分析示例 | Simufact焊接工艺仿真变形精确预测汽车结构

导语

焊接是汽车制造过程中一个关键环节，白车身、发动机、底盘和变速箱等都离不开焊接工艺的应用，主要涉及气保焊、电阻点焊、激光焊、电子束焊等多种焊接工艺。由于汽车车型众多、成形结构复杂、汽车制造质量、效率、成本等方面的综合要求。如何高效、低成本的研发出合理的焊接工艺，对焊接工艺工程师无疑是个巨大的挑战。

传统的焊接工艺开发，需要依靠工艺开发经验以及大量试验数据的积累，而对于新的焊接工艺开发，需要借助多次试错经验来获取符合产品质量要求的工艺，但制定的工艺有没有更佳的替代方案，这个有待进一步考证。在试错过程中，实际数据的测量也是一个重大的挑战。通过焊接仿真分析，可以实时的获取焊接过程中的变形结果，并可以根据每道焊缝的焊接变形、应力等的结果来进行实时分析，不仅数据的提取也变得更加方便，也给焊接工艺开发规划提供了强有力的数据支撑，更容易规划出合理的焊接顺序、焊接装夹位置等焊接工艺参数。

Simufact welding焊接工艺仿真方案

工业软件Simufact.welding，作为世界领先的专业焊接工艺仿真软件，能够有效协助工程师对焊接工艺参数、焊接顺序、焊接工装夹具、焊接方向等进行焊接工艺仿真分析，不仅能分析焊接过程中的焊接变形、应力等还能对焊接后冷却和工装夹具卸载后的焊接变形、焊接残余应力等进行分析。通过使用Simufact.welding进行虚拟试错，能获取最优的焊接工艺方案，具有减少试错次数、缩短工艺研发周期，节省人力、材料成本等优势，为企业带来可观的成本收益。

汽车案例举例

上海大众汽车有限公司作为Simufact的资深客户，已经熟练使用Simufact welding解决实际结构件的焊接变形问题，随着仿真数据及仿真经验的积累，针对不同结构和焊接工艺，已经具备一些仿真判断标准。一些结构焊接工艺的规划，经过Simufact welding仿真验证后，帮助其提升了焊接变形质量控制，受益明显。

以下案例来自上海大众汽车有限公司，展示了Simufact welding焊接工艺仿真软件变形结果与实际焊接变形结果对比。结构分别为B柱热成型板激光焊接案例以及白车身侧围门框焊接变形。

上海大众汽车有限公司通过使用Simufact welding焊接仿真软件，深刻认识到精确的仿真结果需要结合实际焊接工艺仿真，如下图所示为实际焊装、焊接顺序工艺。

实际焊装及焊接顺序

Simufact welding焊接仿真软件可以导入实际焊接夹具的工装模型，按照工装夹具的作用类型、作用力、作用时间等设置，焊接顺序、焊接工艺参数等也可以按照实际焊接工艺参数进行设置。

Simufact welding仿真模型

为了获得更精确的结果，需要进行热源校核，以保证仿真的熔池与实际熔池尺寸对应。Simufact welding具有热计算功能，并且具有焊枪监视器功能，可以实时的监控焊接，快速高效的校核出热源模型。

Simufact welding具有表面偏差功能，可以实现仿真结果与CAD设计模型、扫描结果进行比较分析，方便更直观的对变形进行详细分析。不仅如此，还同样支持变形分量的对比，用以研究主要变形方向的变形结果。如下图所示，对比了仿真结果与实际扫描结果，根据对比，仿真结果与实际扫描结果对应非常好。

通过关注的6个测量点的数据对比分析，可以看到，扫描的变形结果与仿真的变形结果最小的误差只有2.61%，最大的变形误差为8.13%。

同样的方法，对侧围门框激光焊接工艺进行仿真，按照实际的工装、焊接顺序、焊接方向、焊接工艺参数，在Simufact welding建立焊接仿真模型，模型如下图所示：

侧围门框激光焊接仿真模型

通过与实际物理试验扫描结果对比，Simufact welding 焊接变形仿真结果与实际焊接变形非常接近，获得了较高的仿真精度，大部分位置的变形误差控制在10%以内，其中B 柱铰链孔附近y向变形最大，预测结果为1.74mm，扫描结果为2.00mm，相对误差13%，在仿真分析中，这个误差也认为在合理的误差内。这个仿真分析中没有考虑钣金冲压成形产生的残余应力、回弹、壁厚减薄等对焊接工艺的影响。Simufact welding可以与Simufact forming钣金冲压成形功能实现冲压-焊接、焊接-冲压等工艺链仿真，充分考虑了实际的制造工艺链。

侧围外板的Y向变形模拟结果与扫描结果对比

总 结

● 通过Simufact welding对热成型B柱激光焊接过程进行分析，与实际扫描结果对比，仿真结果与实际结果一致性较好，验证了Simufact welding焊接变形仿真分析的可靠性；

● 通过Simufact welding对白车身侧围外板激光焊接过程的仿真分析，与实际扫描结果对比，仿真结果与实际变形结果对应较好，再次验证了Simufact welding焊接变形仿真分析的可靠性；

● 通过Simufact welding对焊接工艺过程的仿真，可以对焊接工艺参数、工装夹具、焊接顺序、焊接方向等进行仿真分析，可以对焊接变形、焊接残余应力、熔池、热影响区、相组织、温度场等进行仿真分析，代替或减少物理试错，节省人力、物力，缩短研发周期，助力焊接工艺开发。

参考文献：

黄平华，王庆，基于焊接模拟的B柱激光焊接变形预测[J]．热加工工艺，2018， 47(11)：207-210．

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【文章来自海克斯康工业软件】