皮卡車架焊接精度控制方法研究

陳巖

（廣東福迪汽車有限公司 528225)

0 引言

在汽車行業(yè)，關(guān)于白車身焊接精度研究較多，主要應(yīng)用車身精度偏差源的研究辦法。白車身焊接工藝主要是電阻點(diǎn)焊及激光焊等技術(shù)，對(duì)于焊接變形的影響甚微。車架主要以3 mm以上的厚板為主，焊接主要是CO2焊接，焊接變形較大。雖然我國皮卡發(fā)展已經(jīng)近20年，但在車架焊接精度控制方面的研究較少，未形成系統(tǒng)[1]。目前國內(nèi)關(guān)于皮卡車架焊接精度的研究，主要方向在自動(dòng)化、多平臺(tái)化生產(chǎn)等方面。車架焊接精度控制方法的研究，是在中國皮卡市場(chǎng)不斷發(fā)展及深入迫切需要車架精度控制技術(shù)得到提升的前提下提出的?？紤]影響精度的各種因素對(duì)車架焊接精度方法研究，提升焊接精度，為皮卡整車性能的提升打下良好的基礎(chǔ)。整車技術(shù)的進(jìn)步，離不開零部件品質(zhì)的提升，車架焊接精度控制方法的研究，必將是企業(yè)長期堅(jiān)持的研究方向。

1 車架焊接精度控制辦法

導(dǎo)致車架焊接變形的因素很多，主要?dú)w結(jié)有定位基準(zhǔn)、零件質(zhì)量、焊接夾具、焊接工藝、工藝人員、物流級(jí)測(cè)量方法等?；谄盍骼碚摰能嚰芎附泳绕羁刂品椒ㄈ鐖D1所示。

圖1 車架焊接精度偏差控制方法

1.1 定位基準(zhǔn)系統(tǒng)

定位基準(zhǔn)系統(tǒng)（RPS）。定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)是精度控制方法的基礎(chǔ)工作，其作用是保證零部件在焊接、裝配和檢測(cè)過程中的定位穩(wěn)定性和狀態(tài)一致性，保證車身、零部件各尺寸鏈上有功能性要求的特征孔、面及切邊位置精度受到控制[2]。對(duì)于汽車柔性零件的定位，如果僅靠六點(diǎn)定位規(guī)則將無法保證由于薄板零件柔性所產(chǎn)生的變形問題，因此通常采用工件表面或型面過定位的方式進(jìn)行定位。當(dāng)零件尺寸比較吻合，過定位支撐與零件間存在合理間隙范圍內(nèi)，過定位支撐可以起到檢驗(yàn)零件的作用；同時(shí)，在夾具和檢具的定位上，還可以起到減少零件變形的作用。

因此，“3+2+1”定位原則在汽車的定位系統(tǒng)里演變?yōu)椤癗+2+1”的定位原理[3]。定位基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則為：根據(jù)零件主要特性需求和功能尺寸要求，考慮制定關(guān)鍵控制要素；按照“N+2+1”原則確定零件基準(zhǔn)系統(tǒng)的基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)面；根據(jù)焊裝工藝性考慮基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)面能否滿足功能尺寸的精度要求；考慮基準(zhǔn)的傳承性及基準(zhǔn)面的位置一致性。從零件到總成，基準(zhǔn)點(diǎn)越來越少，但是盡量保持某幾個(gè)基準(zhǔn)一直可以繼承下去，使公差傳遞量最小。

1.2 沖壓件技術(shù)分析方法

起皺、開裂和回彈是沖壓成形主要的3種缺陷，其中回彈是最難控制的因素。在彎曲成形和拉深成形工藝中，回彈現(xiàn)象比較普遍。車架的沖壓工藝，主要以彎曲成形為主，彎曲成形過程主要分4個(gè)階段：彈性彎曲、彈-塑性彎曲、塑性彎曲和校正[4]。為解決回彈問題，很多模具廠家使用CAE分析和預(yù)變形處理[5]。沖壓件尺寸誤差分析如圖2所示。

圖2 沖壓件成形精度控制

1.2.1 零件回彈原因分析

影響回彈的因素主要有材料的力學(xué)性能、材料的相對(duì)彎曲半徑、彎曲工件的形狀、模具間隙和校正力?；貜椀拇笮⊥ǔＳ媒嵌然貜椓喀う龋驶貜棪う褋肀硎綶6]。角度回彈是指模具在閉合狀態(tài)時(shí)，工件彎曲角θ與從模具中取出后工件的實(shí)際角度θ0之差，如公式1所示。

曲率回彈是指模具在閉合狀態(tài)時(shí)，壓在模具中工件的曲率半徑ρ與從模具取出后工件的實(shí)際曲率曲率半徑ρ0之差，如公式2所示。

影響回彈量的因素主要有：材料的力學(xué)性能，回彈角的大小與材料的屈服點(diǎn)σs成正比，與彈性模量成反比。材料的相對(duì)彎曲半徑為R/t（t為材料厚度），當(dāng)其他條件相同時(shí)，R/t值越小，則Δθ/θ和Δρ/ρ也就越小。彎曲工件的形狀，一般U形件比V形件的回彈角要小，回彈與工件彎曲半徑也有關(guān)系，當(dāng)比值R/t小于0.2～0.3時(shí)，則回彈角可能為零，甚至達(dá)到負(fù)值。模具間隙，U形彎曲的凸模、凹模單邊間隙Z/2越大，則回彈角越大，當(dāng)Z/2小于t時(shí)，可能產(chǎn)生負(fù)回彈。校正力，增加校正力可減少回彈量。綜上所述，由于影響回彈數(shù)值的因素很多，而且各因素往往又相互影響，故難以進(jìn)行精確的計(jì)算或分析。

1.2.2 解決零件回彈的方法

彎曲成形加工產(chǎn)生回彈是必然的，只有利用CAE分析明確回彈量采取必要的措施進(jìn)行解決。如上所述回彈大小與彎曲的方法及模具結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，消除回彈常用的方法有2種：補(bǔ)償法和校正法[7]。

補(bǔ)償法要預(yù)先估算或?qū)嶒?yàn)出工件彎曲后的回彈量，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，要使工件的變形超出原設(shè)計(jì)變形，沖壓回彈后所需要的形狀。解決回彈量有2種措施：其一是使凸模向內(nèi)側(cè)傾斜形成角Δθ；其二是使凸凹模單邊間隙小于板料厚度。凸模將板料壓入凹模后，利用板料外側(cè)與凹模的摩擦力使板料的兩側(cè)都向內(nèi)緊貼凸模，從而實(shí)現(xiàn)回彈補(bǔ)償。

校正法是在模具結(jié)構(gòu)上采取措施，讓校正壓力集中在彎角處，使其產(chǎn)生一定的塑性變形，克服回彈。當(dāng)彎曲區(qū)材料壓縮量變?yōu)榘搴竦?%～5%時(shí)，校正的效果較好。校正在沖壓模具工藝時(shí)，通常在彎曲成形工藝后保留此工序，也叫側(cè)整形。車架的縱梁和橫梁等零件，均采用“預(yù)成形+側(cè)整形”的兩次成形工藝。通過實(shí)踐驗(yàn)證，兩次成形工藝非常適合車架縱梁和橫梁等厚度超過3 mm以上的零件。

1.3 焊接工藝

車架的焊接變形主要以縱向變形引起的撓曲變形為主，車架前后兩端最遠(yuǎn)位置焊接變形較大。預(yù)防焊接變形工藝措施主要有2種：合理選擇焊接方法和規(guī)范；選擇合理的裝配焊接順序。

合理選擇焊接方法和規(guī)范。焊接電流、電弧電壓、焊絲送絲速度及保護(hù)氣體流量等，是CO2焊接的主要工藝參數(shù)。CO2焊接最主要的是熱量，根據(jù)Q=UIT，熱量越大變形量就越大，而熱量小又無法形成良好的焊縫。因此，首先需選定合理的電壓、電流及焊接時(shí)間。其次，由于保護(hù)氣體影響焊道形狀和咬邊等質(zhì)量特性，需選擇合適的保護(hù)氣體流量[9]。通過參考焊接手冊(cè)及大量試驗(yàn)，針對(duì)車架焊接，不同板厚的焊接電流、電弧電壓及氣體流量等焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)表

選擇合理裝配焊接順序。以車架中后段副梁焊接總成（3 m）為例進(jìn)行了一組試驗(yàn)，僅有焊接夾具定位及支撐，無夾緊的情況下，按照?qǐng)D3中的4種焊接順序完成單邊焊縫。4種焊接均以兩端翹曲變形為主，圖3中a～d兩端翹曲分別為約30 mm、50 mm、60 mm和100 mm。綜合比較，在長度較長時(shí)，通常是1 m以上的單邊焊縫，建議使用如圖3中a所示的焊接順序完成焊接。

圖3 焊接順序圖

1.4 焊接夾具

焊接夾具的功能是為了實(shí)現(xiàn)車身零件的正確定位。汽車焊接夾具設(shè)計(jì)分概念設(shè)計(jì)階段、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化階段。概念設(shè)計(jì)階段，根據(jù)輸入的車身零件的焊接特征，在系統(tǒng)進(jìn)行相似焊接實(shí)例檢索、收集和提交，生成初始設(shè)計(jì)方案集，供設(shè)計(jì)者選擇。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)者所選擇的初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)入下一步的焊接夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)于焊接夾具設(shè)計(jì)的主要研究集中在零件正確定位，即選擇最優(yōu)定位點(diǎn)數(shù)并確定最佳位置，以實(shí)現(xiàn)正確的約束定位?！癗+2+1”定位原理比剛性件“3+2+1”定位原理更加適合汽車焊接夾具定位，利用有限元分析和非線性規(guī)劃方法，找到最優(yōu)的“N”定位點(diǎn)，使零件變形最小[10]。

焊接夾具的規(guī)范包括：車架總成夾具的BASE板要求采用Q235-A鋼板，厚度不低于30 mm，縱梁分總成和車架總成夾具的支撐座、型板厚度不能小于30 mm，其余夾具厚度不能小于19 mm；夾具所有定位壓緊塊的寬度采用45鋼，表面淬火硬度為HRC40-45，定位銷材質(zhì)采用40Cr，淬火硬度為HRC50-55，表面采用鍍硬鉻處理，所有定位塊/支撐面需可調(diào)整，考慮車架的變形量較大，需統(tǒng)一預(yù)留8 mm調(diào)整墊片；縱梁總成、橫梁總成焊接時(shí)，要求兩側(cè)面全長壓緊，壓板寬度約為30～40 mm，間距為250 mm；車架氣缸具有自鎖功能，防止零件焊接過程中因受熱膨脹導(dǎo)致夾緊塊回縮；主線上車架至少需要翻轉(zhuǎn)1次，為保證車架定位基準(zhǔn)一致，要求主線所有夾具增加縱梁側(cè)面定位孔的檢測(cè)銷；夾具結(jié)構(gòu)應(yīng)有克服或減少焊接變形的措施，車架總成和縱梁等大件的夾緊采用増力夾緊自鎖機(jī)構(gòu)，保證零件始終夾緊到位；使用獨(dú)特的自鎖機(jī)構(gòu)為夾緊器提供強(qiáng)大夾緊力，有效抵御焊接變形（圖4）；校正夾具采用液壓夾緊并應(yīng)有增力夾緊自鎖裝置，車架校正夾具在車架主線上按照100%的頻率進(jìn)行校正，校正車架縱梁Z方向尺寸。

圖4 自鎖機(jī)構(gòu)

1.5 人員

車架焊接以CO2焊接為主，人員的因素是制造過程最大變化的因素。因此，在研究車架焊接精度控制方法時(shí)，必須對(duì)人員的管理進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?。從車架的工藝結(jié)構(gòu)及企業(yè)投入經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，車架焊接仍需一定的人工焊接來完成。凡有人操作的地方都需要相應(yīng)的技能要求，只有工藝人員清晰本工序的操作要點(diǎn)，才能做出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，避免因技能不足上崗操作導(dǎo)致不良品的出現(xiàn)。因此，技能培訓(xùn)、人員變化的管理辦法，是車架精度保障的重要環(huán)節(jié)。

員工技能培訓(xùn)需要從CO2焊接基本知識(shí)、CO2焊接設(shè)備、焊接夾具、操作技能、焊接質(zhì)量判斷及過程記錄等進(jìn)行全面的培訓(xùn)以及評(píng)價(jià)。人員變更時(shí)，需要重新培訓(xùn)及考評(píng)。

1.6 生產(chǎn)物流

皮卡車架主要有2種特點(diǎn)：第一，生產(chǎn)綱領(lǐng)普遍偏低；第二，長縱梁與長橫梁的結(jié)構(gòu)焊接性好，單工序焊接時(shí)間短?；谶@2種特點(diǎn)，皮卡車架的布置一般采用以下方式：主線從縱梁分總成開始，到車架焊接總成、校正和沖孔，呈一字型布置，就是通常講的車架主焊線；分總成以機(jī)器人焊接工作站的形式進(jìn)行布置，通常以2根橫梁總成為一個(gè)工作；支架分總成類焊接手工焊接工作為主，集中焊接布置的方法。

車架的生產(chǎn)過程為“沖壓——庫房——焊接分總成——焊接總成”，3次搬運(yùn)均需要專用的器具來完成。裝載量過多、器具設(shè)計(jì)不合理及擺放不合理等均會(huì)造成零件的變形。為做好裝置器具，裝載器具應(yīng)具備如下的技術(shù)要求：主體框架，要求采用Q235材質(zhì)管狀型材組合裝配焊接而成；工裝器具主體框架裝配焊接，需采用定位精準(zhǔn)的工裝輔助，要求使用電弧焊，不得使用CO2焊接、氬弧焊等焊接工藝，焊后退火消除應(yīng)力；堆碼裝置要求強(qiáng)度能滿足8 T的承載；支撐腳座和護(hù)鏟裝置采用Q235，料厚度應(yīng)大于等于5 mm，吊鉤和吊環(huán)采用Q235材質(zhì)的鍛造件，直徑要求在18 mm以上。

1.7 測(cè)量方法

車架測(cè)量的主要檢測(cè)設(shè)備有檢具、三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)（CMMS）、三維激光掃描儀等。檢具是檢查和驗(yàn)證產(chǎn)品是否合格的不可缺少的工藝裝置之一，它應(yīng)能明確反映出產(chǎn)品各部位是否合格及是否存在誤差。

檢具技術(shù)要求：總成檢具采用方鋼焊接框架底座結(jié)構(gòu)，底板厚度要求10 mm以上，對(duì)于局部容易磨損的部位要求采用金屬防磨損結(jié)構(gòu)；定位面及支撐面材料采用采用SKD61或相當(dāng)材料，其結(jié)構(gòu)必須采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，斷面規(guī)材料采用鋼板，厚度需大于10 mm，其結(jié)構(gòu)要求選用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，定位銷、圓柱銷、劃線銷及銷套的材料采用SKD61材料或相當(dāng)材料，表層硬度HRC45-50；檢具工作型面的精度誤差應(yīng)小于0.20 mm，所有用于被測(cè)零件的定位基準(zhǔn)在檢具上的位置公差都必須限制在±0.10 mm以內(nèi)，所有用于被測(cè)的零件包括檢驗(yàn)銷和導(dǎo)套，在檢具上的位置公差都必須限制在±0.15 mm以內(nèi)，用于內(nèi)部線條/塞片檢驗(yàn)的表面輪廓特性在檢具上的位置公差都應(yīng)該限制在±0.15 mm以內(nèi)。

根據(jù)車架質(zhì)量檢查法，利用車架檢具，對(duì)車架總成的裝配安裝孔位、重要型面進(jìn)行檢測(cè)，以合格率評(píng)價(jià)車架的質(zhì)量水平，合格率是符合點(diǎn)與總測(cè)點(diǎn)的百分比。車架質(zhì)量檢查法的編制要嚴(yán)格按照GD/T、RPS的信息進(jìn)行編制，這2份文件明確定義定位基準(zhǔn)和公差要求。車架關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)量值，需要100%符合，全部測(cè)點(diǎn)要求90%符合。

2 結(jié)束語

定位基準(zhǔn)的應(yīng)用，減少因基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換造成的誤差，機(jī)器人自動(dòng)化焊接技術(shù)，保證焊接過程的穩(wěn)定性。在剛性固定法和反變形法的指導(dǎo)下，研究車架焊接夾具的結(jié)構(gòu)，研究車架焊接夾具定位點(diǎn)的選定，研究夾具夾緊力，能有效解決車架的焊接變形，在車架焊接精度控制上非常有效。近些年，中國汽車市場(chǎng)各種車型均得到快速增加，但皮卡的市場(chǎng)占有率還不高，仍有很大的發(fā)展空間。關(guān)于皮卡車架焊接精度控制的研究，對(duì)皮卡車型在未來的發(fā)展具有重要的意義。