Q-TJI CS.03.550-2011 车身焊点布置及焊点力计算标准

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在零件的设计时，应考虑合适的焊接夹具定位孔和定位基准面，以便设计制造低成本、高质量的焊 接定位夹具。尽量利用凸包、切口来代替样板定位。这不但能方便操作和提高效率，而且有利于产品质 量的提高。 6.1.3.8 焊接加工工艺
1) 检查焊接空间是否合理。焊接间隙最大应在0.5—0.8mm。 2) CO2气体保护焊,检查可见区域内焊接处是否开有塞焊工艺孔及凹坑，以保证焊接后有较好的外 观质量。塞焊工艺孔尺寸一般取φ10左右。 6.2 其他装焊的工艺性 6.2.1 焊接工艺的选择 对于某些有外观有求的车身外覆件，其点焊表面不允许有凹坑，在产品结构设计中，应考虑在固定 点焊机上或采用单面焊枪来完成焊接，所要求的表面应能与下电极相接触。因为这时采用大平面的电极， 以而使点焊凹陷不明显。 6.2.2 焊接辅具的选用 在车身装焊工艺中，由于结构形式不同，需使用各种各样的焊接辅具（如焊钳），选用这些焊接辅 具的品种，尽量利用标准的或适用的焊接辅具也是衡量车身结构工艺性的一项内容。（如大批量生产中 采用大焊钳来焊接某个件，而在小批量生产中，这焊钳是不经济的，应尽量采用适用的焊接辅具或其它 方法。） 6.2.3 标准件的使用
两个（或三个）相焊接零件的焊接边重叠部分的直边宽度,一般应不小于13mm，且相焊接零件的焊接 边要平齐。因冲压或装配等工艺要求，允许1-2个焊点焊接处焊接边的宽度为10-13mm。具体参照表1（若 板材为不同厚度组合，按较薄的板选取）
2
板厚(最薄板)t mm
0.6-0.79
表1 电阻点焊的焊点尺寸
在多体动力学软件MSC.ADMAS 平台上对该整车建立多体动力学模型，如图6所示。以上述实测获得的四
个车轮的六分力作为输入，驱动建立好的整车多体动力学模型运行一定时间长度，即可提取出车身与底
盘各连接点上相应的力和力矩的时间历程。如图7所示，给出右前纵梁与底盘联接点处的三向力/力矩时
间历程，此即疲劳计算时所需的载荷谱。需要说明的是，由于整车多体动力学计算的限制，很难一次完
式中： Di ——每级载荷下产生的损伤； Ni ——每级载荷的循环次数； Nif——每级载荷对应的疲劳极限次数。 6.3.2 车身焊点建模及工程应力计算 车身上的焊点有上万个，如图4 所示。在有限元前处理建模时可通过刚性梁单元、CWeld单元或ACM （Area Contact Method 面接触方法）等形式来模拟焊点，这里采用ACM 方式，如图5所示。
在车身上要尽量采用相同的标准件（焊接螺母、螺钉）。以利于减少装焊工艺的工种和管理工作。
6.3 焊点力的计算 6.3.1 焊点疲劳计算简单原理 6.3.1.1 结构应力计算
如图2所示为一个典型的焊点连接件示意图，阴影部分是焊核。通过有限元方法来计算结构应力时， 模拟焊核的刚性梁单元长度为0.5(s1+s2)，其中s1和s2分别为板1和板2的厚度，点1、2分别为梁单元在 两层壳单元上的端点，点3为焊核中心线与两板连接面的交点。梁单元传递的力和力矩被用来计算焊核 和连接板周围的结构应力，依此通过S-N法预测焊点的疲劳寿命。
本标准规定了点焊作为一种高效的连接方式广泛的应用于汽车零部件和整车的制造过程中，在很大 程度上促进了现代工业的发展。但由于焊接的特性，大量的试验也表明：与母材相比，焊接连接会 大大地降低了整个结构的抗疲劳破坏的性能，这样使得通过点焊连接的结构在服役期间常常在 焊接处发生失效破坏，造成事故。而且进行点焊连接的设备和工艺复杂，加工成本很高[1]。所 以如果我们能在设计的初期对焊点的疲劳寿命通过计算来进行寿命预测，了解整个结构上焊点 的分布情况，这样就可以指导实际工艺中对焊点的个数、分布方式进行合理的调整，以提高产 品的疲劳性能，并能降低制造成本，这样的计算和分析是具有工程实际意义的。同时，随着近年来计算 机软硬件的迅速发展，计算机辅助工程（CAE）分析技术在静态、碰撞、振动噪音等领域均有了相当不 错的应用成果，但疲劳耐久性分析需要综合有限元分析和动力学载荷分析等专业技术，计算工作量非常 大，且计算结果的准确性由于没有真实的道路载荷谱（RLD）作为输入而缺乏说服力。
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图 3 焊核和母材的 S-N 曲线 6.3.1.3 焊点损伤计算
在焊核和连接板处的结构应力都按照上述的公式计算出来后，结合焊核和母材的材料疲劳 特性。通过准静态方法对每个计算点的有效应力历程进行计算，然后用雨流循环计数，再根据 Miner 损伤累积法则(式 5)即可进行疲劳损伤的计算[5]。这样可得到所有焊点损伤和寿命的分布情
结构应能满足材料较省、工序较少、夹具加工较易、寿命较高、操作较方便及产品质量稳定等要求。 6.1.2 部件分块
车身覆盖件的分块，应该在冲压工艺允许的前提下，零件越少越好，这样可以减少焊接面和装配误 差。
车身上所有的孔洞，如门框和前后风窗框都是非常重要的装焊部位，要求这 些门框洞尽量采取整 体结构，若孔洞部分采用双层结构，则至少一层为整体结构，以减少装焊误差。 6.1.3 结构的工艺性
2 规范性引用文件
无。
3 术语及定义
3.1 焊接 焊接是通过加热或者加压，或者两者并用；用或不用填充材料；使两分离的金属表面达到原子间的
结合，形成永久性连接的一种工艺方法。 3.2
点焊 将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流流经工件有限接触面(即所谓“点”)及邻近 区域产生的电阻热将其加热到熔化而形成扁球形的熔核，达到金属结合的一种方法。 3.3 关键焊点 指在车身中起着对各个关键件的承载、连接作用，以及在整车动态或静态工况中承受着各个方向的 拉应力、压应力、剪切应力，从而对整车安全、性能、可靠性影响非常严重的焊点。 3.4 一般焊点 在车身中起着结构连接、尺寸固定的作用，对安全、性能影响相对较小的焊点。
式中：
……………………（1）
4
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；
；
。 当（FZL>0）时，σ（FZL）=0；当（FZL≤0）时，这样只有焊核轴向力中的拉伸分量对损伤有贡献， 且：
上述应力计算公式计入了通过大量试验得到的经验因子，式中1 1
(作为对弯曲
应力梯度效应的补偿)，d 为焊核直径。 点 2 的结构应力计算与点1 类似，不重复。 点 3 的结构应力计算用绝对最大主应力作为损伤参量，这样的计算规模会比较小，如下：
在焊接结构设计时，应该贯彻“对称地布置焊缝、焊点，并避免汇交、聚集、重迭，次要的焊缝、 焊点可中断，主要的焊缝、焊点应连接。 6.1.3.1 点焊接头形式及焊接空间
在零件设计时，点焊接头应尽可能设计成敞开式,同时还要考虑周边空间，以保证焊钳能够接近。
（附图1点焊接头形式）
图1 点焊接头形式 6.1.3.2 焊接边宽度
图2 典型点焊连接件 从计算所得的数据结果文件中分别提取点1、2、3的力Fx、Fy、Fz和弯矩Mx、My、Mz， 依此来计算板1和板2内表面以及焊核在与两板交接点处的结构应力(沿焊核圆周方向每10o取 一个点来计算)。点1和点2上的力和弯矩是焊核作用到板上的，而点3上的力和力矩为上层板作 用于下层板的。上述结构应力计算如下： 对于点1，板内表面上的等效应力n s 为焊核沿周向方位角q 的函数，如式1所示：
焊点直径d mm
焊点到边缘 最小距离f mm
5.0-6.0
5
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焊接边最小宽度 mm 10
0.8-1.39
5.5-6.5
5-6
10-12
1.4-1.99
6.0-7.0
7-9
14-18
2.0-2.49
6.5-7.5
9-10
18-20
6.1.3.3 覆盖件焊接面要求 平整，不允许存在皱折、回弹等质量问题。
本文针对上述问题，基于在国内汽车企业已经开始成熟运用的六分力轮测试技术实测获得的某乘用 车在试车场的道路载荷谱数据[2]，以此作为输入，驱动建立好的整车多刚体动力学仿真模型，获取作用 在白车身各连接点上的载荷谱，同时对车身焊点传递的力/力矩进行有限元分析。综合上述结果，调用 焊点疲劳损伤模型对车身焊点的疲劳寿命进行了计算，从而建立起一套较为可行的更符合真实工况的焊 点疲劳寿命分析技术流程。
……………………（2）
式中：
……………………（3）
；
；
。
当 FZ3>0 时：σ（FZ3）=0；当（FZ3≤0）时， 面内的主应力可以从焊核中的剪应力和正应力求得：
……………………（4）
5
式（4）中应力绝对值最大的主应力将作为损伤参量。
6.3.1.2 材料疲劳性能 焊核和母材具有不同的疲劳特性，对应的 S-N 曲线如图 3 所示：
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成实测的1720 秒时间长度的计算，同时出于考察各特征路面对车身焊点疲劳的影响程度大小的目的， 将实测载荷谱按各特征路面情况进行了分割，这里给出的是车辆行驶于石块路面上所受到的载荷谱，共 40秒长度。
图6建立的整车多体动力学模型
图7车身右前纵梁与底盘联接点力/力矩时间历程
0.8-1.39
5.5-6.5
4.0
16-25
20-32
1.4-1.99
6.0-7.0
4.5
25-40
33-50
2.0-2.49
6.5-7.5
5.0
40-50
50-63
6.1.3.6 点焊零件的板材层数及料厚比 点焊零件的板材的层数一般为2层，最多三层，点焊接头各层板材的料厚比应在1/3—3之间。
如因结构要求确需3层焊接，首先应检查料厚比，如果合理可以焊接，如果不合理，应考虑开工艺孔 或工艺缺口，错开焊点，以保证点焊处料厚比在允许的范围内。 6.1.3.7 零件定位、夹紧是否方便可靠
图 4 车身上焊点实物图
图 5 有限元模拟车身焊点模型
对车身承载点处施加单位力/力矩，计算所有焊点中传递的力/力矩，然后通过上述方法来获取焊点
中传递的工程应力，作为疲劳损伤计算的参数。
6.3.3 整车多体动力学分析和载荷谱提取
显然，对车身焊点的疲劳寿命分析需要提供作用在车身各连接点处的载荷谱，这里采用半实物方法，
本标准由上海同捷科技股份有限公司第六研发中心提出。 本标准由上海同捷科技股份有限公司技术标准分院归口。 本标准由上海同捷科技股份有限公司第六研发中心负责起草。 本标准主要起草人：刘海龙、于立剑。
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车身焊点布置及焊点力计算标准
1 范围
本标准适用于现有车型和正在开发的新车型；设计、制造部门可以参照此标准，制定出各个车型的 具体点焊操作规范，以及制造的控制重点等
1
3.5 焊点点距 指两个相邻焊点熔核的中心距离。
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4 设计输入输出
4.1 设计输入条件
5 设计工作内容
焊点布置说明 焊点力计算分析
6 设计规则及标准要求
6.1 焊点布置说明 6.1.1 焊接结构工艺性
焊接结构工艺性是指钣金结构件在焊接夹具上组合拼装后，实施焊接的难易程度。零件良好的焊接
6.1.3.4 覆盖件的焊接面要求 尽量布置在平直面上，非焊接面要留足够的空间，以免零件间相互干涉。
6.1.3.5 焊点间距的合理性 在实际生产中，当焊接小尺寸零件时，可参考表5-2中的数据。在焊接大尺寸零件时，点距可以适
当加大，一般不小于40-50 mm。在有些非受力的部位，则焊点的距离还可以加大到70-80 mm。 板厚t、焊点直径d、设计时可选取的最小焊点直径dmin及焊点间的最小距离e，详见表2。若板材为
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上海同捷科技股份有限公司企业标准
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绝密
车身焊点布置及焊点力计算标准
2011-11-01 发布
2011-11-01 实
上海同捷科技股份有限公司 发布
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前言
本标准对车身焊点布置及焊点力计算进行详细说明总并对焊点布置及焊点力计算进行分析和验证， 确认是否符合设计要求，对不符合要求的根据仿真结果进行优化。特制定此校核标准。
不同厚度组合，按较薄的板选取。特殊情况下必须超出表5-2规定设计点焊接头时应经与客户工艺人员 商讨。
表2 电阻点焊的焊点尺寸
板厚(最薄板)t mm
焊点直径d mm
最小焊点直径 dmin mm
二层板焊点间 最小距离e
mm
三层板焊点间 最小距离e
mm
0.6-0.79
5.0-6.0ห้องสมุดไป่ตู้
3.5
12-16
15-20