汽车车身壳体是一个复杂的结构件 ,它是由百余种、甚至数百种薄板冲压件经焊接、铆接、机械联接等方法联接而成的。由于车身冲压件的材料大都是具有良好的焊接性能的低碳钢 ,所以现代汽车车身制造中焊接是应用最广泛的连接方式 ,其中电阻点焊又占据了焊接工作量的 70 %以上 ,有的车身几乎全部采用电阻焊<1> 。汽车车身装焊是一个零件、合件、分总成、总成的过程 ,它是一个典型的焊接结构件 ,点焊工艺设计是否恰当将直接影响车身的制造质量 ,尤其是力学性能和尺寸精度。以往的研究大都集中在点焊规范对搭接接头的力学性能 (主要是抗剪强度 )的影响上 ,采用的手段是破坏实验。本文将借助有限元分析方法 ,重点论述汽车车身电阻点焊三种接头形式对车身力学性能和尺寸精度的影响 ,旨在探讨一种新的研究思路。1 接头设计焊接接头的种类有很多种 ,但是在设计汽车车身电阻点焊工艺时 ,根据需要常采用三种接头形式 ,即 :搭接、折边、搭折 ,如图 1所示。搭接是常用的接头形式 ;当板较大 ,采用搭接接头焊枪不易到达接头或者出于外观的需要 ,常常采用折边接头 ;搭折接头一般用于转角连接。汽车车身电阻点焊时 ,接头设计应遵循以下原则 :(1)电极易于到达 ;(2 )有足够的搭接边 ;(3)焊点尽量位于刚度较小的部位 ;(4)焊点间应保持一定的点距尺寸以限制分流 ;(5 )竭力避免不对称设计。由于汽车车身是薄板件 ,车身板厚为 0 .8～2ｍｍ。假设覆盖件壁厚为δ ,采用合理的焊接规范 ,焊点直径ｄ应为板厚δ平方根的 5～ 6倍 ;熔透率ａ=0 .3δ～ 0 .7δ。根据接头设计要求 ,焊点还应满足 :焊点间距ｔ1≥ 3ｄ ;边距ｔ2 ≥ 2ｄ<2 > ;因此 ,本文将用以下尺寸参数为例进行接头的力学性能和尺寸精度分析 :零件长 10 0ｍｍ、宽 5 0ｍｍ、板厚 1ｍｍ ;焊点的布置为单排 ,间距 2 0ｍｍ、边距 10ｍｍ、焊点直径 5ｍｍ。图 1 点焊接头形式2 力学性能从电阻点焊接头的几何形状上看 ,搭接与折边都将在焊点周围产生应力集中。搭接接头主要承受切应力 ,此外还将承受由于偏心引起的拉应力 ;折边接头主要承受拉应力 ;搭折接头根据不同的受力情况 ,可以大致等同于搭接或折边。根据试验结果知道 ,折边接头更容易破坏。这说明折边接头在同样的受力情况下 ,焊点周围应力更为高度集中。国际标准化组织 (ＩＳＯ)曾于 195 4年提出了以试验为基础的焊接结构静载计算方法 ,此后陆续发表了这方面研究的大量试验数据。下面我们采用有限元方法定量地分析搭接和折边接头 的应力分布情况。有限元分析的重点是模型建立、网格划分和载荷及边界约束。我们采用全球最大ＣＡＥ软件供应商ＭＳＣ公司的有限元前后置处理系统Ｐａｔｒａｎ建模,并用大型通用有限元结构分析程序系统Ｎａｓｔｒａｎ作为解算工具。在划分网格时 ,将接头零件划分为四边形网格 ,同时考虑到焊点直径较大 ,为准确拟合实际情况 ,必须将整个焊点尺寸范围内的节点全部用焊点单元连接起来。将接头的一端固定 ,另一端施加载荷 (力Ｆ =10 0牛顿 )。分析结果表明 :搭接与折边接头都将在焊点处产生应力集中 ,沿宽度方向应力分布图如图 2所示。图 2 应力分布对比图从图中可见 ,折边接头的应力集中大大超过搭接接头 ,其尖峰应力为 4 5 2 6 .4Ｐａ ,而搭接接头尖峰应力只有 982 .1Ｐａ。而破坏试验表明 ,破坏上述搭接接头所需的力大约是折边接头的 4～ 5倍。由此可见 ,有限元分析结果能够较好地和试验结果相吻合。图3是折边接头的应力分布图。汽车在使用时总是处于路面动态随机激励作用中 ,尤其在劣道路激励时 ,较大的反复作用应力往往使车身产生疲劳。由于折边接头的应力严重集中 ,因此它比搭接接头更易产生疲劳断裂 ,导致焊接结构失效。因此 ,从力学性能的角度出发 ,在车身点焊工艺设计时应尽量避免折边接头。车身外表面零件焊接时 ,出于外观的需要 ,常常将焊接接头设计为折边接头。实际上 ,部分折边接头可以用加盖板的搭接接头代替 ,同时将与外表面接触的电极改为接触面积较大的导电板以减轻或消除工件的压痕。这样 ,不但满足了车身外观的需要 ,同时也提高了接头的力学性能。图 3 折边接头应力分布图3 尺寸精度汽车车身的尺寸精度是衡量车身制造水平的重要指标 ,焊接工艺是影响车身尺寸精度的重要因素之一。焊装时 ,由于零件和装焊系统存在着误差 ,因此焊接后的部件也不可避免地存在着误差 ,部件的误差是零件误差和系统误差 (主要是夹具和焊枪 )的函数 ,即ｖａ=ｆ(ｖ1,ｖ2 ,… ,ｖｎ,ｖｃ,ｖｇ)零件的变形是弹形范围内的小变形 ,在简单估计部件误差时 ,通常认为各种误差的影响权重均衡。显然 ,这种估算方法将导致零件公差要求的过约束。如何较为科学地求出该函数关系以发现影响接头偏差的主要因素 ,工程技术人员为此提出了许多有效的解决思路。下面阐述Ｍｉｃｈｉｇａｎ大学在 2ｍｍ工程中采用的研究方法。我们知道 ,将有误差的零件压到指定的位置进行焊接 ,需要夹具或焊枪施加力Ｆ大小可由下式求得{Ｆ} =<Ｋｐ>{Ｖｐ} (1)式中 :{Ｆ}是列向量 ,表示夹具或焊枪施力的大小 ;<Ｋｐ>是结构的刚度矩阵 ;{Ｖｐ}也是列向量 ,表示节点的位移量。焊接使多个零件组成了一个部件 ,部件的刚度矩阵用 <Ｋａ>表示。夹具打开后 ,部件由于所受的作用力释放而回弹 ,回弹量 {Ｖａ}满足式 (2 )<Ｋａ>{Ｖａ} ={Ｆ} (2 ){Ｖａ} =<Ｋａ>-1<Ｋｐ>{Ｖｐ} (3)式 (3)表明 ,焊接后部件的回弹量是由焊前刚度矩阵 <Ｋｐ>、焊后刚度矩阵 <Ｋａ>和焊前零件误差 {Ｖｐ}三者共同决定的。车身电阻点焊时常用的 3种接头在焊接前后的刚度矩阵变化存在着差异 ,因此即使焊接前零件误差相同 ,焊接后也将产生不同的部件回弹。下面以搭接接头为例进行分析。用ｖ1、ｖ2 、ｖｇ 分别表示搭接接头零件Ｐ1、零件Ｐ2 和焊枪的误差 ,根据材料力学可知 ,将零件Ｐ1和Ｐ2 压到焊枪位置进行焊接需要的力Ｆ大小为Ｆ =3ＥＩ1Ｌ31(ｖ1-ｖｇ) + 3ＥＩ2Ｌ32(ｖ2 -ｖｇ) (4)零件装夹到夹具上后 ,待焊零件的端点有三个自由度 ,即沿Ｘ、Ｙ轴的平动ｕ、ｖ和绕Ｚ轴的转动θ。焊接完成焊枪松开后部件焊点处有三个自由度 ,将产生回弹。此时零件的刚度矩阵是一个 6× 6阶的对称矩阵 ,推导时要注意中心层面发生了偏移<3 > ,部件的刚度矩阵是 9× 9阶对称阵。但由于接头两端固定没有位移 ,因此在计算时可将该矩阵的前后3行和前后 3列去掉 ,得到 3× 3阶矩阵。用Ａ表示零件的横截面积 ,ｈ表示厚度 ,Ｉ表示惯性矩 ,Ｅ表示材料的弹性模量 ,令ＫＡ =ＥＡ Ｌ ,ＫＩ=ＥＩ Ｌ3 得到焊接后的结构刚度矩阵 ,代入式 (2 )得Ｋ( 1)Ａ +Ｋ( 2 )Ａ 0 ｈ22 Ｋ( 2 )Ａ - ｈ12 Ｋ( 1)Ａ0 12 (Ｋ( 1)Ｉ +Ｋ( 2 )Ｉ ) 6 (Ｌ1Ｋ( 1)Ｉ -Ｌ2 Ｋ( 2 )Ｉ )12 (Ｋ( 1)Ｉ +Ｋ( 2 )Ｉ ) 6 (Ｌ1Ｋ( 1)Ｉ -Ｌ2 Ｋ( 2 )Ｉ ) 4Ｌ21Ｋ( 1)Ｉ + (ｈ12 ) 2 Ｋ( 1)Ａ + 4Ｌ22 Ｋ( 2 )Ｉ + (ｈ22 ) 2 Ｋ( 2 )Ａｕ(ｓ)ａｖ(ｓ)ａθ(ｓ)ａ=0Ｆ0(5 )式中上标代表零件的代号。我们主要关心的是焊接接头在ｙ方向的偏移ｖ ,将式 (4)代入式 (5 )并令 ξ =ｈ2 ｈ1,用工程计算软件Ｍａｔｌａｂ5 .3求解得ｖ(ｓ)ａ =ｓ1(ｖ1-ｖｇ) +ｓ2 (ｖ2 -ｖｇ)ｓ1= 4 + 3ξ + 3ξ2 + 4 ξ34 (1+ 3ξ + 3ξ2 + 14ξ3 + 3ξ4 + 3ξ5+ ξ6)ｓ2 =ξ3 ｓ1焊后部件的回弹量ｖ(ｓ)ａ 表示接头从焊枪处的偏移值 ,因此接头总的误差量应为ｖ(ｓ)ａ 与ｖｇ 之和 ,即ｖａ=ｖ(ｓ)ａ +ｖｇ=ｓ1ｖ1+ｓ2 ｖ2 + (1-ｓ1-ｓ2 )ｖｇ令ｓｇ=1-ｓ1-ｓ2 ,表示焊枪偏差系数。用Ｍａｔ ｌａｂ绘出偏差系数与零件厚度之比的关系如图 4。图 4 偏差系数与零件厚度的关系由图 4可见 ,当两板厚度相当时 ,搭接接头最终偏差主要由焊枪的偏差决定 ,反之对厚板件的偏差敏感。根据上面介绍的方法 ,同样可以推导出折边接头和搭折接头的各种偏差系数与零件厚度的关系 ,由于篇幅所限 ,笔者就不一一赘述其分析过程 ,但是需要指出的是 :折边接头对系统偏差不敏感 ,其偏差主要由零件的偏差决定 ;当平头厚度大于弯头厚度时 ,搭折接头偏差对平板件偏差敏感 ,反之则对焊枪的偏差敏感。4 结束语汽车车身的制造质量是汽车工业中最为关心的问题 ,焊接工艺是影响车身制造质量的最重要的因数之一 ,不同的点焊接头形式对车身的力学性能和尺寸精度的影响不容忽视。有限元方法研究表明 :搭接接头的力学性能优于折边接头 ,车身点焊应尽量使用加盖板的搭接接头代替折边接头 ;在尺寸精度上 ,不同的接头形式有不同的决定性因素影响接头的最终误差 ,应根据不同情况重点控制主要的影响因数以减小车身装焊误差。点焊接头设计对车身质量的影响@陈猛$重庆大学机械工程学院CADCAM室!重庆400044
@郭钢$重庆大学机械工程学院CADCAM室!重庆400044
@徐宗俊$重庆大学机械工程学院CADCAM室!重庆400044
点焊;;接头;;
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