轎車車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形分析及焊點(diǎn)優(yōu)化

（一汽-大眾汽車有限公司成都分公司 焊裝車間，四川 成都 610100）

轎車車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形分析及焊點(diǎn)優(yōu)化

張鴻榮，雷金凡

（一汽-大眾汽車有限公司成都分公司 焊裝車間，四川 成都 610100）

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋是汽車表面重要的外觀件，其輪廓、鈑金狀態(tài)和平整度都直接影響著整車質(zhì)量，而目前發(fā)動(dòng)機(jī)蓋電泳變形是眾多主機(jī)廠無法完全解決的難點(diǎn)問題，導(dǎo)致質(zhì)量評(píng)審結(jié)果不佳。分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形的產(chǎn)生原因，并從實(shí)施效果、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)比了主流的解決措施，根據(jù)生產(chǎn)工藝建立仿真模型，采用有限元分析方法優(yōu)化某車型單邊焊接工藝，提出了兩種單邊焊的改進(jìn)方案，并根據(jù)仿真結(jié)果在生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行了實(shí)施，顯著減小了發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的電泳變形量，保證了其過程質(zhì)量，并為后續(xù)車型在項(xiàng)目前期提供了有效的參考和經(jīng)驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋；電泳變形；有限元仿真；焊點(diǎn)優(yōu)化

0 前言

轎車車身的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋一般是整車表面最大的覆蓋件，它與翼子板、格柵、大燈的匹配是在車外最容易觀察到的部分，其決定了消費(fèi)者對(duì)整車質(zhì)量的第一印象，而由發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形導(dǎo)致的一系列前端質(zhì)量問題長期困擾著眾多主機(jī)廠，如圖1所示。

為了徹底解決前蓋變形問題，生產(chǎn)部門投入大量人力在整車終檢前使用外力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形部位進(jìn)行恢復(fù)，以期控制前端區(qū)域匹配，單車平均返修工時(shí)增加30 s，但效果并不好，因變形過大無法返修或返修二次缺陷導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的報(bào)廢率達(dá)到5‰，即使返修完成后整車質(zhì)量仍然存在問題。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于該問題沒有成熟的理論或分析結(jié)論，只有泛亞汽車虞敬文等人[1]提出鋼的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的變形可以通過調(diào)整支撐位置以及結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化。本研究從多角度分析了發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形產(chǎn)生的原因并提出解決措施，并在某車型的工藝基礎(chǔ)上采用有限元分析方法，對(duì)點(diǎn)焊焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，顯著減小了發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的變形量和返修量。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與翼子板平度，間隙匹配差，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋表面波浪等系列問題

1 原因分析

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋生產(chǎn)工序的分步測量，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形主要是在電泳工序后產(chǎn)生的，故主要分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的電泳變形。

在電泳工藝過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋受到的外界作用主要有兩方面：一是車身在電泳池中翻轉(zhuǎn)行進(jìn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋受到電泳液的流體阻力和自身重力影響；二是發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在電泳烘房中受到高溫空氣的熱傳導(dǎo)。

由此可見，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形的原因如下：

（1）材料選用、表面造型和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)原因?qū)е掳l(fā)動(dòng)機(jī)蓋整體剛度不足，在電泳池中受到阻力后產(chǎn)生變形。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在白車身上未安裝鎖機(jī)構(gòu)，僅靠電泳工裝與車身形成剛性連接，而連接點(diǎn)的數(shù)量、位置設(shè)計(jì)不合理以及支撐工裝制造偏差使得發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在電泳池中局部受力過大，導(dǎo)致變形

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在電泳烘房中產(chǎn)生熱變形，而同時(shí)包邊膠、減震膠固化，導(dǎo)致熱變形不可逆。

2 解決措施

國內(nèi)廠商采取多種工藝來避免發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形，包括四門、后蓋的電泳變形。

（1）在零件設(shè)計(jì)階段充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)蓋整體剛度，增加其抗變形能力。例如可以通過采用加入玻璃珠的折邊膠來限制了內(nèi)外板的相對(duì)移動(dòng)，從而使總成在折邊膠烘干前也能獲得理想的剛性[2]。但影響發(fā)動(dòng)機(jī)蓋設(shè)計(jì)的因素太多，例如造型、成本、行人保護(hù)、減震等，電泳變形往往不能成為首要考慮因素。

（2）增加發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與電泳工裝的連接點(diǎn)，例如某車型項(xiàng)目初期電泳工裝與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋只有鎖板位置1個(gè)連接點(diǎn)，如圖2所示，電泳變形量達(dá)6 mm，導(dǎo)致無法生產(chǎn)出整車，項(xiàng)目停滯，隨后項(xiàng)目組在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前沿左右兩側(cè)緩沖膠墊孔位置各增加1個(gè)連接點(diǎn)，如圖3所示，批量實(shí)施后，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋電泳變形量減小，頻次降低。上汽通用五菱汽車鄒鳳祥等人[3]也采取了前端雙邊支撐的方式，保證了在涂裝工藝過程的質(zhì)量狀態(tài)。

圖2 1個(gè)連接點(diǎn)的電泳工裝

圖3 3個(gè)連接點(diǎn)的電泳工裝

（3）在進(jìn)入涂裝車間電泳池前將壓合膠固化，增加發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的整體剛性，采用高頻固化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋總成強(qiáng)度提高較多，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋總成容易竄動(dòng)的問題[4]。某品牌廠商早期一般在壓合工位后使用高頻感應(yīng)設(shè)備加熱壓合膠，但其節(jié)拍無法滿足工廠大批量的生產(chǎn)需求，同時(shí)轉(zhuǎn)化效率低，能耗高，逐步被烘干爐取代，但烘干爐投資高，占地面積大，污染較高，經(jīng)濟(jì)性不好。

（4）使用單邊焊點(diǎn)焊接發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板包邊。單邊焊點(diǎn)廣泛應(yīng)用于前后蓋生產(chǎn)中，其焊接電極和回路電極在同一側(cè)，故稱為單邊焊點(diǎn)，其成本低、占用空間小并且可以在現(xiàn)有工位進(jìn)行更改[5]，工作狀態(tài)如圖4所示。

圖4 單邊焊設(shè)備工作狀態(tài)

在通過單邊焊點(diǎn)焊接后，內(nèi)外板不會(huì)發(fā)生竄動(dòng)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的整體強(qiáng)度，也不會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外表面產(chǎn)生影響美觀的焊點(diǎn)印記，如圖5、圖6所示。但單邊焊點(diǎn)的效果受制于其強(qiáng)度、數(shù)量和合理的位置分布，如果單邊焊方案沒有針對(duì)電泳變形進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，效果不一定好。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)側(cè)單邊焊點(diǎn)

3 模型

或烘干爐，采用單邊焊工藝（見圖7）。由于焊點(diǎn)的數(shù)量和位置不合理，導(dǎo)致電泳變形嚴(yán)重，同時(shí)現(xiàn)已投入大批量生產(chǎn)，無法進(jìn)行大規(guī)模停產(chǎn)改造，為了盡快解決該問題，使用有限元仿真方法對(duì)電泳變形進(jìn)行模擬，優(yōu)化單邊焊點(diǎn)數(shù)量和位置。

在此分析的車型為走量經(jīng)濟(jì)車型，節(jié)拍51 s，由于節(jié)拍快，所以在工藝規(guī)劃時(shí)未采用高頻感應(yīng)設(shè)備

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外側(cè)邊緣表面

圖7 某車型單邊焊點(diǎn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋主要以鈑金件為主，總成以內(nèi)板、鉸鏈加強(qiáng)板、鎖加強(qiáng)板、外板、壓合膠、減震膠構(gòu)成，如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋結(jié)構(gòu)

首先對(duì)CATIA創(chuàng)建的幾何模型進(jìn)行清理，然后使用殼單元進(jìn)行建模，按10 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總共36 293個(gè)單元。

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板邊緣通過包邊模擬，鉸鏈加強(qiáng)板、鎖加強(qiáng)板與內(nèi)板的焊點(diǎn)使用CWELD單元模擬，內(nèi)外板之間的減震膠通過ACM單元模擬。材料屬性如下：鋼板的材料參數(shù)——彈性模量210 GPa，材料密度7.9e+3kg/m3，泊松比0.3；粘膠材料參數(shù)——彈性模量4 GPa；材料密度1.2e+3 kg/m3；泊松比0.3。

4 仿真優(yōu)化

模型建立后進(jìn)行設(shè)定約束，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與車身通過鉸鏈連接，在加裝電泳工裝后完全鎖定，故在仿真過程中約束6個(gè)自由度，電泳工裝與前蓋有3個(gè)連接點(diǎn)，由于電泳工裝使用插銷鎖定，故在仿真中只約束1個(gè)自由度。

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在電泳池中車身做勻速翻滾運(yùn)動(dòng)，受到的流體阻力呈線性分布，在電泳烘房受到的熱作用為循環(huán)熱空氣，最高溫度180°，仿真約束條件及載荷如圖9所示。

圖9 仿真約束及載荷條件

使用仿真軟件運(yùn)行得到前蓋變形如圖10所示，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋兩側(cè)直邊前段變形2.8 mm，且變形大的區(qū)域主要集中在大燈和前進(jìn)氣格柵附近，與該車型缺陷狀態(tài)一致。

圖10 仿真結(jié)果

試驗(yàn)方案是在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋兩側(cè)直邊前段增加2個(gè)單邊焊點(diǎn)，如圖11圓圈標(biāo)記所示，共8個(gè)焊點(diǎn)，重新仿真得到前蓋變形如圖12所示，缺陷區(qū)域變形量由2.8 mm減小至1.7～2.1 mm，效果顯著。

根據(jù)仿真結(jié)果，生產(chǎn)部門計(jì)劃按照8個(gè)單邊焊點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方案超出生產(chǎn)節(jié)拍3 s，達(dá)到54 s，故調(diào)整焊點(diǎn)，變形最大的兩個(gè)直邊增加焊點(diǎn)2個(gè)，變形較小的徽標(biāo)處由之前的2個(gè)焊點(diǎn)減為1個(gè)，重新設(shè)計(jì)的方案如圖13所示。仿真結(jié)果如圖14所示，缺陷區(qū)域變形量為2 mm，比原方案變形量減小0.8 mm。

根據(jù)仿真結(jié)果，生產(chǎn)部門對(duì)7個(gè)單邊焊點(diǎn)的方案進(jìn)行批量實(shí)施，從三坐標(biāo)測量結(jié)果看，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與翼子板匹配區(qū)域變形量減小，對(duì)比優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的掃描結(jié)果如圖15所示，效果明顯，報(bào)廢率下降到0.2‰，單車返修工時(shí)下降24 s。

圖11 8個(gè)單邊焊點(diǎn)方案

圖12 8個(gè)單邊焊點(diǎn)方案仿真結(jié)果

圖13 7個(gè)單邊焊點(diǎn)方案

圖14 7個(gè)單邊焊點(diǎn)方案仿真結(jié)果

5 結(jié)論

系統(tǒng)分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋電泳變形的產(chǎn)生原因，并對(duì)已有各種解決方式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在整車項(xiàng)目啟動(dòng)前通過良好的工藝設(shè)計(jì)，能夠有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)蓋電泳變形缺陷的產(chǎn)生，在產(chǎn)品進(jìn)入批量生產(chǎn)后，可以通過有限元仿真手段，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)蓋單邊焊點(diǎn)數(shù)量和位置，減小發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的電泳變形量。

圖15 優(yōu)化前后對(duì)比

[1]虞敬文，李濤，李金洪.發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形研究[J].機(jī)械工程師，2009（12）：118-120.

[2]李攝權(quán).四門兩蓋包邊新工藝[J].汽車與配件，2010（45）：26-28.

[3]鄒鳳祥，周滿紅，蔣玲麗.引起汽車發(fā)蓋變形的涂裝工藝改進(jìn)[J].創(chuàng)新科技，2013（10）：72-74.

[4]羅燈遠(yuǎn).高頻加熱設(shè)備在解決門蓋總成變形的作用[J].汽車工藝與材料，2016（04）：66-69.

[5]唐智有，尹雪松，周祥兵,等.單面點(diǎn)焊的原理特點(diǎn)及其在汽車門蓋生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車，2015（10）：46-49.

Deformation analysis and welding point optimization of engine hood

ZHANG Hongrong，LEI Jinfan
（FAW-Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Chengdu Branch Bodyshop，Chengdu 610100，China）

The engine hood is an important outer part of the car surface，its profile，sheet metal status and flatness have a direct impact on the quality of the vehicle，and the electrophoresis deformation of engine hood is now a difficult problem which OEMs can not completely solve，resulting in poor quality assessment.In this paper，the causes of the deformation of the engine hood are analyzed，and the mainstream solutions are compared from the aspects of implementation effect，production efficiency and economy.Then，the simulation model is established according to the production technology，finite element analysis method is used to optimize the single side welding technology for a vehicle.Two kinds of improvement schemes for single side welding are proposed and implemented according to the simulation results in the production area，which obviously reduces the electrophoresis deformation of the engine hood and ensures the process quality，and also provides effective reference measures and experience for follow-up models in the early stages of the project.

engine hood；electrophoresis deformation；finite element simulation；welding point optimization

TG457.2

B

1001-2303（2017）09-0085-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.18

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張鴻榮，雷金凡.轎車車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形分析及焊點(diǎn)優(yōu)化[J].電焊機(jī)，2017，47（09）：85-89.

2017-05-31

張鴻榮（1979—），男，工程師，學(xué)士，主要從事汽車焊接研究工作。E-mail：zhr110@163.com。