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车身点焊特性及模拟方法研究 摘要 点焊是现代车身制造中应用最广泛的工艺，以有限元法为主的c a e 技术，是 汽车设计由经验设计转变为科学设计必不可少的一项重要技术。在应用通用有限 元分析软件进行车身分析计算中，车身钣金件容易用具有薄膜及弯曲效应的壳单 元进行描述，而焊点本身却不易模拟。对于由成千上万个分布的焊点连接而成的 车身来说，点焊结构的有限元模型建模技术，是保证计算结果正确并有较高精度 的关键技术。 本文首先介绍了汽车制造中焊接技术的现状及发展趋势，说明点焊在当今国 内汽车生产过程中的应用情况及其优越性。然后主要针对点焊本身的特性、点焊 的失效、特定的焊接母材特性进行分析，并对比几种不同点焊模拟方式的仿真精 度，最后对d y n a 中两种常用的点焊模拟方式( b e a m 和s o l i d ) 进行稳健性分析 得出相应结论。 在汽车整车正面碰撞仿真分析中，白车身的结构完整性至关重要，而白车身 基本是通过点焊进行连接，因此，点焊的仿真模拟方式在汽车碰撞过程中极为重 要，本文通过l a p s h e a r 、c o a c h p e e l 、u t e n s i o n 三种点焊样件模型分析几种点焊 模拟方式的精度，得出b e a m 及s o l i d 两种点焊模拟方式的仿真精度接近，从而从 不同角度切入，通过模拟仿真对传统的l a p s h e a r 模型及改进后的l a p s h e a r 模型 对比研究b e a m 焊点单元和s o l i d 焊点单元的特性，分析两种不同点焊模拟方式对 单元积分方式及点焊相对网格单元位置的稳健性高低，最终通过某微型车的正面 碰撞进行试验验证。 论文的分析结果表明：通过分析两种不同点焊模拟方式对单元积分方式及点 焊相对网格单元位置的稳健性，以及某微型车的正面碰撞试验验证，得出s o l i d 焊 点模拟方式的仿真精度高，能有效的模拟焊点失效，对在前期整车研发过程中的 碰撞仿真有着重要的指导作用。 关键词：点焊；b e a m 点焊；s o l i d 点焊；稳健性；l a p - s h e a r 模型；点焊失效 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t s p o tw e l di st h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n o l o g yi nt h em o d e r nb o d y w o r k t h ec a e t e c h n o l o g yb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi na u t o m o t i v e d e s i g nc h a n g e d f r o m e x p e r i e n c ed e s i g n t os c i e n t i f i c d e s i g n w h i l eu s i n g g e n e r a l - p u r p o s ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ec a r r i e do nc a l c u l a t i o no fb o d y a n a l y s i s ，t h eb o d ys h e e tm e t a l i se a s yt ob ed e s c r i b e du s i n gs h e l le l e m e n tw i t h m e m b r a n ea n db e n d i n ge f f e c t s ，b u tt h es p o tw e l di t s e l fi sn o te a s yt os i m u l a t e f o rt h e b o d yc o n n e c t e dw h i tt h o u s a n d so fd i s t r i b u t i o no ft h es p o tw e l d ，t h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l i n gt e c h n o l o g yo fs p o tw e l ds t r u c t u r ei st h ek e yt e c h n o l o g ye n s u r i n gt h a tt h e c a l c u l a t i o n si sc o r r e c ta n da c c u r a c y t h i s p a p e r f i r s ti n t r o d u c e st h es t a t u sa n d d e v e l o p m e n t t r e n d so f w e l d i n g t e c h n o l o g y i nt h ea u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n g ，a n d i n s t r u c t s t h e a p p l i c a t i o n a n d a d v a n t a g e so fs p o tw e l d i n gi nt o d a y sd o m e s t i ca u t o m o b i l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a n d t h e nm a i n l ya n a l y z es p o tw e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s p o tw e l df a i l u r e ，s p e c i f i cw e l d i n g b a s em e t a lp r o p e r t i e s ，a n dc o m p a r et h es i m u l a t i o na c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o nm e t h o d o fs e v e r a ld i f f e r e n ts p o tw e l d i n g f i n a l l yr o b u s t n e s si sa n a l y z e do nt w oc o m m o ns p o t w e l d i n g s i m u l a t i o nm e t h o d si n d y n a ( b e a ma n ds o l i d ) a n d t h e n g e t s t h e c o r r e s p o n d i n gr e s u l t s i nt h ea u t of r o n t a lc r a s hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h es t r u c t u r a li n t e g r i t yo ft h ew h i t e b o d yi sv e r yi m p o r t a n t ，a n dw h i t eb o d yi s c o n n e c t e dt h r o u g hs p o tw e l d i n g ，t h e r e f o r e ， s p o tw e l d i n gs i m u l a t i o nm e t h o di nc a rc o l l i s i o ni sv e r yi m p o r t a n t ，t h i sp a p e rt h r o u g h t h el a p - s h e a r ，c o a c h - p e e l ，u t e n s i o nt h r e es p o tw e l d i n gs a m p l em o d e la n a l y s i st h e p r e c i s i o no fs e v e r a ls p o tw e l d i n gs i m u l a t i o nm e t h o d s ，a n dc o n c l u d e s t h a tt h es i m u l a t e d a c c u r a c yo fb e a mi sc l o s et ot h a to fs o l i d ，a n df r o md i f f e r e n tp e r s p e c t i v e s ，t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nt ot h et r a d i t i o n a ll a p - s h e a rm o d e la n dt h ei m p r o v e dl a p - s h e a rm o d e lb e a m c o n t r a s tr e s e a r c hc h a r a c t e r i s t i co fb e a ms p o tw e l d i n gu n i ta n ds o l i ds p o tw e l d i n gu n i t ， a n a l y z i n gh o w t h er o b u s t n e s si sa b o u tt w ok i n d so fd i f f e r e n ts p o tw e l d i n gs i m u l a t i o n m e t h o dt ot h eg r i du n i ti n t e g r a lw a ya n ds p o tw e l d i n gu n i t sr e l a t i v ep o s i t i o nt ot h e g r i du n i t ，f i n a l l yi ti sv a l i d a t e dt h r o u g ham i n ic a rf r o n t a lc r a s ht e s t t h ep a p e r sa n a l y s i ss h o w e dt h a tt h er o b u s t n e s so ft h er e l a t i v ee l e m e n ti n t e g r a l w a ya n ds p o tw e l d i n gs p o tw e l d i n gs i m u l a t i o no ft w od i f f e r e n tg r i dc e l ll o c a t i o n ，a s w e l la sam i n i c a rf r o n t a lc r a s ht e s tv e r i f i c a t i o n ，t h es i m u l a t i o no ft h es o l i ds o l d e r jo i n t i i i 车身点焊特性及模拟方法研究 s i m u l a t i o na p p r o a c hh i g hp r e c i s i o n ，c a ne f f e c t i v e l ys i m u l a t et h es o l d e rj o i n tf a i l u r e ， h a sa ni m p o r t a n tg u i d i n gr o l ei nt h ec r a s hs i m u l a t i o ni nt h ee a r l yv e h i c l ed e v e l o p m e n t p r o c e s s k e yw o r d s ：s p o tw e l d ；b e a ms p o tw e l d ；s o l i ds p o tw e l d ；r o b u s t n e s s ；s p o tw e l d f a i l u r e i v 插图索引 图1 1 焊接顺序4 图1 2 点焊形成过程中典型电流和压力循环与时间的关系5 图1 3 点焊及焊接母材截面图6 图1 5 剪切强度与焊接时间及焊接电流的关系8 图2 1 帽型梁在碰撞过中焊点失效模式1 1 图2 2 ( a ) l a p s h e a r 剪切模型中不同区域的解析应力分析12 图2 3 焊核周围的应力状态( a ) c r o s s t e n s i o n 样件应力状态12 图2 4a 、b 拉脱失效，c 剪切失效12 图2 5 母板撕裂失效受力分析13 图2 6l a p s h e a r 点焊模型试验结果15 图3 1 ( a ) 试验样件图解参数( b ) 材料拉伸试验样件2 0 图3 2 万能试验机21 图3 3 材料加载21 图3 4 不同应变率条件下材料的平均力位移曲线21 图3 5 材料工程应力应变曲线2 2 图3 6 材料st 12 不同应变率条件下真实应力应变曲线2 4 图4 1 不同载荷条件对应的不同样件类型27 图4 2 点焊l a p s h e a r 样件失效位置示意图27 图4 3 点焊l a p s h e a r 模型失效模式2 8 图4 4l a p s h e a r 试验样件3 0 图4 5c o a c h p e e l 试验样件3l 图4 6u t e n s i o n 试验样件31 图4 7 ：不同结构样件试验a 、l a p s h e a r 样件剪切载荷条件3 2 图4 8l a p s h e a r 样件的失效模式3 2 图4 9 c o a c hp e e l 样件的失效模式3 3 图4 10 u 型拉伸样件的失效模式33 图4 1 1l a p s h e a r 模型样件试验力位移盐线3 4 图4 12l a p s h e a r 模型样件试验平均力位移曲线3 4 图4 13c o a c h p e e l 模型样件试验力位移曲线35 图4 14c o a c h p e e l 模型样件平均试验力位移曲线3 5 图4 15u t e n s i o n 模型样件试验力位移曲线36 v i i i 硕士学位论文 图4 16u t e n s i o n 模型样件平均试验力位移曲线36 图5 1 三种不同点焊模拟方法4 0 图5 2 准静态条件下焊接母材真实应力应变曲线4 1 图5 3 不同样件的加载和边界条件a 、剪切载荷条件下的l a p s h e a r 样 件，4 1 图5 4 准静态载荷条件下点焊模型确认程序4 2 图5 5 点焊连接( r i g i d ) l a p s h e a r 模型试验仿真力位移曲线4 3 图5 。6 点焊连接( b e a m ) l a p s h e a r 模型试验。仿真力位移曲线4 3 图5 7 点焊连接( s o l i d ) l a p s h e a r 模型试验仿真力位移曲线4 4 图5 8 点焊连接( r i g i d ) c o a c h p e e l 模型试验仿真力位移曲线4 4 图5 9 点焊连接( b e a m ) c o a c h p e e l 模型试验仿真力位移曲线4 5 图5 10 点焊连接( s o l i d ) c o a c h p e e l 模型试验仿真力位移曲线4 5 图5 11 点焊连接( r i g i d ) u t e n s i o n 模型试验仿真力一位移曲线4 6 图5 12 点焊连接( b e a m ) u t e n s i o n 模型试验仿真力一位移曲线4 6 图5 13 点焊连接( s o l i d ) u t e n s i o n 模型试验仿真力位移曲线4 7 图6 1l a p s h e a r 模型4 9 图6 2a 、不真实的焊核变形，b 、真实的焊核变形4 9 图6 3 单个s o l i d 焊点单元a 、在壳单元节点处，b 、在壳单元中心处 5 i ) 图6 4 单b e a m 焊点不同条件下 图6 5 单s o l i d 焊点不同条件下 图6 6 双b e a m 焊点不同条件下 图6 7 双s o l i d 焊点不同条件下 力位移曲线 力位移曲线 力位移曲线 力位移曲线 仿真 仿真 仿真 仿真 图6 8 单焊点和双焊点l a p s h e a r 剪切试验53 图6 9 单焊点和双焊点l a p s h e a r 剪切试验力位移曲线53 图6 10 某微型车10 0 正面碰撞仿真模型5 4 图6 1l 不考虑焊点失效试验仿真车身速度曲线55 图6 12 焊点剪切失效几种常见模式55 图6 13 考虑焊点失效试验仿真车身速度曲线56 i x 1 1 2 2 5 5 5 5 车身点焊特性及模拟方法研究 附表索引 表3 1 不同加载速度下材料特性试验结果2 5 表4 1 不同载荷条件对应的不同样件类型2 6 表4 2 点焊焊核直径计算临界值3 0 表6 1 不同条件下单个点焊剪切峰值力5 4 y 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 汽车制造中焊接技术现状及发展趋势 焊接是现代机械制造工业中一种必要的工艺方法，尤其在汽车制造中，应用 比较广泛。汽车的六大总成：变速器、发动机、车架、车桥、车厢、车身。其都 应用相关的焊接技术。在汽车各个零部件的制造生产过程中，点焊、缝焊、焊条 电弧焊、c 0 2 气体保护焊、钎焊、凸焊、滚点焊、气焊、氩弧焊、摩擦焊、电子 束焊和激光焊等各种焊接方法中，因为点焊、气体保护焊、钎焊生产量大、效率 高，自动化程度高、低耗、焊接变形量小、简单易操作的特点，比较适合于汽车 车身薄板覆盖零部件的焊接，因此，这些焊接技术在汽车生产中应用最为广泛。 其中，点焊约占投资费用的7 5 ，其他焊接方法只占2 5 。 自2 0 世纪5 0 年代开始，中国汽车制造工业主要以手工焊和电阻点焊这两种 焊接技术为主。近些年，随着我国汽车制造工业的高速发展，焊接的关键技术的 发展也有了长足的进步，但是，与欧洲及北美的汽车制造工业相比还存在着明显 的差距。汽车制造工业是国际化的产业，面对国际竞争全球化、国内竞争国际化 的基本形势下，若要使我国汽车制造工业能在世界汽车制造工业的发展中占有一 席之地，也为我实现我国汽车制造工业自主发展的目标，我国必须发展包括焊接 技术在内的制造技术并提高科技创新能力。 1 1 2 汽车工业所用焊接方法及零部件的应用情况 ( 1 ) 电阻焊 点焊：主要应用于车身总成侧围、车门、地板、前桥、后围和小零部件等 的焊接。多点焊：主要应用于车门、发动机罩盖、车身底板、载货车车厢、和 行李箱盖等的焊接。凸焊及滚凸焊：主要应用于车身零部件、制动蹄、减振器 阀杆、螺帽、螺钉和小支架等的焊接。缝焊：主要应用于燃油箱、车身顶盖雨 檐、消声器、减振器封头及机油盘等的焊接。对焊：主要应用于钢圈、进排气 阀杆、刀具等的焊接。 ( 2 ) 电弧焊 c 0 2 保护焊：主要应用于车架、后桥、车厢、横梁、减振器阀杆、传动轴、 后桥壳管、千斤顶及液压缸等的焊接。氩弧焊：主要应用于机油盘、铝合金零 部件的焊接和补焊。焊条电弧焊：主要应用于钣金比较厚的零部件，例如支架、 备胎架、车架等的焊接。 车身点焊特性及模拟方法研究 埋弧焊：用于法兰、半桥套管、天然气汽车的压力容器等的焊接。 ( 3 ) 特种焊 摩擦焊：主要应用于汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆和随车工具等的焊接。 电子束焊：主要应用于齿轮、后桥等的焊接。激光焊割：主要应用于车身底 板、齿轮、零件下料及修边等的焊接。 ( 4 ) 氧乙炔焊 主要应用于车身总成的补焊。 ( 5 ) 钎焊 用于散热器、铜与钢件、硬质合金的焊接。 1 2 电阻点焊及激光焊接工艺技术现状及发展趋势 1 2 1 电阻点焊工艺技术现状及发展趋势 目前，国内汽车制造厂商所采用的阻焊设备的次级输出主要有两种：工频交 流和直流。额定功率通常高于6 3 k v a ，最高的可达4 0 0 k v a 或者更高，电能的消 耗量比较大。所采用的阻焊控制器大多是天津陆华科技开发公司生产控制器 ( w d k ) 或h w 系列控制器，k d 7 和k d 9 型控制器型的控制精度较差，因此此 类控制器采用的比较较少。而w d k 或h w 系列控制器对电流的控制精度比较较 高，约为士3 ，并且同时具备了多脉冲焊接功能，对于低碳钢、镀锌板的焊接基 本能得到满足。， 在点焊过程中，影响焊点质量的因素有焊接时间、焊接电流、焊接压力、电 极的端面形状、穿过电极的铁磁性物质、分流等。特别在阻焊设备较多的焊接车 间，同时工作的焊机相互感应，对电网产生影响，严重时影响控制器的触发，导 致焊接质量的稳定性和一致性较差。 在汽车制造中，焊接质量的优劣是制造商和用户共同关注的焦点，焊接质量 主要依靠焊接设备来保证。对车身点焊而言，主要由控制器保证设定焊接参数在 一定的波动范围内，从而获得稳定的焊点质量。以恒流控制方式为主的国产控制 器基本能满足软钢和镀锌钢板的焊接，但其控制精度还需进一步提高，对焊接电 流的控制仍是开环控制，随工况的变化其焊点质量的一致性很难保证。 为了获得可靠的焊接质量，焊接检验必不可少。在车身制造中，焊点检测方 法采用非破坏性抽样检查，可能开焊的焊点未被检查出来，严重影响产品的质量。 如果能保证焊点1 0 0 合格，每台车身可减少焊点数量约2 0 0 点，即可节约成本约 8 0 元。 2 硕士学位论文 因此，点焊质量的在线检测与控制技术对保证点焊质量的可靠性和一致性非 常重要，该项技术受到国内外学者的广泛关注和研究。实时监控的方法很多，但 能应用于实际生产的并不常见。 1 2 2 激光焊接技术现状及发展趋势 激光焊接的优点在于其被焊接零部件变形量极小，零件的装配间隙也很小， 但对零件和工装的精度要求较高。由于国内汽车零部件的精度较低，重复精度较 差，对激光焊工艺的推广应用带来了一定的难度。目前，在国内汽车制造过程中， 应用激光焊工艺的公司比较少。 由于激光焊能量密度高，焊接深度宽度比高，其焊接质量比传统焊接方法高。 但是，如何保证激光焊接的质量，即激光焊接过程的监测与质量控制，是激光利 用领域的重要内容。包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，针对不同 焊接对象和要求，通过计算机实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项 目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，实现自动化激光焊接。在汽车工业中，激 光技术主要用于车身焊接、坯板拼焊和零件焊接。 ( 1 ) 车身焊接：该工艺主要用于车顶焊，其应用可以减噪和适应新的车身结 构设计。v o l v o 是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。如今，德国大众公司也已在 a u d ia 6 、g o l fa 4 、p a s s a t 等车顶采用了此项技术；b m w 公司的5 系列、o p e l 公 司的v e c t r a 车型等更是趋之若鹜。欧洲各大汽车厂的激光器绝大多数用于车顶焊 接。 另外，车身( 架) 激光焊可以提高车身强度、动态刚度。奔驰公司首先在c 级 车后立柱上采用了激光填丝焊接；b m w 和g m 公司在车架顶部采用了搭接焊； g m 公司利用3 k w y a g 激光器在a u r o r ag 型车上进行车顶与车顶附件托架的焊 接。 在车身制造中，采用激光焊技术，可以提高产品设计的灵活性，降低制造成 本，提高车身的刚度，提高产品的竞争力。 ( 2 ) 激光拼焊板的应用：该技术可降低车身自身重量和生产成本，减少零件 数量，提高安全可靠性。 此项应用最早源于a u d i1 0 0 车的底板拼焊，目前已推广到各大汽车公司。丰 田公司t a h a r a 工厂生产的凌志( l e x u s ) 车门板原来是用2 种不同厚度、5 种不同表 面处理的多块钢板组成，现在只用1 块激光拼焊板代替，大大提高了生产率。b m w 公司l 3 的汽车己采用激光拼焊板。在美国，1 9 9 7 年用于汽车工业的激光拼焊板 将近1 5 0 0 万件，2 0 0 0 年达到4 0 0 0 万6 0 0 0 万件。有专家预言，激光拼焊板将成 为一项数十亿美元的产业。 车身点焊特性及模拟方法研究 采用激光拼焊板应用于车身制造，可以减少零件、模具及焊接工装数量，降 低车身自重和成本，并提高产品的市场竞争力。 1 3 点焊连接过程、影响因素及质量控制 1 3 1 点焊连接过程、影晌因素 本文点焊连接主要是电阻点焊连接，对于一块或多块重叠的金属钣金件，通 过金属钣金件局部材料的熔合在重叠区域形成连接。这种局部材料的熔合是通过 两电极之间重叠区域材料由于高温熔合而成。如今，由于半自动和自动化机械生 产的发展，工业随之高速发展，点焊已经成为应用最为广泛的焊接过程。而且， 这种连接方式不像传统的电弧焊接那样对填充材料有很多限制。甚至，在工业生 产过程中，点焊连接有效的减少了部件的翘曲和扭转，并且其可靠性及再现性很 高，因此，在现代汽车工业生产中，点焊连接技术的使用最为广泛。 点焊连接过程影响因素： 点焊连接的一般程序在图1 1 中已经说明，本节有两个主要的因素影响电阻 点焊连接的过程。 ( 1 ) 电极相对焊接母材连接区域所产生的热量。 ( 2 ) 电极对焊接母材的压力 热量与其二者之间的关系如 h 。c12 r t 其中： h 为热量，单位焦耳； i 为通电电流，单位安培； r 为电阻，单位欧姆； t 为焊接过程的时间，单位秒。 图1 1 焊接顺序 4 硕士学位论文 为了控制焊接过程中的温度，必须对焊接电流的大小及通电时间进行较为精 确的控制，并和其他影响因素一样保持不变。 在焊接循环的过程中电阻包括3 个部分： ( 1 ) 电极和焊接件之间的电阻； ( 2 ) 电极和焊接工件本身的电阻； ( 3 ) 两个焊接工件结合面之间的电阻。 在公式1 中，时间也是一个重要的因素，热量的产生随时间的变化成正比。 焊接循环过程的时间包括4 个部分 ( 1 ) 预压时间从电极开始挤压焊接件到电极开始通电； ( 2 ) 焊接时间电极通电开始到电极通电结束； ( 3 ) 保持时间在焊接循环的最后一个脉冲中，从电极压力撤去到确定焊接 钣金件连接形成； ( 4 ) 焊接休止时间两个连续的点焊循环之间的间隔。 在焊接过程中，电极压力同样也是一个重要的影响因数，电极压力是两块待 焊接的钣金件接触在一起，电极压力的大小直接影响着两焊接钣金件之间的接触 电阻。在焊接过程中，通过电极的压力确保两焊接钣金件连接在一起。同时，压 力的大小及压力持续时间在点焊焊核的形成过程中起了至关重要的作用。如果， 电极压力太小，两焊接钣金件没完全贴合在一起，这样将增大接触电阻，导致钣 金件表面的燃烧或侵蚀电极末端。如果电极压力过大，在焊接过程中，熔化的金 属将从结合面流出，导致焊核直径偏小，并且，还将会导致在钣金件表面上形成 过大的印凹痕【lj 。 如果钣金件表面情况稳定，控制电极压力，在焊接过程中，热量可以通过焊 接电流的大小及持续时间来进行控制。点焊机器采用了直流和交变电流，变压器 将线路功率转化成低压和高电流。采用最多的是与线功率具有相同频率的单向交 变电流，典型的点焊电流与压力循环如图1 2 所示。 - r 幽 懵 攥 删 时间t 图1 2 点焊形成过程中典型电流和压力循环与时间的关系 5 车身点焊特性及模拟方法研究 点焊焊核尺寸的大小取决于焊接过程中的操作条件和各种各样的其他特性。 通常，如果电极压力没有得到合理的控制，在焊接母材的表面由于电极压力会产 生凹痕，从而导致焊接母材表面的不规则性。在焊接过程中，如公式1 ，电流对形 成的热量的多少影响比其他几个因数大。因此，对电流的控制必须更加仔细，当 电流通过工件和电极是，电阻将局部加热工件，由于温度的上升，焊接母材融化 膨胀，形成点焊。 一般沿点焊半径方向，点焊分为三个区域( 4 ) ： ( 1 ) 焊接母材区域( b m ) ； ( 2 ) 热影响区域( h a z ) ； ( 3 ) 点焊焊核区域( s w n ) 。 具体如图1 3 所示 图1 3 点焊及焊接母材截面图 d a r w i s he ta 1 ( 2 0 0 0 ) 1 仔细的研究了低碳钢点焊的微观结构，由于这样的研究， 从冶金学的观点出发，点焊的主要特征如下： ( 1 ) 带有柱形树枝状结构的熔解区域； ( 2 ) 热影响区域，它显示了一个从粗糙过热结构到一规格化区域再到未经影 响的母材区域； ( 3 ) 狭窄的以铁酸盐为主要成份的区域，位于过热区与未影响的母材区域之 间。 这种微观结构特征在d a r w i s he ta 1 ( 2 0 0 0 ) 【2j 中进行了全面的概括。 1 3 2 点焊的质量控制 ( 1 ) 点焊质量控制技术的发展趋势 控制模式。控制模式的发展目标是由单模式控制逐渐发展为多模式控制。 动态电阻监控模式( 跟踪动态电阻曲线法、电阻差值法、电阻变化率控制阀) 、 6 硕士学位论文 动态电极位移监控模式都是实现这种发展趋势的综合控制模式( 动态电阻差值与 动态电阻变化速率的综合；最大位移与位移速度的综合) 3 。 控制方法。控制方法的发展目标是由单一的监控方法发展为多元监控方法。 参量调节。影响点焊质量的参量有很多，而且其整体也是非线性的，因此， 如果通过调节单一的参量来控制点焊质量则无法及时获取点焊质量参数的准确 值。所以焊接参量的调节由初最初的单变量调节( 焊接时间或焊接电流) 逐渐发展为 多变量调节( 即在焊接过程中同时对焊接电流、焊接时间和焊接压力进行调节) ， 扩大了质量监控的使用范围，对提高控制的稳定性有着重要的作用。 控制决策。如今的焊接技术已经得到了长足的发展，控制决策已由常规的 控制决策方式( 由被控制参数的偏差值通过查表确定其控制参数的调节量) 逐渐向 人工智能( 神经网络、模糊逻辑等) 决策方式发展。 点焊电极的使用寿命将直接影响汽车生产成本和焊接的质量。点焊电极使用 的材料主要包括：铬锆铜、弥散强化铜、铍青铜等。弥散强化铜合金材料，其常 温和高温硬度、导电率均比铬锆铜材料好。采用弥散强化铜电极其使用寿命是铬 锆铜电极的2 4 倍。但由于其成本高于铬锆铜材料，目前在国内，汽车制造厂主 要采用铬锆铜电极，有少部分合资企业采用弥散强化铜电极，依赖进口。为了有 效的提高电极的使用寿命，国内外学者正在对涂层电极的应用进行研究，据了解， 其使用寿命与常规的铬锆铜电极相比可提高5 6 倍，并且成本也较低。 目前，电阻焊机大量使用交流5 0 h z 的单相交流电源，其容量大、功率因数低。 发展三相低频电阻焊机、三相次级整流焊机( 已在普通型点焊机、缝焊机、凸焊机 中应用) 和i g b t 逆变电阻焊机，可以解决电网不平衡和提高功率因数的问题。同 时还可进一步节约电能，利于实现参数的微机控制，可更好地适用于焊接铝合金、 不锈钢及其他难焊金属的焊接。另外，还可进一步减轻设备质量。 目前，由于国产逆变点焊机的性能还不能满足使用要求，因此国内所用逆变 点焊机主要依赖于进口。在载货车车身制造中，所采用的材料为0 8 a 1 和镀锌板， 采用常用的点焊机即可。但在轿车车身制造中，随着铝镁合金的使用量不断增加， 只有采用逆变点焊机才能获得较好的点焊质量。 ( 2 ) 点焊质量评估方式 点焊的质量取决于很多因素，在文献z h o ue t a 1 ( 2 0 0 3 ) 4 1 中，因为操作条件 的要求对点焊质量的影响因素进行了简单的说明。点焊质量评估方式有： 定性：这种点焊质量定性的评估方式主要是指点焊在生产过程中无任何瑕 疵。 定量：这种点焊质量定量的评估方式主要是指点焊的承载特性。 点焊质量的定量评估在某种程度上取决于其定性评估，因此点焊形成过程中 的控制参数就影响着点焊的性质特征从而影响着点焊焊核的形成，焊接电流和时 间是最重要的两个影响因素。要求额定电流在额定时间内通过工件，使其熔化最 终形成焊核，一般来说，焊接的剪切强度随着焊接过程中焊接电流和焊接时间的 变化而改变。具体强度变化特性如图1 5 l。警_ 、， 一 l ；l l 鍪 最佳值； 争 图1 - 5 剪切强度与焊接时间及焊接电流的关系 关于最新的点焊连接特性参数的影响的研究文献是b b o u y o u s f ie ta 1 ( 2 0 0 5 ) p 1 。基于神经网络的统计学方法被用来对3 0 4 l 型的奥氏体不锈刚进行了研 究。这种方法用一个十字拉伸样件进行了试验验证。由于这种神经网络方法的应 用，对点焊形成过程参数的影响可以进行单独的分析，也可以进行耦合式的分析。 单独分析过程参数时，可得出焊接力对点焊十字拉伸样件的屈服强度影响最大， 而不是焊接电流强度和焊接持续时间参数。当同时结合分析焊接力、焊接电流强 度及焊接持续时间时，焊接电流强度及焊接持续时间对强度的预测似乎影响更大。 为了能分析评估其耐撞性能，需要对白车身进行准确的模拟仿真，因此，对点焊 的真实状态要进行准确的描述。 对于各种焊接结构件，由于焊接工艺自身的特点，焊缝的接头( 尤其是弧焊接 头) 会出现各种焊接缺陷和应力集中的现象，焊接应力的分布比较复杂，会导致焊 接的承载能力明显下降和变形。如果是应用常规的方法，很难准确的分析焊接应 力分布情况并预测焊接的变形情况，并且，焊接总成的质量也很难控制，因此， ：采用计算机仿真技术研究焊接应力和焊接变形就显得尤为重要。通计算机仿真， 对在焊接过程中出现的应力和应变的变化及分布情况能进行比较详细的模拟，为 制定合理的焊接工艺提供理论依据。例如，对于微型车车架焊接变形的控制，目 前国内只能通过反复试验获得相对比较合理的焊接工艺，这样的试验比较盲目， 其试验周期长、投入也比较大。如果应用计算机仿真技术，可以经济、快速地模 拟出正确的工艺方案。在国内，很多高校对焊接结构的数值模拟技术进行了系统 的研究，并且已经有一些比较成功的应用案例。 倒瞪罩窳 恻噬零脉 硕士学位论文 关于数值模拟软件比较多，如a b a q u s 、h y p e r w o r k s 、a n s y s 等多种模 拟软件。2 0 0 0 年，日本大阪大学联合科学研究所提出了“高效与安全焊接技术的开 发”的国家课题。其属于焊接虚拟工程研究，目的是为了开发一个用户界面友好的 高效与安全焊接的计算机系统，并设计出了3 个精密模拟程序：焊接过程模拟程 序、被焊区域组织预测程序和变形预测程序。英国焊接研究所开发了一个“结构变 形预测系统”( s d p s ) ，其可以用来预测复杂结构的焊接变形。 ( 3 ) 高质量点焊模型的必要性 模型要求能替代任何物理系统进行数学分析，在分析模型中，如果物理系统 能比较精确的被模拟，数学分析则能提供比较有预见性的关于物理系统的信息。 在汽车生产过程中，白车身包含几千个点焊。一般来说，在生产制造之前，大多 数零部件都要通过虚拟设计和分析。对于白车身结构而言，结构耐撞性能是评价 白车身设计是否合理的一个重要评价指标。 在本论文中，将会列出多种点焊的模拟方法并进行有限元的仿真分析。各自 的优点和缺陷也将进行概括。 1 4 本文的研究目的和意义 点焊是车身零部件主要的连接方式，汽车在碰撞过程中，车体通过变形来吸 收碰撞能，同时又要保持结构的完整性，降低对乘员的伤害，而点焊对车身保持 完整起到了至关重要的作用，本文研究的目的主要是为了提高点焊在有限元模拟 仿真中的精度，研究点焊在不同载荷条件下所表现出来的失效特性及点焊本身对 其位置及壳单元积分方式稳健性的影响，并在整车碰撞中验证。 由于点焊结构的质量较轻、静强度高、并且可靠性好，其性能较稳定并且自 动化程度高，因此，在汽车工业生产过程中应用比较广泛。随着先进有限元技术 的快速发展，汽车设计正逐渐由原来的经验、类比、静态设计转化建模、静动态 分析及虚拟现实设计。在仿真中对点焊进行研究大大节约了成本，同时也可以从 不同角度研究点焊的性能，揭示其固有的特性。 1 5 本文的主要研究内容 本文主要针对在几款微型车的碰撞试验过程中，在轮罩与大梁的焊接区域内， 出现了不同程度的点焊失效现象，从而使碰撞试验结果出现了不可预知的情况， 模拟仿真与试验差别较大。因此，本文就这种出现的焊点失效现象，对点焊展开 研究，主要研究工作如下： ( 1 ) 基于目前几款微型车1 0 0 正面碰撞过程中在轮罩区域出现的点焊失效 现象，由于点焊失效一般发生在材料较弱的焊接母材上，对于大梁与轮罩的材料 车身点焊特性及模拟方法研究 应用情况，轮罩的材料要比大梁的弱，针对此种情况，对轮罩的用材进行单轴拉 伸试验，得出力位移曲线，再得出工程应力应变曲线，最终根据转化公式得出真 实应力应变曲线，为之后的有限元模拟仿真提供相应的材料曲线。同时对点焊进 行破坏性试验，分析得出点焊连接的力学性能，作为模拟仿真的参考标准。 ( 2 ) 根据之前得出的轮罩材料真实应力应变曲线，将其应用到点焊的有限元 模拟仿真中。使用对点焊进行详细的建模，并列出几种常见的点焊模拟方法，通 过对点焊三种经典模型及几种常见点焊模拟方法的仿真对比分析，得出用哪种点 焊模拟方式模拟能使仿真精度相对较高，但针对点焊位置及单元积分方式不同的 情况下，哪种点焊模拟方式更为准确还不清楚，需进一步的分析。 ( 3 ) 根据前面章节得出的结论，具体针对b e a m 单元及s o l i d 单元两种模拟方 式进行对比研究，确认点焊两种模拟方式相对于网格位置及单元积分方式的稳健 性，在不考虑焊点失效的情况下，通过模拟仿真对传统的l a p s h e a r 模型及更改后 的l a p s h e a r 模型对比研究b e a m 焊点单元和s o l i d 焊点单元的特性，得出b e a m 焊 点和s o l i d 焊点本身对焊点位置及壳单元积分方式的稳健性高低；然后，在整车中 焊点较多的情况下，通过某微型车的1 0 0 正面碰撞仿真与试验的对比分析，验证 在不应用焊点失效时b e a m 焊点和s o l i d 焊点本身对焊点位置及壳单元积分方式的 稳健性高低，同时，也验证在应用焊点失效时，哪种焊点模拟方式更接近实际情 况。结果表明，s o l i d 焊点对焊点的位置及单元积分方式的稳健性更高，用s o l i d 单元来模拟焊点更为准确。 1 0 硕士学位论文 2 1 概述 第二章焊点失效分析 本章参考以往点焊研究的论文，主要介绍关于点焊研究的目前状态。前人基 于不同的目的，对处于机械载荷下的点焊连接的特性进行了研究。一些研究的目 的是为了确认点焊连接周围的应力状态，一些是为了确认点焊连接的承载能力， 另外有一些则是研究点焊在不同载荷情况下失效的力学特性。为了得出点焊连接 的失效机理，研究人员采用有限元仿真的方法来分析各种改进的模型，并通过相 对应的试验来验证。目前，基于点焊连接失效的机理有很多，主要有基于载荷标 准、应力标准、能量标准等。其中应用较为广泛的是基于载荷标准的失效机理。 并且这些参数设置标准已应用在许多有限元仿真软件中。 2 2 点焊失效的影响 在汽车行业中，一辆整车白车身包含了4 0 0 0 6 0 0 0 多个点焊，点焊使车身不 同部件形成一个完整的整体。点焊的形成需要对连接的钣金件输入很高的热量， 正是由于高热量的输入，各钣金件在连接的位置材料特性发生变化，形成点焊。 在点焊失效标准未确定之前，在汽车有限元碰撞分析中，不能反映真实的碰撞过 程，因为在实车碰撞过程中，很多情况下都会出现点焊失效的情况。因此，在有 限元碰撞仿真当中，正确的点焊失效分析是非常重要的。、如图2 1 所示。 a 低碳钢准静态碰撞 b 高强钢准静态碰撞 c 高强钢准动态碰撞 图2 1 帽型梁在碰撞过中焊点失效模式 2 3 点焊失效机理 为了更好的理解点焊失效的机理，许多研究人员研究了焊核周围应力分布状 况。z o l o t a r e v ( 1 9 6 0 ) 6 1 尝试通过l a p s h e a r 模型来分析点焊焊核周围的应力分布( 图 1 1 车身点焊特性及模拟方法研究 2 2 ) ，通过解析的方