，具體網(wǎng)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(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注部位，該區(qū)域的網(wǎng)格較小，尺寸為1 mm×1 mm（長(zhǎng)×寬），高度分為4層。其他的區(qū)域較為稀疏。內(nèi)板劃分為261 400個(gè)體網(wǎng)格、加強(qiáng)件劃分為82 360個(gè)體網(wǎng)格、鉸鏈安裝件劃分為17 700個(gè)體網(wǎng)格。

2.3.3 焊接參數(shù)設(shè)定

焊接參數(shù)設(shè)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(nèi)電流卸載至0，之后再保壓0.1 s。整個(gè)焊接過(guò)程中焊接壓力均設(shè)定為3.43 kN。

2.4 實(shí)物驗(yàn)證方法

GMS采用的實(shí)物驗(yàn)證包含現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工過(guò)程中的干涉情況及生產(chǎn)節(jié)拍確認(rèn)。計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer-Aided Engineering，CAE）實(shí)物驗(yàn)證包含發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成焊接變形量及夾具定位系統(tǒng)的測(cè)量。本次使用的測(cè)量?jī)x器為FARO EDGE（法如）可掃描2.7M關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x，工作溫度為10～40 ℃。

3 結(jié)果分析

3.1 GMS結(jié)果分析

將GMS仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)焊接結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢證焊接夾具設(shè)計(jì)、焊點(diǎn)焊接順序的合理性。

3.1.1 GMS仿真結(jié)果

借助數(shù)字化工廠（圖1），在虛擬環(huán)境中模擬現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)器人在焊接過(guò)程中的可達(dá)性、干涉性和加工節(jié)拍。

GMS仿真結(jié)果如圖6a所示，機(jī)蓋內(nèi)板總成在夾具內(nèi)完成打點(diǎn)后，由另外一臺(tái)機(jī)器人將其抓取后在空中進(jìn)行增打。由仿真結(jié)果可知，夾具內(nèi)的Z向5枚焊點(diǎn)和空中增打的Z向4枚焊點(diǎn)均處于焊接機(jī)器人可達(dá)范圍，機(jī)器人在焊接過(guò)程中與夾具、板件均無(wú)干涉。如圖6b所示，焊槍電極頭均垂直于打點(diǎn)面。

3.1.2 實(shí)物驗(yàn)證

對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成實(shí)物進(jìn)行焊接加工，如圖7所示，機(jī)器人可達(dá)性、焊接機(jī)器人與抓取機(jī)器人之間均無(wú)干涉。表2為鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成的加工節(jié)拍統(tǒng)計(jì)結(jié)果，加工節(jié)拍不超過(guò)41.5 s即可滿足生產(chǎn)要求。綜上所述，GMS模擬結(jié)果與實(shí)物加工結(jié)果非常吻合，即該鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成的焊接夾具、焊點(diǎn)焊接順序滿足車間布局及生產(chǎn)節(jié)拍要求。

3.2 CAE結(jié)果分析

由于板件、夾具、焊點(diǎn)焊接順序左右對(duì)稱，因此，為節(jié)約計(jì)算資源，僅對(duì)右側(cè)部分進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。如圖8所示，對(duì)機(jī)蓋內(nèi)板總成外邊界進(jìn)行區(qū)域劃分并編號(hào)，后續(xù)的機(jī)蓋總成邊界變形將按照?qǐng)D中所給位置點(diǎn)測(cè)量，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖9所示為鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成數(shù)值模擬焊接變形結(jié)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(shí)物驗(yàn)證

對(duì)上述數(shù)值計(jì)算的焊接工藝進(jìn)行實(shí)物焊接試驗(yàn)驗(yàn)證。共進(jìn)行4組焊接試驗(yàn)，并將焊接完成后的4組發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板外輪廓變形量進(jìn)行掃描統(tǒng)計(jì)。如圖10所示，對(duì)其實(shí)際焊接變形量的平均值與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，除首尾（及夾頭）附近外，內(nèi)板外輪廓焊接變形量的仿真結(jié)果與實(shí)物發(fā)動(dòng)機(jī)罩（HOOD）內(nèi)板的變形趨勢(shì)基本一致。

3.2.3 結(jié)果分析

4RB緊鄰1號(hào)焊點(diǎn)，該位置的變形主要是焊接第1個(gè)焊點(diǎn)時(shí)引起的，在焊槍加壓通電狀態(tài)下，由于鋁材的線膨脹系數(shù)是鋼材的3倍，在電阻點(diǎn)焊時(shí)更易產(chǎn)生焊接變形，在該位置夾具附近設(shè)置1組夾頭CL-3，在夾頭外力的作用下，抑制了其在焊接過(guò)程中的焊接變形。

-5RT位置遠(yuǎn)離焊點(diǎn)，在夾具設(shè)計(jì)初期，考慮到夾具成本、夾具簡(jiǎn)便性和故障率，沒(méi)有在該位置設(shè)置夾頭。從實(shí)物加工結(jié)果來(lái)看，該部位最大翹起量約為0.7 mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)管控標(biāo)準(zhǔn)（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(gè)焊點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板進(jìn)行鏈接。由打點(diǎn)順序（圖2）可知，其中2個(gè)點(diǎn)在夾具內(nèi)焊接，其他4個(gè)點(diǎn)在夾具外焊接。夾具內(nèi)選取的2個(gè)焊點(diǎn)嚴(yán)格按照定位焊點(diǎn)選取原則選取，即成型焊點(diǎn)的布置及順序要保證工件焊接完成夾具釋放后，在后續(xù)的傳送及補(bǔ)焊工序中各零件的相對(duì)位置不發(fā)生變化。-2RT～2RT位置焊點(diǎn)多且離焊點(diǎn)位置很近。在焊槍加壓通電的狀態(tài)下，在鉸鏈支架焊點(diǎn)位置附近設(shè)置了2組夾頭+2組定位銷+1組支撐塊，抑制在焊接過(guò)程中的變形。

對(duì)夾頭附近實(shí)物出現(xiàn)-Z向變形，而仿真結(jié)果為0的現(xiàn)象進(jìn)行研究。圖11所示為該夾具定位系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，T-01R位置與CL-01R位置-Z向形變?yōu)?.18 mm。夾頭處偏-Z向的位置，在外板輪廓對(duì)應(yīng)處出現(xiàn)了-Z向變形，即在內(nèi)板總成焊接前，內(nèi)板在壓頭的作用下已出現(xiàn)變形，在數(shù)值仿真計(jì)算中，內(nèi)板與壓頭為理想狀態(tài)下的剛性連接，故內(nèi)板在數(shù)值計(jì)算時(shí)不會(huì)出現(xiàn)-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?yōu)?0.63 mm的原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

為縮短新車型的投產(chǎn)時(shí)間，借助GMS、CAE仿真技術(shù)，在鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板產(chǎn)品圖紙階段對(duì)焊接夾具的設(shè)計(jì)、焊點(diǎn)焊接順序、焊接干涉性、節(jié)拍等工藝方案進(jìn)行仿真模擬，得到如下結(jié)論：

a. 焊點(diǎn)附近的焊接變形較大，需要在其周圍設(shè)置相應(yīng)的夾頭遏制其在電阻點(diǎn)焊過(guò)程中產(chǎn)生變形；

b. 在設(shè)備導(dǎo)入前期通過(guò)GMS、CAE等設(shè)計(jì)出合理的焊接工藝方案，設(shè)備導(dǎo)入后按照前期仿真的方案實(shí)施，可縮短車型導(dǎo)入時(shí)間約3個(gè)月。

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