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摘要：焊接具有节省材料、生产效率高、结构强度高、密封性好、易实现机械化和自动化等优点，但是由于不均匀的冷却过程使工件易产生焊接变形和残余应力等缺点，这在一定条件下会影响到结构的承载能力、加工精度和尺寸稳定性。本文研究的副车架主要采用CO2气体保护焊组焊完成，焊缝较多，其焊缝总长为2658mm，单个焊缝较长，并且分布密集，因此，其焊接变形成了重要的问题。以前，对于焊接变形的预测大多基于经验或简化方法，因此应用范围比较窄，只能用于简单的板梁结构件，对于复杂的结构则无能为力。随着计算机技术和有限元等数值方法的发展，对于一些复杂结构件焊接变形的预测已成为可能。以往人们对焊接变形的预测，要么是在约束没有去除情况下的焊接变形，要么是在焊接时采用自由变形的方法进行焊接变形的预测。而本文预测焊接变形的方法是焊后去除约束，使工件自由变形，最终得到工件的焊接变形量。这更加符合实际的焊接情况，具有非常实用的工程价值。
关键词：汽车副车架；焊接残余变形；ANSYS
前言：汽车的副车架是非完整的车架，常用于控制臂、稳定杆、动力转向、发动机悬置等的模块化安装固定，通过副车架的结构设计增加整车结构刚度，提高碰撞和耐久等方面的整车性能；传递和分解悬架载荷以及动力总成产生的载荷。有助于车身结构
隔震，改善振动噪声舒适感（NVH）和车辆操控性能，因此，副车架是重要的汽车底盘结构件。钢板冲压焊接结构的副车架底盘零部件材料价格低廉，结构强度高，刚度好，焊接和连接固定功能容易实现，在汽车底盘结构件上应用较为广泛。
1、有限元模型的建立
副车架由上下冲片、控制臂支架、稳定杆支架、支撑管支架以及螺栓螺母等很多子零件经焊接而成。图1所示为某车型副车架的结构模型。由于副车架的结构形状非常复杂，因此，借助专门的软件HY-PERMESH对其进行单元网格划分，图2所示为该副车架的单元网格模型。
2、焊接变形预测方法
以前在预测焊接变形时，所得到的焊接变形要么是工件的自由变形，要么是在夹具没有卸载情况下的焊接变形。本文采用预测焊接变形的方法与其他预测焊接变形的方法不同。当副车架焊接完成后，其并不是从变位机上被立即取下，因为从最后一条焊缝焊接完成到工件被取下。这个过程有一定的时间（不能忽略），然后将其放在支架上进行冷却，这时工件才自由变形。这样得出的焊接变形才是真正的焊接变形，在此过程中，对时间的掌控也更符合实际的大批量规模化生产。
3、副车架焊接变形预测
副车架形状复杂．因此将副车架整件的焊接分为3个工位，第1工位为副车架支承管总成的焊接，第2工位为副车架上下片的焊接，第3工位是将副车架支承管支架总成与副车架上下片总成的焊接。由于每一个工位上的零件不同。夹具也就不同，即约束不同，在进行仿真计算时，要按照实际焊接步骤模拟各个工位的焊接，得到焊接变形大小，与实际制造的状态对比，这样是借助实际变形来判断模拟方向是否正确，是否漏掉导致变形的重要因素；如有偏差需要对计算模拟模型进行分析优化；二者匹配后，再针对每个工位的焊接残余变形量决定是否对其进行优化。在实际生产过程中，要合理分配每一工位的制造公差和焊接变形公差，最后在总拼合焊接时才能保证副车架整件的焊接变形可控。目前，国际上出现的预测焊接变形的主要方法有热弹塑性法和固有应变法。其中，热弹塑性法是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变行为来计算热应力和应变的，采用这种方法可以详尽地掌握焊接应力和变形的产生及变化趋势，随着大型有限元软件的开发。这种方法被越来越多的焊接工作者采用。固有应变法是近10几年来发展较快的方法，由于其方法简便，计算效率高，特别适合于大型结构焊接变形的预测，但固有应变法的缺点是不能跟踪每一步的焊接应力和应变，其变形结果为焊后最终焊接变形，并且固有应变法不能体现焊接顺序和焊接方向对应力和应变的影响。因此固有应变法大多用于大型结构件焊接变形的预测。
（1）副车架工位1的焊接变形的预测
下图所示为副车架工位1的焊接变形图．其最大焊接变形量不到1mm。
由（1）和（2）的焊接变形量可知，横梁前支承管总成（副车架工位1）和前梁上下片（副车架工位2）的焊接变形量很小，自由变形量最大为0.91mm，符合公差分配要求，这说明工位1和工位2控制焊接变形很有效。
（3）副车架工位3的焊接变形的预测
由上图的焊接变形量可知，副车架工位3的焊接变形量为1.9mm。测量副车架焊后实际变形量可发现，副车架的焊接变形量很小，因此，预测结果与实际值是相吻合的，不需要对其再进行优化。众所周知。焊接工艺参数对焊接变形的影响较大，但是对于副车架这样批量生产的结构件，其焊接工艺已相当成熟，如果要改变焊接工艺参数，那么需对新的焊接工艺参数进行评定，既费时又费力；而选择改变焊接顺序及方向的方法控制焊接变形。不会遇到改变焊接工艺参数所带来的问题，因此，首先选择改变焊接顺序及方向的方法控制焊接变形，但是需要注意是否会影响工件的装配。
由上可知，副车架本身焊后的变形量已达要求，即制造工艺基本没有问题。但是由于副车架焊后是不加工的，再加上零件冲压和定位系统公差、焊接制造过程中累积误差，可能会导致生产线的过程能力指数（Cpk）较差，产品质量不符合正态分布，因此，需要结合西格玛的产品最终质量目标需求，对其进行焊接变形优化，这需在以后继续研究。
结语：用HUPERMESH软件建立了副车架的有限元模型，并用Solid70单元进行热分析，用Solid85进行结构分析。本研究采用焊后工件在夹具上夹持一段时间，然后卸载， 使工件自由变形的方法来预测焊接变形，这样预测的焊接变形才符合真实的情况。观察副车架3个工位的焊接变形可知，各工位的焊接变形很小，因此副车架的制造工艺是符合要求的，但因副车架焊后不加工，加上零件的制造与装配公差。可能会导致产品质量不合格，应根据实际情况对副车架进行优化，这是以后的研究方向。
参考文献：
[1] 张喜粤.汽车副车架有限元分析［J］.农业装备与车辆工程，2015（10）：54-56.
[2] 黄耀，袁惠. 平板焊接变形预测固有应变方法的研究［C］. 中国CAE工程分析技术年会论文集，2016:28-35.
论文作者:侯帅
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第04期
论文发表时间:2019/6/21
标签：车架论文; 工位论文; 工件论文; 方法论文; 结构论文; 公差论文; 总成论文; 《工程管理前沿》2019年第04期论文;