点焊接头设计对车身质量的影响

1、设计与研究点焊接头设计对车身质量的影响陈 猛 , 郭 钢 , 徐宗俊(重庆大学 机械工程学院 C AD C AM 室 , 重庆 400044摘要 :基于有限元分析方法 , 探讨了点焊三种接头形式对车身力学性能和尺寸精度的影响 , 指出了车身点焊采用不同的 接头形式时应重点考虑的问题 。关键词 :点焊 ; 接头 ; 车身 ; 质量中图分类号 :TG44 文献标识码 :A 文章编号 :1006-0316(2001 04-0009-03I nfluence of spot w elding joints on the quality of automobile bodyw orkCHE N Meng

2、 , G UO G ang X U 2(The C ollege of Mechanical Engineering of Chongqing , , Abstract :Basedon the method of finite element analysis of joints on autom obile body w ork s mechanics property and dimension precision were , main taken into consider was pointed.K ey w ords :spot2; w , 它是由百 余种 、 甚至数百种薄板冲压

3、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

4、 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

5、。由于汽车车身是薄板件 , 车身板厚为 0. 82mm 。 假设覆盖件壁厚为 , 采用合理的焊接规范 , 焊点直径 d 应为板厚 平方根的 56倍 ; 熔透率 a=0. 30. 7。 根据接头设计要求 , 焊点还应满足 :焊点间距 t 1 3d ; 边距 t 2 2d2; 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 100mm 、 宽 50mm 、 板厚 1mm ; 焊点的布置 为单排 , 间距 20mm 、 边距 10mm 、 焊点直径 5mm 。图 1 点焊接头形式9 机械 2001年第 28卷第 4期 收稿日期 :2001-04-08基金项目 :国家自

6、然科学基金项目 (59875086作者简介 :陈猛 (1972- , 男 , 重庆大学博士研究生 , 主要研究方向为汽车制造 CAD CAE 技术 , 发表论文 5篇 ; 郭钢 (1963- , 男 , 工学博 士 , 重庆大学教授 , 研究方向为 PDM 技术、 逆向工程 ; 徐宗俊 (1934- , 男 , 重庆大学教授、 博士生导师 , 研究方向为现代先进制造技术、 产 品虚拟集约设计。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

7、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 (IS O 曾于 1954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 、 荷及边界约束 商 MSC , Nastran 作 为解算工具 。 , 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

8、连接起来 。将接头的一端固定 , 另一端施 加载荷 (力 F =100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 4526. 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 45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

9、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

10、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v a =f (v 1, v 2, , v n , v c , v g 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

11、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 =K p V p (1 式中 :F 是列向量 , 表示夹具或焊枪施力的大小 ;K p 是结构的刚度矩阵 ;V p 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 K a 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 V a 满足式 (2K a V a =F (2将式 (1 代入式 (2 得 01 机械 2001年第 28卷第 4期 V a =K a -1K p V p (3式 (3 表明 , 焊接后部件的回弹量是由焊前刚度 矩

12、阵 K p 、 焊后刚度矩阵 K a 和焊前零件误差 V p 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 v 1、 v 2、 v g 分别表示搭接接头零件 P 1、 零件P 2和焊枪的误差 , 根据材料力学可知 , 将零件 P 1和 P 2压到焊枪位置进行焊接需要的力 F 大小为F =L31(v 1-v g +L 32(v 2-v g (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

13、轴的转动 。 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 K A =E A L , K I =EI L 3 , 代入式 (2 得K (1A +K (2A2K (2-(1A12(1IK (I L 1K (1I-L 2

14、K (2I 12(K(1 I+K (2 IK(1 IL 2K (2 I4L 21K(1 I+(h 22K(1 A+4L 22K(2 I+(h 22K(2 Au (s a v (s a(s a=0F(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 =h 2h 1, 用工程计算软件 Matlab5. 3求解得v (s a=s 1(v 1-v g +s 2(v 2-v g s 1=234(1+3+32+143+34+35+6s 2=3s 1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

15、 a 与 v g 之和 , 即v a =v (s a+v g =s 1v 1+s 2v 2+(1-s 1-s 2 v g令 s g =1 -s 1-s 2, 表示焊枪偏差系数 。用 Mat 2lab 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 。 参考文献 :1邓仕珍 , 范淼海 . 汽车车身制造