摘要：通過焊接模擬仿真軟件對(duì)某小批量生產(chǎn)車型車身的總拼焊胎工裝進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的模擬研究，結(jié)合焊胎各關(guān)鍵控制部位的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果，分析焊胎關(guān)鍵控制部位的焊接變形是否在可控要求范圍之內(nèi)，為總拼焊胎工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐，進(jìn)而保證裝焊車身的整體外形尺寸和精度。

關(guān)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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)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(shí)滿足小批量生產(chǎn)模式需求，節(jié)省人力、物力和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)空間，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)焊胎夾具轉(zhuǎn)產(chǎn)靈活，改型擴(kuò)展方便，可塑性強(qiáng)[3]。

總拼焊胎的設(shè)計(jì)

在什么樣的生產(chǎn)條件下使用哪種類型的焊胎夾具才是最經(jīng)濟(jì)合理的，也就是其經(jīng)濟(jì)性，一直以來都是焊胎夾具結(jié)構(gòu)發(fā)展和設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問題[4，5]。本文針對(duì)某小批量生產(chǎn)車型進(jìn)行總拼焊胎的工藝設(shè)計(jì)。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(cè)圍焊合、后圍焊合在整個(gè)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(guān)鍵控制定位點(diǎn)的裝夾位置也隨之確定?？偲春柑ゲ捎闷揭剖浇Y(jié)構(gòu)，某車型總拼焊胎的三維示意如圖1所示。

總拼焊胎焊接結(jié)構(gòu)的有限元研究

車身總拼焊胎作為大型焊接結(jié)構(gòu)件，其焊接質(zhì)量直接影響到工裝夾具結(jié)構(gòu)的可靠性和后續(xù)白車身產(chǎn)品的精度及質(zhì)量[6]。地板總拼是白車身總成的第一步，整個(gè)工裝夾具地板基座部分的上平面作為車身總拼的基準(zhǔn)，其焊接質(zhì)量及平面度是整個(gè)車身總成拼焊的關(guān)鍵。側(cè)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(zhì)量及平面度同樣需要重點(diǎn)控制。本文針對(duì)這兩部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(gè)數(shù)學(xué)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(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合，計(jì)算得到焊接過程各個(gè)時(shí)刻焊接熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫度、焊接應(yīng)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(duì)地板基座部分工裝上面框架和側(cè)圍立面板的焊接過程進(jìn)行了有限元分析。其結(jié)構(gòu)中共存在的焊縫均為角焊縫，按照預(yù)定的焊接順序進(jìn)行仿真計(jì)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(nèi)容。

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

將結(jié)構(gòu)放置在平臺(tái)上進(jìn)行施焊，需在結(jié)構(gòu)下面設(shè)置焊接平臺(tái)，由于結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，在對(duì)稱面處施加對(duì)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(cè)圍立面的約束施加結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

2.焊接結(jié)果分析

仿真工藝鏈特性分析焊接過程，在工況一的焊接計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jì)算可以得到冷卻至室溫后地板基座上平面框架和側(cè)圍立面板的溫度、焊接變形量等參數(shù)。

（1）地板基座上平面框架" 計(jì)算結(jié)果如下：

1）整體最高溫度結(jié)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(qū)，距離焊縫越遠(yuǎn)則熱影響越小。

2）熱變形結(jié)果。熱變形結(jié)果可以表示出結(jié)構(gòu)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(shí)可以捕捉最大變形量和最小變形量在結(jié)構(gòu)中的具體位置。 整體變形（總位移）結(jié)果如圖6所示。

分析計(jì)算結(jié)果得出：總拼夾具地板基座上面框架焊接熱變形最大出現(xiàn)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(cè)圍立面板" 計(jì)算結(jié)果如下：

1）整體最高溫度結(jié)果。整體最高溫度分布如圖7所示。在側(cè)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(qū)，距離焊縫越遠(yuǎn)則熱影響越小。

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

分析計(jì)算結(jié)果得出：

總拼夾具側(cè)圍立面板焊接熱變形最大出現(xiàn)在中立柱內(nèi)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(nèi)，且位置未位于地板關(guān)鍵貼合面部位；側(cè)圍立面板整體最大變形量為0.63mm，位于中立柱內(nèi)面中折線位置，雖位于側(cè)圍關(guān)鍵定位控制面處但在可控范圍之內(nèi)。因此，地板基座上面框架和側(cè)圍立面板的焊接變形量符合整個(gè)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(chǎn)品關(guān)鍵定位控制面的焊接結(jié)構(gòu)符合工裝夾具精度理論技術(shù)要求。

結(jié)語

有限元仿真分析是驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論可靠性的有效手段，是正式投產(chǎn)前進(jìn)行模擬試用并及時(shí)完善的控制途徑，其運(yùn)用不但可以進(jìn)行后期預(yù)見節(jié)省人力物力，同時(shí)可以提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造效率。

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

參考文獻(xiàn)：

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