作者：Josefine Lemke（德国弗劳恩霍夫协会生产设备与设计技术研究所（IPK），连接与涂覆技术部副研究员）
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在要求极高的产品供应链中，如使用激光拼焊板（TWBs）加工的白车身零部件，为避免模具调整和不必要的试制，在实际生产前对产品进行数值仿真至关重要。一种全新的激光拼焊工艺链数字孪生技术将焊接与成形两个工序的数值仿真结合为一个整体。图1是激光拼焊板在白车身中的典型应用——前纵梁。
??图1：汽车行业中激光拼焊板的典型应用——前纵梁。该拼焊板由微合金钢CR300LA（厚度2.3mm）与600MPa级高强双相钢（厚度2.5mm）拼焊而成焊后板料经过深冲成为最终的零件形状。
而在将激光焊接与深冲工艺链推向更高强度的先进高强度钢时，面临诸多挑战。焊缝周围因热输入易软化，导致热影响区（HAZ）强度下降，焊缝金属发生硬化，从而改变成形极限性能。
采用自适应焊接工艺控制可优化材料性能，从而确保激光束焊接适用于各类先进高强度钢牌号。对制造全过程进行连续的数字化仿真，是实现低碳排放、轻量化、材料利用率最大化的最有效途径之一。为替代大量的材料试验，可以采用有限元分析方法（FEA）建立零部件的虚拟3D模型。
焊接结构仿真的合理性通常通过热电偶测温与金相截面分析进行验证。成形仿真的核心在于高强钢材料卡片，包括屈服曲线、应力-应变曲线及成形极限图（FLD）均被输入模型中。通过深冲压力-位移曲线与模型仿真曲线对比的验证试验，进一步完善成形仿真的设置；随后，利用3D扫描仪对实物零件进行数字化建模，从而在几何形状、缺陷及板料厚度方面，将实际零件与仿真结果进行对比。作为示意，图2是模拟的深冲后S型轨道的仿真结果。
??图2：使用激光拼焊板成型的S型轨道失效概率（最大失效处）的方阵结果，图中焊接与热影响区均被放大以便观察。由两种不同厚度的高强度钢通过对接方式焊接而成。其中热影响区划分为具有不同性能的两个区域。
当前成形仿真软件难以精确考量焊缝金属及热影响区的微小几何特征，因此焊接仿真结果无法直接作为输入数据导入另外一款软件；同时，焊接区域的材料行为难以实测导致精确建模困难。为解决这个问题，开发了面向数字数据管理平台的新接口。通过中间步骤把焊接结果传递给成形仿真，包括：热影响区HAZ范围、提取焊缝几何特征。数字孪生的分析链包括：提取焊接仿真结果→生成成形仿真输入→根据成形结果调整焊接参数，形成迭代闭环。图3解释了该数据化工艺链过程。
??图3：拼焊板加工数字化（上）与传统（下）工艺链示意图：从原材料到成品的主要工序。
焊接与成形仿真的联合使用/联动（图4）使先进高强钢激光拼焊板产品可达到更高强度级别，最终节省白车身材料，并使生产过程更具可持续性。以汽车制造为起点，拼焊板的开发可拓展整个交通运输领域的轻量化建造潜力。
??图4:双向数字孪生通过调整焊接仿真实现闭环。数字平台将三维焊接仿真结果简化为含焊缝与热影响区位置的二维信息。二维信息可被用于壳单元的建模仿真并被用于成形工艺仿真。成形仿真结果反馈至数字平台。最佳仿真结果对应的参数被高亮显示并用来辅助指导下轮焊接工艺仿真。
特别感谢本文作者Josefine Lemke女士。Lemke专注于增材制造与焊接仿真，研究方向包括工业及中小型企业中零件质量与粉末性能关联，超高强钢车身质量研究（激光焊接与成形仿真在TWBs中的集成）。
来源丨世界钢铁协会