汽車白車身焊裝SE及案例分析

彭湃

（一汽吉林汽車有限公司，吉林132013）

主題詞：焊裝SE 白車身 產品數(shù)據(jù)評審 定位基準

1 前言

汽車白車身的質量對整車的強度、剛度、裝配精度有重要影響，它是汽車制造過程質量控制中的關鍵環(huán)節(jié)。白車身焊裝SE 是在產品研發(fā)過程中，針對白車身的結構、尺寸公差、焊接工藝性、裝配性、工藝可行性、工藝投資等進行分析，提出產品的設計更改建議，從而提升產品質量、降低成本、縮短產品的研發(fā)周期(Q/C/D)[1]。隨著激光焊、冷連接等新的白車身制造技術的不斷應用，如何做好焊裝SE工作，成為各大汽車生產廠的主要研究課題。

2 焊裝SE概述

2.1 焊裝SE定義

焊裝SE（Simultaneous Engineering）是整合產品設計、工藝設計、質量保證、生產制造過程的系統(tǒng)方法[2]。焊裝SE現(xiàn)已在大部分汽車生產廠應用，以加快推出市場上需要的新產品，增強企業(yè)的核心競爭力。

2.2 焊裝SE作用

焊裝SE 需要工藝部門提前介入評審白車身數(shù)據(jù)，將工藝實施期間可能會出現(xiàn)的問題，提前到產品研發(fā)期間發(fā)現(xiàn)并解決。工藝部門結合以往車型經(jīng)驗，歸納總結產品上存在的問題，反饋給產品設計部門進行規(guī)避；工藝部門將工藝方案及工藝通用技術要求輸入給產品設計部門，提升產品結構設計的合理性、準確性，從而提高產品質量；在工藝部門和設計部門的研討過程中，可以根據(jù)工廠的實際情況，降低工藝難度，從而減少工藝投資；產品部門能夠實現(xiàn)高效率產品設計，大大縮短產品研發(fā)周期。

2.3 焊裝SE工作流程

焊裝SE是一項系統(tǒng)的、復雜的工作，需要設計部門、工藝部門、質量部門、制造部門共同協(xié)作完成，并伴隨產品研發(fā)的整個階段，本廠焊裝SE 工作具體流程如圖1所示。

圖1 焊裝SE工作流程

在產品開發(fā)過程中，隨著車身數(shù)據(jù)的不斷完善，逐步完成產品數(shù)據(jù)評審、DTS、工序流程圖、工作圖、平面圖、夾具品標書、檢具品標書一系列編制工作。通過建立完善的工作流程，為開展焊裝SE明確步驟、統(tǒng)一目標，強化焊裝SE在產品研發(fā)階段中的重要作用，充分發(fā)揮出焊裝SE的優(yōu)勢。

3 焊裝SE開展的前提條件

開展焊裝SE前，需要提前輸入產品規(guī)劃信息、工藝規(guī)劃信息及產品數(shù)據(jù)的質量要求，設計部門、工藝部門等統(tǒng)一標準、協(xié)同工作,才能得到最大的實施價值[3]。

（1）產品規(guī)劃信息的提前輸入

需要明確產品最大平臺數(shù)、產品生產綱領、生產場地、生命周期、產品投資預算等相關信息。產品平臺數(shù)，影響混流生產線工裝的可行性，需提前考慮主定位系統(tǒng)的通用性或預留工藝擴展；產品生產綱領、生產場地，決定生產線的工藝布局，需提前策劃車身結構的分塊；產品生命周期，影響工裝設備的選型，對于生命周期短的產品，可考慮簡易工裝。

（2）工藝規(guī)劃信息的提前輸入

需要初步構想生產線自動化程度[4]、焊接方法、包邊方式、輸送方式、車身儲存方式、物流轉運方式、主要設備等技術信息。自動化程度的高低，影響車身結構設計，自動化程度較高的生產線，焊接可達性好，對車身焊接部位尺寸要求較低，自動化程度較低的生產線（如手工生產線），車身結構要充分考慮焊接可行性；焊接方法要充分考慮生產場地的工藝條件（如設備條件、投資預算），盡量不采用特種焊接方式；包邊方式需要考慮主機廠采用機器人滾邊或壓機包邊，針對不同的包邊方式，采用不同的鈑金設計結構。

（3）產品數(shù)據(jù)的質量要求

產品數(shù)據(jù)中需含有材料厚度方向、層級、用量、坐標、定位點等基礎信息；所有涂膠部位要標注膠種類、長度、位置、涂膠直徑；點焊、弧焊、釬焊等焊接方式要表達清楚，需含有各層級分總成焊點信息；數(shù)據(jù)更改時，要說明制件是取消、新增或更改。

4 焊裝SE內容

焊裝SE 是結合白車身產品數(shù)據(jù)發(fā)放的各個階段，陸續(xù)開展焊裝SE各項工作，逐步完成SE的各項輸出物，從而得到最優(yōu)的工藝規(guī)劃。焊裝SE 輸出物及其內容如表1所示。

表1 焊裝SE輸出物及其工作內容

本廠焊裝SE 過程共有17 項輸出物，本文主要對以下4個輸出物進行重點介紹。

（1）產品數(shù)據(jù)評審

（2）工序流程圖

（3）工藝平面圖

（4）夾具品標書的內容及應用

4.1 產品數(shù)據(jù)評審

產品數(shù)據(jù)評審是從產品結構、工藝性、質量、成本等方面著手，將產品數(shù)據(jù)與工藝方案相結合，反復確認工藝方案(工序分解、夾具方案、平面圖等)可行性，不斷的優(yōu)化，在產品設計階段做出的適應性調整。產品數(shù)據(jù)評審伴隨著產品開發(fā)同步進行，輸出的文件為工程變更申請（ECR）。

4.1.1 產品結構評審

產品結構評審包括白車身剛度、強度、干涉點檢查、間隙檢查、密封檢查等內容。本廠某車型應用案例，如圖2所示，背門檻內板（1）、背門檻外板（2）、后裙板（3）、后側圍外板（4），4個制件搭接位置集中在一個平面，強度和剛性較差，鈑金、焊點易撕裂。通過產品結構評審，將此處結構更改為腔體結構，能夠較大提升白車身的結構強度和剛性，如圖3所示。

圖2 鈑金、焊點易撕裂部位

圖3 腔體搭接結構

4.1.2 工藝性評審

工藝性評審主要包括裝配工藝性、焊接工藝性、涂膠工藝性等。工藝性應重點考慮工序拆分、工序裝配過程的合理性，如圖4所示，側圍內板總成在進行分塊時，將原來的2個大總成拆分為3個小總成，有利于制件的轉運，減少轉運帶來的制件變形，提高側圍分總成的尺寸精度。

圖4 側圍內板總成分塊示意

4.1.3 質量評審

質量評審包括焊接質量、特殊尺寸、關鍵尺寸、間隙尺寸等。如圖5所示，左圖U型件3面搭接，零間隙貼合，制造精度難保證，右圖U 型件為經(jīng)過評審優(yōu)化后的結構，其中一處完全分離，且間隙值σ大于2 mm，2處僅焊點處貼合，以提升合件的裝配精度，降低制造難度，同時也能提升白車身局部的強度和剛性。

圖5 制件與制件搭接平面示意

如圖6所示，左圖2個制件在搭接處相切，產生尖點，制件焊接強度低、電泳質量差、易產生異響，右圖為經(jīng)過評審優(yōu)化后的設計結構，制件搭接處避免產生尖銳間隙，且間隙值σ大于3 mm，強度顯著提升。

圖6 制件搭接示意

4.2 工序流程圖

工序流程圖是保證白車身質量、生產布局、物流轉運等最優(yōu)化的工序流程。根據(jù)白車身數(shù)據(jù)，對車身結構模塊劃分、工序分解、節(jié)拍測算，并不斷的進行完善，對工序分配不合理的位置，需要對工序分解進行更改。工序流程圖包括以下內容，如圖7、圖8。

（1）體現(xiàn)白車身所有制件的構成，大到鈑金件、小到一個螺母或螺釘。

（2）體現(xiàn)所有總成及分總成制件的工序拆分，描述了制件的名稱、圖號、數(shù)量、車型配置。

（3）說明制件的加工工藝、工裝數(shù)量。

（4）體現(xiàn)所有總成及分總成制件的作業(yè)順序和相互之間的邏輯關系。

（5）體現(xiàn)自制工序和外委工序。

工序流程圖向上對接產品BOM 清單，向下對應平面布置方案、制件質量控制方案、制件采購方案等，因此工序流程圖貫穿SE 活動始終，是SE 活動的核心文件。工序流程圖需要隨著產品的設計更改實時更新，確保各接口部門間傳遞的是最新數(shù)據(jù)。

圖7 某車型前罩板工序流程

圖8 工序流程圖表樣說明

4.3 工藝平面圖

工藝平面圖是根據(jù)廠房的長度和寬度、物流環(huán)境、接口等確定焊裝線的整體走向，對物流路徑進行整體構思（包括出入口、單行線、雙行線等），避免逆流和交叉現(xiàn)象[5]。工藝平面圖主要包括“一個流”式布局，“S”型布局，“T”型布局，鋸齒形布局等布局形式。

4.3.1 “一個流”式布局

“一個流”式布局是工序間無在制品或在制品數(shù)量不應超過1臺份的布局形式，此布局適用于多工序、多工位、有相連關系的作業(yè)，是一個總成或多個總成及其分總成的組合，此布局具有布局緊湊、物流路徑短、占地面積小的優(yōu)點，是首選的布局方式。

4.3.2 “S”形布局

“S”形布局宜在車身下部總成線、車身下部補焊線、調整線之間實現(xiàn)，如圖9，此布局可優(yōu)化物流路徑，使無效物流路徑縮短，且可以在工序間建立存儲區(qū)。車身下部A 和車身下部B 是2 種不同平臺產品，車身下部AB 補焊可實現(xiàn)多種車型共線、自動化集成焊接和輸送，可提高自動化設備的使用率。車身下部A和車身下部B到車身下部AB補焊、車身下部AB補焊到主焊線可實現(xiàn)人工轉運或二層自動輸送和儲備，根據(jù)產能規(guī)劃和投資預算進行工藝設計。

圖9 “S”形布局

4.3.3 “T”形布局

“T”形布局也可稱為魚刺形布局，即圍繞大的總成線將各分總成布置在其一側或兩側的一種形式，如圖10所示，此種布局結構緊湊，便于組織生產，且相關聯(lián)制件可臨近生產，減少制件轉運距離。

圖10 側圍總成“T”形布局

4.3.4 鋸齒形布局

鋸齒形布局可減少占地面積、縮短步行距離、提高作業(yè)效率，實現(xiàn)高效的作業(yè)布置，如圖11，此布局形式適合于分總成裝配焊接線。

4.4 夾具品標書

夾具品標書是設計夾具的基準書，如圖12、圖13所示，其中包括制件孔定位基準（MCP）、面定位基準（MCS），夾具品標書包含的主要內容如下。

圖11 鋸齒形布局

（1）定位系統(tǒng)從大到小順序，即由車身總成（一級總成）→車身焊接總成（二級總成）→分總成（三級總成）→小分總成（四級總成）的順序進行分布，再從小總成到大總成逆向審核定位基準的合理性。

（2）定位基準的基準數(shù)量遞增，從一級總成→二級總成→三級總成→四級總成定位基準點數(shù)量增加。

（3）定位基準貫徹始終，即產品設計階段設定的定位基準延續(xù)到焊裝工藝的工裝準備，也延續(xù)到?jīng)_壓工藝的工裝準備，也就是同一零件在任何工位上都采用同一基準，以避免基準變換產生生產制造和測量誤差。

（4）定位基準設置在零部件上最穩(wěn)定的區(qū)域和部位。這種穩(wěn)定性不僅指零件自身在生產過程中該區(qū)域的質量穩(wěn)定，也指某些設計更改不會涉及到該區(qū)域。

圖12 某車型前輪罩總成夾具MCP、MCS

圖13 某車型MCP、MCS斷面

本廠某SUV 車型夾具品標書的應用。如圖14 所示，側圍總成的3個主定位基準孔設置在A柱、C柱、D柱，確定3個定位基準孔分別在車身焊接總成主拼工位→車身焊接總成預裝工位→側圍總成工位→側圍外板總成工位→后側圍內板總成工位→模具→檢具上延續(xù)應用，并保持一致。

圖14 側圍總成基準孔示意

如圖15所示，確定側圍總成主基準面的位置在側圍總成工位→車身焊接總成預裝工位→車身焊接總成主拼工位的位置統(tǒng)一。側圍總成工位遵循定位基準遞增的原則，增加輔助定位面；車身焊接總成預裝工位采用統(tǒng)一的主定位面；車身焊接總成主拼工位除采用統(tǒng)一的主定位面外，需增加輔助定位面，保證車身精度。

圖15 側圍總成各序基準面分布示意

5 焊裝SE展望

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，用戶對汽車的安全性、油料消耗量的要求越來越高。目前各主流汽車生產廠，在白車身上大量應用高強鋼板、鎂鋁合金等輕量化材料，并采用激光焊（Laser）、自沖鉚（SPR）等先進連接技術[6]。在白車身設計階段，如何做好熱成型鋼板等輕量化材料、激光焊等連接工藝的工藝分析工作，充分發(fā)揮輕量化材料、先進連接工藝的優(yōu)勢，成為未來焊裝SE的發(fā)展方向。

焊裝SE在使用熱成型鋼板中的應用。熱成型鋼板具有超高強度，在白車身上廣泛應用，新一代奧迪A8熱成型鋼采用比例超過10%[7]。在進行焊裝SE時，要充分考慮熱成型鋼的結構形式，可采用環(huán)裝路徑，形成封閉路徑可以提高車身結構強度，如圖16所示，前門環(huán)狀結構、后門環(huán)狀結構等。

圖16 白車身環(huán)狀路徑搭接結構

在焊裝SE 產品結構評審階段，要充分考慮熱成型鋼板的焊接工藝性?？刹捎眉す馄春讣夹g，將不等厚度熱成型鋼板拼焊連接，經(jīng)過熱沖壓形成大型制件，從而減少焊接工藝及工裝設備，縮小制件累積公差，提高制件精度。

焊裝SE 在激光焊中的應用。在進行焊裝SE 時，要充分考慮激光焊有焊接速度快、熱影響區(qū)小、抗拉強度高的優(yōu)點，以及橋接能力差的缺點，充分論證工藝可行性，以達到提高白車身質量和生產效率的目的。激光焊對車身的焊縫間隙有嚴格的要求，且對工裝夾具的穩(wěn)定性有明確的限制。在進行焊裝SE工作時，需要規(guī)避相關工藝風險。使用激光焊時，制件搭接結構采用浮動式可調間隙或平面貼合的設計方式，如圖17所示，側圍總成與頂蓋總成搭接部位的激光釬焊，搭接結構采用浮動式可調間隙設計方式，且頂蓋前部、后部有點定焊點，保證頂蓋位置。在夾具品標書制作階段，考慮夾具對制件定位的可靠性，采用分塊式彈性夾具結構，如圖18所示，輔助調整焊縫間隙。

圖17 頂蓋浮動式搭接結構

圖18 頂蓋激光釬焊彈性夾具

焊裝SE在冷連接技術中的應用。在使用鎂鋁合金、復合材料的白車身上，需要采用自沖鉚（SPR）、無鉚連接（TOX）等冷連接技術。在進行焊裝SE時，需要論證冷連接搭接結構、設備的操作空間、設備通用性、生產節(jié)拍、工位分布以及成本測算。在焊裝SE時，冷連接的鉚接方向應從硬質材料向著軟質材料，如：鋼-鋁、鋼-鋼-鋁等，從而提高鉚接質量的穩(wěn)定性；多種搭接樣式可用一種型號鉚槍實現(xiàn)連接，進而降低設備投入成本，并提高生產節(jié)拍；在產品設計階段，對冷連接部位板材應進行準確的CAE分析，判斷出板材硬度和減薄率變化大的地方，優(yōu)化沖壓工藝，從而減小材料硬度、減薄率對連接質量的影響。

除上述介紹的車身常用的先進連接工藝外，還有鋁點焊（RSWA）、攪拌摩擦焊（FSW）、摩擦塞鉚焊（EJOWELD）、流鉆螺釘（FDS）、粘膠連接等連接技術，這些技術的選擇與應用主要取決于車身結構和材料，因此在產品設計階段要綜合考慮，充分發(fā)揮焊裝SE 的作用。

6 結束語

在焊裝SE 過程中輸出多種工藝文件，每種文件各有用途，各有關聯(lián)，因此在進行焊裝SE時要建立良好的溝通、協(xié)調體制，從而優(yōu)化產品結構、改善工藝性、縮短研發(fā)周期、提高產品質量。隨著汽車制造工藝的不斷創(chuàng)新，對白車身結構設計提出了更高的要求，貫穿產品開發(fā)全過程的焊裝SE 也需要不斷優(yōu)化與發(fā)展。