鋼鋁包邊結(jié)構(gòu)背門烘烤變形問題研究及應(yīng)用

龍從林 王若滿 操芹 李惠鈞 劉昱

摘 ?要：通過材料物性分析了某背門鋼鋁包邊結(jié)構(gòu)變形的機理，借助CAE仿真手段對變形進行了量化分析，并進行多種實物試驗驗證，找到了解決方案。同時對不同材料零件的包邊尺寸精度改善方法提出了建議。

關(guān)鍵詞：烘烤變形；CAE；鋼鋁包邊

中圖分類號：U466 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）04-0013-05

Research and Application on the Baking Deformation of Back Door With Steel Aluminum Hemming

LONG Cong-lin1， WANG Ruo-man1， CAO Qin1， LI Hui-jun2， LIU Yu1

（1.DongFeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430056， China;

2. Mengshi Automotive Technology Company， Wuhan 430056， China）

Abstract： This paper used CAE simulation methods to analyze the deformation of a back door with steel aluminum hemming， and through various physical experiments to verify and find a solution. It also provided good suggestions for hemming with different materials to improve the dimensional accuracy.

Key Words： Baking Deformation; CAE; Steel Aluminum Hemming

前 ? ?言

隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，整車輕量化的要求越來越高。鋁合金材料密度僅為鋼材的1/3，在保證結(jié)構(gòu)性能相當?shù)那闆r下，采用鋁合金零件替代鋼制零件可有效減重約30%-40%[1]。某車型背門若采用全鋁結(jié)構(gòu)能有效減重，但性能較難達成，工藝復(fù)雜，而且成本較高[2]。綜合考慮，其背門外板采用鋁板，內(nèi)板及其他零件均采用鋼板設(shè)計。

在樣車驗證階段，該鋼鋁包邊結(jié)構(gòu)的背門電泳烘烤后產(chǎn)生了變形，與車身的間隙面差均達不到要求。本文通過樣車數(shù)據(jù)分析，結(jié)合CAE仿真和實物試驗，證實了變形的原因，并提出了改善方案。改善方案有效地減小了變形量，達成尺寸要求，并提升了車輛的感知質(zhì)量[3]。

1 ? ?問題背景

上述背門總成為側(cè)開式結(jié)構(gòu)，鋁外板和鋼內(nèi)板在周邊包邊，窗框一圈clinch鉚接。包邊膠為常用的單組分環(huán)氧折邊膠。在焊裝，背門總成尺寸、裝車后與車身的配合尺寸均合格。車身經(jīng)涂裝線后，背門與車身頂蓋的配合尺寸發(fā)生約5mm的變化。拆下背門返回焊裝測量，具體測點位置如圖1所示：

各測點位置較涂裝前的尺寸變化量見表1。

2 ? ?原因分析

2.1 ? 判斷發(fā)生形變的工序

通過逐序測量，確認變形工序。背門內(nèi)外板單件及總成合格，排除了包邊應(yīng)力的影響。焊裝背門與頂蓋的間隙面差合格，排除了裝配影響。涂裝總成經(jīng)過轉(zhuǎn)運、車身前處理工序、電泳工序，沒有尺寸變化。烘烤前后對比測量發(fā)現(xiàn)背門與頂蓋配合變化，拆下背門返焊裝測量，確定是背門變形。烘烤工序?qū)е卤抽T變形可能的原因有兩個：

（1）在進行烘烤時背門姿態(tài)及用于固定背門總成的工裝產(chǎn)生了額外的載荷，導(dǎo)致背門上部變形。

（2）在進行烘烤時因背門鈑金及膠的熱脹冷縮導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致背門上部變形。

2.2 ? 分析工裝可能的影響

為了保證操作過程中背門與白車身、涂裝設(shè)備及工具間不發(fā)生擦碰等問題[4]，本項目在背門鎖位置單獨設(shè)計彈簧式固定工裝，通過工裝壓緊力將背門壓緊，防止背門甩開或擦碰白車身。為驗證工裝對烘烤變形的影響，單獨對背門總成進行烘烤驗證，采用下部支撐及吊鉤吊掛（掛在背門上部兩側(cè)內(nèi)板開孔位置維持平衡），如圖2所示，排除側(cè)開式背門因重力扭矩的影響及工裝其它約束力的影響。

測量烘烤前后背門上部變形量，結(jié)果見表2。對比原狀態(tài)變形量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)單獨烘烤變形量與之前幾乎沒有差別，可見工裝不是導(dǎo)致該背門烘烤變形的原因。

2.3 ? 烘烤冷熱變形推理

該項目背門鋁外板材料為6061T4，鋼內(nèi)板材料為DX56D+Z，材料參數(shù)如表3所示。材料6061T4的線性熱膨脹系數(shù)大約是DX56D+Z的兩倍，在無約束狀態(tài)下內(nèi)外板受熱膨脹時，鋁外板的長度變化值是鋼內(nèi)板的兩倍。

內(nèi)外板包邊位置結(jié)構(gòu)如圖3所示，在包邊位置內(nèi)板邊緣有段間隙（制造必需），同時鋁材料彈性模量只有鋼材料的1/3，導(dǎo)致外板給予內(nèi)板的包邊壓緊力也會弱于鋼--鋼包邊，在沒有其他連接的情況下，內(nèi)外板受切向力時相對錯動。

車間環(huán)境溫度為20℃，在背門烘烤過程中，溫度逐漸升高到180℃，保溫至包邊膠固化后自然冷卻到環(huán)境溫度。背門包邊區(qū)采用單組份熱固性折邊膠進行粘接，在升溫過程中，折邊膠處于未固化狀態(tài)，無連接作用。加熱過程中，內(nèi)外板快速升溫，膠延時固化。由于鋁外板和鋼內(nèi)板的熱膨脹系數(shù)不一樣，外板克服與內(nèi)板接觸面的摩擦力，伸長量較鋼內(nèi)板更大。經(jīng)過保溫烘烤，折邊膠固化，內(nèi)外板在包邊區(qū)域被折邊膠強連接。當背門從180℃冷卻到環(huán)境溫度20℃時，內(nèi)外板都有收縮到加熱前的狀態(tài)的趨勢，即鋁外板需要更大的收縮量。由于膠的連接，鋁外板殘余拉應(yīng)力，鋼內(nèi)板殘余壓應(yīng)力，導(dǎo)致變形。背門隨烘烤溫度變化的過程如圖4所示：

實測發(fā)現(xiàn)，背門的其它三邊也有類似的變形，但其連續(xù)包邊長度較短，內(nèi)板截面積更大，結(jié)構(gòu)剛性較強，因此變形不明顯。同時觀測到窗框右側(cè)角部位置一鉚接點脫開（圖5所示），也與伸長/收縮不一致的錯位推理相符。

綜上分析，推測背門烘烤變形的主要原因是由于內(nèi)外板材料膨脹系數(shù)不一致及單組份折邊膠的作用產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致的。

3 ? ?仿真驗證

烘烤變形受多種因素影響，很難通過CAE仿真得出一個量化的結(jié)果[5]。為驗證烘烤變形因素分析的合理性，采用CAE仿真手段，多步驟去復(fù)現(xiàn)背門烘烤變形結(jié)果，為背門烘烤變形原因分析提供理論依據(jù)。因為不考慮烘烤過程中背門變形歷程，本項目采用Abaqus軟件進行穩(wěn)態(tài)熱變形仿真得出最終烘烤后的背門變形結(jié)果。

3.1 ? 仿真流程

傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱變形仿真流程為先搭建有限元模型，然后設(shè)置初始邊界條件，再進行升溫載荷步施加，然后施加降溫載荷步，最后查看變形及應(yīng)力結(jié)果。由于背門單組份折邊膠在升溫載荷步時未固化，幾乎沒有連接作用，而在降溫載荷步時折邊膠已固化，有強連接作用。這種在不同載荷步下材料屬性變化的情況，采用同一個模型多個載荷步加載的方式很難實現(xiàn)。本項目將升溫載荷步和降溫載荷步分開兩個模型處理。先搭建升溫載荷步有限元模型，背門包邊位置內(nèi)外板無連接，然后求解計算升溫載荷步節(jié)點位移及單元應(yīng)力，采用HyperView軟件讀取位移結(jié)果并導(dǎo)出背門變形后網(wǎng)格模型，基于該網(wǎng)格模型增加包邊位置共節(jié)點連接，同時將升溫載荷步應(yīng)力場映射到該網(wǎng)格模型上，然后求解計算降溫載荷步，獲得最終背門變形結(jié)果。詳細流程見圖6：

3.2 ? 邊界條件

背門關(guān)閉狀態(tài)下單獨進行分析。按烘烤時裝配狀態(tài)進行約束，如圖7所示，在鉸鏈車身安裝端進行全約束，門鎖位置約束整車X向自由度防止車門轉(zhuǎn)動，并設(shè)置初始溫度為20℃。根據(jù)爐溫監(jiān)測報告，烘烤最高溫度能達到187℃，在升溫載荷步施加該溫度載荷；在降溫載荷步施加20℃溫度載荷使模型冷卻至常溫。

3.3 ? 仿真結(jié)果

在背門選取與實物測量位置一致的測點測量上部變形量，結(jié)果如表4所示：

各測點位置的變形量仿真和實物有一些差距，主要考慮有兩方面原因。其一是沒考慮膠的實際寬度不規(guī)則因素和逐步固化的過程，仿真時只模擬折邊膠初始和最終的兩個狀態(tài)，與實際有誤差；其二背門實際各位置烘烤溫度并非完全一致，仿真時都是按統(tǒng)一溫度處理，也會造成一定誤差。但從結(jié)果可以看出，背門仿真出的變形趨勢和實物一致，上部左右兩側(cè)都是向整車上后方變形，中間都是向整車前下方變形，說明背門烘烤變形的機理推測是成立的。

3.4 ? 仿真優(yōu)化

背門包邊區(qū)域的烘烤—冷卻循環(huán)后的殘余應(yīng)力主要來自鋼鋁冷卻收縮量的差異。這一應(yīng)力由于膠的連接作用，兩材料為消除這種變形不一致，在烘烤過程中保證內(nèi)外板在包邊位置有足夠的強連接，使得內(nèi)外板包邊位置始終位移一致，就可以消除包邊應(yīng)力，從而減少背門變形。

仿真驗證方案為在背門上部包邊位置內(nèi)外板共節(jié)點連接，求解后輸出上部變形結(jié)果如表5所示。從結(jié)果可以看出，上部變形量明顯減小，說明方案可以有效減小背門上部變形。

4 ? ?實物驗證和改善方案確定

基于上述理論分析，進行多方案實物驗證，并最終選取最優(yōu)方案實施。

4.1 ? 驗證方案

選取三套狀態(tài)一致的背門焊裝總成，按照實際烘烤溫度及時長要求，保證背門固定方式、烘烤試驗條件一致。按三種以下方案進行驗證，確定實際背門變形原因及方案效果。

（1）方案一：背門上部包邊前不涂膠，使內(nèi)外板在烘烤及冷卻過程中無額外連接作用力。

（2）方案二：背門上部包邊單組份折邊膠粘接基礎(chǔ)上，均勻增加5個手工拉鉚連接，如圖8所示。

（3）方案三：背門上部包邊位置采用雙組份折邊膠[6]進行粘接，該折邊膠具有速干特性，在烘烤前已經(jīng)硬化，能使背門在整個烘烤過程中內(nèi)外板在上部包邊位置有強連接。

三個方案背門上部變形量均有大幅改善，詳細測量結(jié)果如表6所示。方案一結(jié)果證實冷熱變形應(yīng)力是導(dǎo)致烘烤變形的主要原因；方案二結(jié)果證實上部包邊增加拉鉚連接減少了烘烤過程中內(nèi)外板在包邊位置的錯動，有效減小包邊區(qū)域冷卻后的應(yīng)力；方案三結(jié)果證實上部包邊采用雙組份折邊膠能有效減少了烘烤過程中內(nèi)外板在包邊位置的錯動繼而減小包邊應(yīng)力。

4.2 ? 最終方案

方案一取消上部折邊膠會降低背門連接強度，也易導(dǎo)致車門異響及變形；方案二在上部包邊增加鉚接點工藝調(diào)試發(fā)現(xiàn)不可行，包邊區(qū)域沒有足夠機器能操作的平面（最小需直徑20mm），無法實現(xiàn)clinch壓鉚工藝[7]；方案三在背門上部包邊采用雙組份折邊膠容易實施，且所有測點位置均變形量滿足尺寸要求，故項目最終采用方案三解決背門上部烘烤變形問題。

5 ? ?總結(jié)

通過以上分析及驗證可知：

（1）采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)進行鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于兩種材料線性膨脹系數(shù)不一致，在經(jīng)過烘烤工藝后連接位置易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛性弱的位置變形，引發(fā)尺寸精度問題；

（2）進行CAE熱變形仿真時，若采用熱固性膠進行連接，需考慮熱固性膠不同溫度下的連接剛度不一致因素，分步處理加熱模型和冷卻模型，能有效復(fù)現(xiàn)實際變形狀態(tài)；

（3）在使用單組份折邊膠（熱固性膠）連接零件時，需考慮被連接件的線性膨脹系數(shù)差異，必要時需在連接位置進行結(jié)構(gòu)連接補償或者預(yù)變形補償，才能較好的提升尺寸精度。

參考文獻：

[1]任樹建. 鋁合金發(fā)動機罩烘烤變形研究與對策[J]. 汽車實用技術(shù)，2021，46（4）：126-129.

[2]劉星為，趙從慶，陳玉川，等. 某鋼鋁混合車門精度分析及優(yōu)化[J]. 機械工業(yè)標準化與質(zhì)量， 2021，（10）：49-52.

[3]張方翔，孫志亮，薛杉，等. 鋼鋁車門變形控制方案[J]. 汽車實用技術(shù)，2022，47（5）： 119-127.

[4]趙安偉，李明，周磊，等. 兩側(cè)開后背門車型涂裝工裝設(shè)計[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝，2019，22（6）： 34-35，38.

[5]劉禮解，韓晶，劉洋，等. 車門烘烤變形原因及改善策略分析[J]. 汽車實用技術(shù)，2023，48（2）： 161-165.

[6]劉俊杰，薛禮. 汽車前蓋烘烤變形問題分析及解決方案[J]. 汽車實用技術(shù)，2021，46（1）： 121-123.

[7]李奇涵，徐傳偉，高嵩，等. 高強鋼-鋁合金異質(zhì)薄板無鉚成形連接試驗[J]. 中國機械工程，2021，32（15）： 1861-1867.