曲線焊縫汽車鋼板激光焊接專用夾具的設計和應用

侯寶輝 宋 藝 王云浩 張 梅

(上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車身質(zhì)量、能耗、尾氣排放量等已成為各大汽車廠提升競爭力的關(guān)鍵指標，國內(nèi)外對汽車行業(yè)在節(jié)能降耗和環(huán)保方面的要求也越來越高。因此，在確保安全性的前提下，汽車車身減重是汽車廠亟待解決的問題。激光拼焊板(簡稱TWB, tailor welding blank)就是將兩張或兩張以上不同材質(zhì)、不同厚度、不同表面鍍層的鋼板，利用激光能量熔融焊接起來，然后整體沖壓和組裝成汽車車身。采用激光拼焊板制作汽車車身具有車身輕、沖壓工序簡單、安全性和可靠性好、生產(chǎn)效率高等特點，已成為各大汽車廠實現(xiàn)汽車輕量化的重要手段[1]。

目前，激光焊接產(chǎn)品的焊縫形狀主要有直線形、折線形和曲線形3種。曲線焊縫的焊接是一種精度高、柔性好的焊接工藝，但控制難度較大，要獲得良好的焊接質(zhì)量，不僅需要先進的生產(chǎn)設備和穩(wěn)定的焊接工藝，更需要與之匹配的專用夾具。焊接夾具的設計不僅要考慮其定位精度、夾緊穩(wěn)定性、系統(tǒng)剛性等基本要求，還要顧及到快速上料、夾緊、焊接、下料等工序，要能提高生產(chǎn)效率。近年來，隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展，專用夾具的應用已經(jīng)越來越普遍，已成為必不可少的裝備，能保證焊接件的精確度，防止焊件變形或位移，提高焊接質(zhì)量。

本文研究的激光焊接專用夾具，就是在焊接前對焊接件進行定位和夾緊。其目的主要有[2]：(1)避免被焊工件在焊接過程中位移；(2)使工件的焊接變形保持在可控范圍內(nèi)，并確保工件的拼接間隙穩(wěn)定。

1 曲線焊縫焊接夾具的設計

焊接夾具主要由定位機構(gòu)和夾緊機構(gòu)組成，能對焊接工件施加反向變形力或剛性夾固，從而減小焊件的變形和位移。但是在激光焊接過程中，為了減少焊接應力，又能使焊件在某一方向自由伸縮，要根據(jù)焊件的形狀和尺寸來確定夾具的定位方法、定位基準及夾緊機構(gòu)的設計[3]。設計夾具時，還應考慮其經(jīng)濟性。

以某型汽車的門板為例，它是由兩塊不同厚度的鋼板焊接而成的，厚板厚度為1.4 mm，薄板厚度為0.7 mm，其焊縫由6條直線和5條弧線組成。本文論述了該門板激光焊接專用夾具的設計和應用，門板及焊縫的形狀如圖1所示。

1.1 夾具定位方式設計

如上所述，焊接夾具主要由定位機構(gòu)和夾緊機構(gòu)組成，將待焊件按工藝要求放在確定的位置的過程稱作定位，工件保持在夾具中確定位置的過程稱作夾緊。夾具的定位設計時，首先應遵循物體定位原則即六點定則。為了保證焊件在焊接過程中位置固定，需研究焊件如何在笛卡爾坐標系中固定不動。對于笛卡爾坐標系，如果物體在空間中不與其他物體接觸，則對于空間直角坐標系而言，物體可以沿x、y、z軸移動，或者分別繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)。也就是說，一個獨立的物體在空間最多有6個自由度，因此，自由度是確定物體空間位置的參數(shù)[4- 5]。

圖1 某型汽車門板示意圖Fig.1 Schematic of a certain type of car door panel

對于上述門板的焊接用夾具，其設計思路是：首先采用定位銷對厚板進行導程定位，即Y向自由度限制；采用氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)作為厚板的導向定位，即X向自由度限制；采用底部電磁鐵作為基準面，即Z向自由度限制，如圖2(a)所示。然后，薄板的X、Y向自由度的限制均是利用厚板定位后的邊緣，Z向自由度限制仍依靠底部電磁鐵，以此完成厚板和薄板的定位[6]，如圖2(b)所示。

圖2 (a)厚板定位和(b)已定位的厚、薄板示意圖Fig.2 Schematic of (a) positioning the thick plate and (b) the positioned thick and thin plates

1.2 定位器設計

定位器是保證焊件能在夾具中處于正確位置的部件，也可稱為定位原件或定位機構(gòu)[7]。為了保證工件的定位精度，厚板的導向定位基面定位器采用氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，并使其氣缸的行程精度達到±0.1 mm，如圖3所示。

圖3 氣動翻轉(zhuǎn)定位器Fig.3 Pneumatic turnover locator

焊接夾具的定位器還要有良好的耐磨性、機械剛度以及較高的制造精度和安裝精度。本文設計的夾具，安裝基面的定位器主要承受焊件的重力，其與焊件接觸的部位易磨損，因此在電磁鐵基面以外附加了墊板滾珠，其最高點為支撐點，比電磁鐵安裝面高0.2～0.3 mm，可避免焊接件直接接觸電磁鐵而發(fā)生磨損[8]，如圖4所示。

圖4 電磁鐵附加墊板Fig.4 Additional pad for electromagnet

1.3 工件夾緊力計算

焊接夾具的設計計算首先要確定焊接時焊件所需的夾緊力，然后根據(jù)夾緊力大小、焊件結(jié)構(gòu)、夾緊點布置、安裝空間大小以及激光焊接頭的可達性等因素確定夾緊機構(gòu)的型號和數(shù)量，并計算選定夾緊機構(gòu)的強度和剛度[9]。

焊件所需的夾緊力大致可分為4類。第1類是預防焊接件在焊后冷卻過程中發(fā)生變形所需的夾緊力；第2類是焊接前對焊件施加反向變形力所需的夾緊力；第3類是焊件裝配時，為了保證安裝精度，確定間隙和位置所需的夾緊力；第4類是在具有翻轉(zhuǎn)功能的夾具或胎具上，為克服重力作用所需的夾緊力。

目前，由于焊接結(jié)構(gòu)的復雜性和計算理論的不完善，對上述前3類夾緊力尚不能進行理論計算，因此往往采用數(shù)值模擬計算軟件或通過試驗來確定夾緊力。本文采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法確定夾具的夾緊力[9]。

薄板在焊接過程中易產(chǎn)生波浪變形或局部的圓形或橢圓形鼓包，或在焊縫附近凹陷而使板面扭曲變形。板材的圓形鼓包可理解為周邊固定的板材在均布載荷q作用下形成的彎曲，其中心撓度可用式(1)表示：

(1)

將q值和C值代入式(1)后得：

(2)

式中：E為板材的彈性模量，近似取E=2.06×105MPa；δ為板材厚度；v為板材的泊松比，對于該材料，v=0.3。

經(jīng)試驗測得板材變形后的f、r值，即可利用式(2)計算出F值即夾緊力。同時要考慮夾緊力是否超出板材的屈服強度，因此還需根據(jù)式(3)計算板材鼓包中心的應力：

(3)

(4)

將式(2)代入式(4)得：

(5)

將實測的鼓包尺寸代入式(5)即可計算出板材的應力值σ。若該應力值超過板材的屈服強度σs，則在計算夾緊力Fs時，將σ置換成σs得：

(6)

計算的夾緊力F或Fs并不是均勻地分布在整個鼓包上，而是分布在電磁鐵的N、S極之間，因此可近似地認為每段磁極的夾緊力為：

(7)

當σ>σs時，則計算載荷的公式為：

(8)

由上述公式可以計算出焊接時所需的夾緊力，以此來選擇夾緊機構(gòu)的類型和數(shù)量。該案例中0.7 mm的薄板最容易產(chǎn)生鼓包，試驗測定的薄板產(chǎn)生鼓包的r≈12 mm，因此，為保證夾持過程中薄板不出現(xiàn)鼓包，按照材料的屈服下限計算夾緊載荷，根據(jù)式(8)計算出焊接所需的最大夾緊力[10]：

(9)

即焊接長度上所需的最大夾緊力為10.9 N/mm。

1.4 電磁鐵選型計算

曲線焊縫待焊件主要依靠電磁鐵吸力夾緊，因此必須保證在較短時間內(nèi)提供足夠大的吸力，且在激光焊接后能快速消磁，以便快速且方便地取下焊接板。本文選用進口的電磁鐵，能保證設備運行的壽命和可靠性。由于電磁鐵在使用中會發(fā)熱，為使電磁鐵能及時散熱，必須增加水冷系統(tǒng)。本文電磁鐵的水冷系統(tǒng)設計為4回路，其結(jié)構(gòu)如圖5所示(每個虛線框為一個回路)。

圖5 電磁鐵水冷系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic of water- cooling system of the electromagnet

電磁鐵的磁力可根據(jù)安培力公式和磁化強度矢量的定義推導：

(10)

式中：φ為通過鐵芯極化面的磁通，wb；δ為未吸合時銜鐵和鐵芯的氣隙長度，cm；α為修正系數(shù)，一般為3～4，本文取4；s為鐵芯極化面面積，cm2。

式(10)中磁通量為：

φ=IW×Gδ×108

(11)

式中：IW為線包的安匝值，匝數(shù)W=7.36×104;Gδ為工作磁通的磁導，H。

工作磁通的磁導計算公式為：

(12)

式中：R0為銜鐵旋轉(zhuǎn)到鐵芯中心的長度，cm；μ0為空氣中的磁導率，0.4π10-8H/cm；r為極化面半徑，cm。

由圖6所示的電磁鐵結(jié)構(gòu)圖可知，R0=0.56，r=0.3，δ=0.069，故由式(12)可得磁導：

(13)

φ=IW×Gδ×108=4.12×105I

(14)

為防止0.7 mm厚的鋼板出現(xiàn)鼓包，按式(8)推導出需要單位面積10.9 N/mm2夾緊力，根據(jù)鋼板尺寸，在111 mm×902 mm 面積上需要約104N夾緊力。

圖6 電磁鐵結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Sketch drawing of the electromagnet

將F=104以及式(11)、(12)、(14)和上述已知量代入式(10)得：

電流I=0.73A

已知電磁鐵的工作電壓為110 V，由P=UI推導出功率為80 W。由此確定該電磁鐵的主要參數(shù)為工作電壓110 V、功率80 W。

1.5 工件預緊力的數(shù)值模擬

通常，電磁鐵的吸力采用經(jīng)驗公式計算，但不能直觀地反映磁場分布，而且對于結(jié)構(gòu)復雜、材料不同或貼合間隙大的焊件誤差較大，因此本文采用數(shù)值模擬的方法進行研究[11]。

有限元分析的操作流程至少有前處理、計算和后處理3步[12]。本文首先利用3D軟件建立求解模型，劃分網(wǎng)格，添加材料和界面屬性，施加邊界條件和受力，利用數(shù)值模擬軟件得到可視化分析結(jié)果。在劃分網(wǎng)格時，焊縫附近的單元格要細分，為了確保模擬軟件的計算速度，節(jié)約系統(tǒng)資源，遠離焊縫的單元格可以給予較大的尺寸[13]。采用模擬軟件計算得到的結(jié)果如圖7所示。

焊件邊部與定位銷接觸，所以數(shù)值模擬初始處于接觸狀態(tài)。曲線形焊縫的兩側(cè)即C區(qū)和D區(qū)，由于電磁鐵提供電磁力，也處于接觸狀態(tài)，并且從應力分布可知，電磁鐵的吸力使這兩個區(qū)域處于均勻受力的狀態(tài)。

從圖8可以看出，焊縫附近的應力最大，且均勻分布，有效應力最大值為10.23 MPa，即10.23 N/mm2，與式(9)的推導結(jié)果基本吻合。所以從有限元分析結(jié)果進一步證明電磁鐵選型基本正確。

圖7 焊接件有限元模擬示意圖Fig.7 Schematic of finite element simulation of welded assembly

圖8 曲線焊縫有效應力有限元模擬示意圖Fig.8 Schematic of finite element simulation of effective stress for the curve welded joint

2 應用及效果

根據(jù)上述方案設計、制作了汽車門板的焊接專用夾具，并投入生產(chǎn)應用。在使用該夾具時，首先要正確安裝，并且待焊件的平整度、外觀等都應符合激光焊接的相關(guān)要求。在這些均滿足的條件下，連續(xù)進行了17批次門板的試生產(chǎn)，所記錄的數(shù)據(jù)列于表1。圖9為夾具和門板的照片。

表1 17批次門板的試生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 1 Data regarding 17 batches of the trial- produced door panel

從表1可以看出，試生產(chǎn)的門板共4 890件，合格品4 889件，不合格品1件，廢品率0.20%，焊接質(zhì)量穩(wěn)定， 說明該專用夾具能滿足批量生產(chǎn)要求。由表1還可以看出，零件生產(chǎn)時循環(huán)時間穩(wěn)定，無異常停機故障。

圖9 (a)專用夾具和(b)門板照片F(xiàn)ig.9 Macrographs of (a) the special fixture and (b) the door panel

3 結(jié)束語

(1)隨著對汽車輕量化要求的進一步提高，曲線形焊縫的焊接鋼板在汽車工業(yè)中的應用日益廣泛。

(2)焊接汽車鋼板時，焊件的定位過程為：用定位銷先對厚板進行Y向自由度限制，用氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)對厚板進行X向自由度限制，用底部電磁鐵作為基準面進行Z向自由度限制；然后，利用厚板定位后的邊緣限制薄板的X、Y向自由度，Z向自由度限制仍依靠底部電磁鐵。

(3)焊件的夾緊主要靠電磁鐵吸力，應保證能在較短時間內(nèi)提供足夠大的吸力，且激光焊接后能夠快速消磁。電磁鐵的水冷系統(tǒng)為4回路。

(4)根據(jù)彈性力學原理計算的焊接過程中所需的夾緊力約為10.9 N/mm2，用電磁力學公式推導出提供該夾緊力所需的電磁鐵工作電壓為110 V，功率80 W，這是設計夾具的依據(jù)。通過有限元模擬得到的該夾具在焊縫附近提供的最大有效應力為10.23 MPa，即10.23 N/mm2，這與夾緊力的計算結(jié)果基本吻合，證明電磁鐵選型合理。

(5)采用試制的焊接專用夾具激光焊接某汽車門板的一次合格率達到了99.8%，能滿足激光焊接質(zhì)量要求和企業(yè)的生產(chǎn)效率要求，實現(xiàn)汽車零部件的批量生產(chǎn)。