汽车车身覆盖件激光-MIG复合焊接数值模拟

司中祺 张晓鸿

摘要：为研究激光-MIG复合焊接汽车车身覆盖件工艺可行性，利用CATIA软件建立了车顶和侧围的对称几何模型，然后使用SYSWELD对复合焊接的温度场及应力应变进行了仿真计算，得到了车顶和侧围在复合焊接过程中的温度及应力变化。结果表明，铝合金车身覆盖件激光-MIG复合焊接温度场不沿焊缝中心线对称分布，最高温度出现在热源前端，且侧围温度偏高。车顶和侧围焊缝下表面平均热应力高于上表面，且上表面最大应力与下表面最大应力相差5 MPa;焊接变形沿着焊接线两侧，且沿着车顶和车柱两侧分布较为明显。

关键词：激光-MIG复合焊;铝合金;车身覆盖件;数值模拟

1、引言

在汽车制造工业的发展历程中，汽车的轻量化始终是研究的重要方向。为了减轻汽车重量，使用轻合金是降低车身重量最常用的方法[1]。汽车覆盖件作为主要部件，在制造中广泛的应用铝及铝合金。但它具有材料薄、尺寸大、表面质量和尺寸精度要求高等特点，且铝合金因为易氧化和热变形大等特性制约了其在汽车制造中的广泛应用[2]。

因此，将激光和电弧有机复合，不仅可以改善铝合金的焊接质量，同时可以有效控制焊接变形。本文结合已有激光-MIG复合焊接理论和实验结果，建立了车身覆盖件激光-MIG复合焊接物理数学模型，研究了激光-MIG复合焊焊接车身覆盖件过程中的温度场和应力变形规律，这对扩大激光-MIG复合焊技术在汽车铝合金焊接中的应用，推动汽车轻量化发展具有十分重要的意义。

2、有限元模型

2.1物理模型

本研究根据车顶与侧围实际焊接过程进行建模，为提高计算效率，建模时做如下简化：

①以车身纵轴线为基准，对称选取车顶与侧围1/2模型;②对实际尺寸做等比例缩小;③忽略简化小孔、倒角等几何特征。

基于以上，使用CATIA软件建立了几何模型，厚度为3.0mm。使用Visual Environment MESH进行网格划分，并进行局部加密，如图1所示。

2.2热源模型

2.3边界条件

2.4材料属性

本研究中所用铝合金热物理属性与温度相关，如表1。

3、模拟结果与分析

3.1 温度场分析

初始温度设为20℃，激光功率为3000W、焊接速度为50mm/min，每个载荷步内设置20个子步，焊接完成后自然冷却258s。计算得到不同时刻的温度场分布云图，如图2所示。

焊接刚开始时车顶和侧围焊缝区域受热熔化，温度梯度较小，如图2a，焊缝中心的最高温度为2968℃，此时焊缝的传热主要以热传导为主。如图2b，焊缝以热源为中心形成稳定熔池，焊接过程已逐渐进入了准稳态，最高温度2832℃出现在热源前端，且温度梯度明显大于后端，这是由热源移动快、前端激光加热光斑半径小所致。如图2c，热源前、后端温度梯度进一步增大，热影响区范围有所增大。

3.2 应力和变形分析

本研究在车身纵向对称面上施加对称约束，在底板施加三个方向上的固定约束，以约束模型平动和转动。

不同时刻的等效热应力如图3a，上表面的热应力沿焊缝方向分布密集，最大应力在热源前端，约为48MPa;下表面最大热应力在焊缝中心两侧，约为53MPa，且高于上表面，这是因为焊接路径不规则，焊接处是弧状，下表面受热可膨胀范围小于上表面，因此更容易出现应力集中。如图3b，最大应力出现在侧围边缘靠近焊缝，约为72 MPa。如图3c，基本完成了车顶的焊接，此时焊接应力峰值237 MPa。

焊接完成后的变形分布，如图3d-f，X方向上最大变形位移4mm出现在底盘上，并沿着车柱分散，这是因为底盘为固定约束，焊接时候受到较强拉应力所致。Y方向上最大变形位移15mm出现在底盘前段，沿着底盘和侧围均匀分散。Z方向上焊接变形沿着焊缝两侧且沿着车顶和车柱两侧分布较为明显，最大变形位移13mm出现在底盘靠侧围方向位置，且沿着车柱和侧围均匀分布，这对降低焊接残余应力峰值是有益的。

4、结论

本研究利用SYSWELD软件获得了铝合金车身覆盖件激光-MIG复合焊接的温度场和应力场仿真结果，得到以下结论：

（1）温度场不沿焊缝中心线对称分布，侧围温度偏高;因为激光光斑集中的原因，导致焊缝区域的最高温度出现在热源前端。

（2）应力和应变结果显示焊缝下表面平均熱应力高于上表面，且与上表面最大应力相差5 MPa;焊接变形沿着焊接线两侧，且沿着车顶和车柱两侧分布较为明显。

参考文献：

[1]许瑞麟，朱品朝，于成哉，等.汽车车身焊接技术现状及发展趋势[J].电焊机，2010，40（005）：1-18.

[2]牛全峰，李世红，杨学智.汽车材料的应用与发展[J].现代零部件，2012，08（No.109）：24-26.

基金项目：成都航空职业技术学院自然科研项目（06211039）