某轎車前副車架的焊接變形控制

余可安，黃小林，蘭建平，李家新

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

前副車架是前置前驅(qū)乘用車型一個共有的特性，也是底盤部分一個重要的結(jié)構(gòu)件，它的主要功能是阻隔振動和噪聲，承載發(fā)動機(jī)與變速箱，提供足夠的強(qiáng)度與剛度以保證安裝在上面的總成能夠正常的工作[1]。就其本身工藝特性來說，副車架是大型的薄型沖壓焊接件，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的主要問題是由于焊接變形引起的結(jié)構(gòu)尺寸不穩(wěn)定，不時出現(xiàn)產(chǎn)品報(bào)廢。因此如何保證前副車架焊接制造過程中的精度，就成為保證整個產(chǎn)品質(zhì)量的一個關(guān)鍵。

1 前副車架焊接變形控制

焊接變形是直接影響前副車架的重要因素，它既會引起尺寸形狀精度的偏差，又會因在焊接中產(chǎn)生冷、熱裂紋等缺陷而引起結(jié)構(gòu)的斷裂特性與疲勞強(qiáng)度等不利影響，從而直接影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量、結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性和制造工藝性等[2]。因此，掌握焊接變形的規(guī)律，了解其作用與影響，采取相應(yīng)的控制措施和消除焊接變形[3]，以保證產(chǎn)品的焊接精度，具有重要意義。

在所有影響焊接變形的因素中，焊接工藝對焊接變形的影響最大，可以通過采取以下三種焊接工藝來控制前副車架的焊接變形。三套焊接夾具的方式，因三套夾具一模一樣，一次裝夾可以實(shí)現(xiàn)兩個工位上的同時焊接，即先點(diǎn)焊再弧焊的焊接順序，避免了人工二次裝夾，減少了焊接的變形量。

如圖1和圖2為某轎車前副車架三工位點(diǎn)焊、弧焊一體化工作站的機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)構(gòu)成圖，由三個工位組成，即：①工位—上、下料，②工位—機(jī)器人點(diǎn)焊，③工位—雙機(jī)器人弧焊，通過水平變位機(jī)構(gòu)，驅(qū)動三套夾具作+120°和-240°兩個角度往復(fù)循環(huán)運(yùn)動，遵循①→②→③→①的焊接順序的變位方式，即一次裝夾經(jīng)過點(diǎn)焊、弧焊工位后即可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的焊接。

圖1 某轎車前副車架三工位點(diǎn)焊、弧焊一體化工作站結(jié)構(gòu)示意圖

2 焊接順序的設(shè)計(jì)

由傳統(tǒng)的焊接工藝布局，即一臺工作站只布置兩套焊接夾具的方式，設(shè)計(jì)成一臺工作站可以布置

圖2 某轎車前副車架三工位點(diǎn)焊、弧焊一體化工作站系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3 焊接方式的優(yōu)化

焊接應(yīng)力和變形是伴隨焊接過程產(chǎn)生的，是不可避免的。焊接變形的控制就是焊接應(yīng)力的控制，主要就是減小焊接應(yīng)力和使焊接應(yīng)力分布均勻，避免局部應(yīng)力過大，產(chǎn)生不可控制的變形[4]。

如圖3，焊接方式的優(yōu)化，主要是根據(jù)某轎車前副車架的焊縫呈現(xiàn)左、右對稱分布的規(guī)律，由單機(jī)器人的焊接方式，設(shè)計(jì)成雙機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接方式（如圖2）。這種焊接控制方式，要求兩臺機(jī)器人在焊接方向保持一定的間距，兩側(cè)焊槍保持對稱姿態(tài)，采用主、從協(xié)調(diào)控制策略，以一臺機(jī)器人為主機(jī)執(zhí)行焊接運(yùn)動，另一臺機(jī)器人作為從機(jī)跟隨主機(jī)運(yùn)動并進(jìn)行焊接，根據(jù)主從協(xié)調(diào)算法計(jì)算出的目標(biāo)軌跡，使從動機(jī)器人按照示教好的軌跡進(jìn)行隨動，不僅要實(shí)時獲取主機(jī)器人的位置狀態(tài)信息，還實(shí)時發(fā)送給從動機(jī)器人使之跟隨運(yùn)動，同時還判斷焊接過程的開始、結(jié)束，并及時控制從動機(jī)器人的起弧與熄弧，從而實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)同步運(yùn)動的焊接控制。

圖3 某轎車前副車架正、反面焊點(diǎn)、弧焊位置分布圖

這種雙機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接方式，避免了以往單機(jī)器人在進(jìn)行一側(cè)的焊縫焊接時，因焊接過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)熱變形而引起另一側(cè)焊縫的焊接變形，甚至造成局部燒穿，使變形控制在一個合理的范圍內(nèi)。

4 預(yù)變形設(shè)計(jì)

預(yù)變形設(shè)計(jì)也稱反變形設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)產(chǎn)品在焊接過程中，不均勻的熱分布與不穩(wěn)定的溫度場引起的夾具無法約束的較規(guī)律的焊接變形，預(yù)先把焊件人為地制出一個變形；根據(jù)焊接變形方向和形變大小，在變形方向上施加一定的大小相同，方向相反的作用力F，使焊接后的變形剛好抵消了這個預(yù)加載的變形量，從而控制產(chǎn)品焊接后的尺寸位置精度符合圖紙，滿足設(shè)計(jì)要求，這個反作用力F一般可以通過夾具控制一定的位移量S來保證。

如圖4，某轎車前副車架焊接后前懸出的部分，在焊接過程中由于局部加熱、冷卻作用，再加上前副車架是由薄型沖壓板材組焊而成的，自身約束力較小，單靠夾具本身固有的定位夾緊力，無法完全保證前副車架的焊接尺寸及位置精度要求，致使前副車架向內(nèi)收縮并呈現(xiàn)較規(guī)律的變形，可以通過采取焊接預(yù)變形的控制措施來降低或消除焊接變形，設(shè)計(jì)了如圖5的預(yù)變形焊接夾具。

圖4 某轎車前副車架焊接變形方向

圖5 某轎車前副車架預(yù)變形焊接夾具

5 實(shí)施焊接變形控制后的效果

某轎車前副車架在制造過程中，采取了相應(yīng)的控制措施來降低前副車架的焊接變形，避免了焊接變形引起正常工藝流程的中斷，得到了很好地控制和解決，大大降低了焊接變形而引起的質(zhì)量問題，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)（圖6），為產(chǎn)品的承接提供了很好的硬件基礎(chǔ)，取得了很好的效果（如圖7和圖8）。

圖6 焊接質(zhì)量目標(biāo)

圖7 某轎車前副車架檢具檢測圖

圖8 某轎車前副車架焊接效果圖

6 結(jié)束語

隨著焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接變形控制的不斷發(fā)展，正確地使用焊接方法，合理地設(shè)計(jì)焊接工藝，可以有效地控制焊接變形，不僅可以降低制造成本，還可以大幅地提高經(jīng)濟(jì)效益。