何學(xué)峰

基于掃描技術(shù)的虛擬匹配的激光焊接匹配尺寸標(biāo)準(zhǔn)研究

何學(xué)峰

（上汽通用汽車(chē)有限公司 整車(chē)制造工程部，上海 201201）

車(chē)頂激光焊接是現(xiàn)行各主流車(chē)廠采用的一種先進(jìn)焊接技術(shù)，可以有效地改善車(chē)身剛度，降低能耗成本，優(yōu)化零件數(shù)量，并提供一種完美的外觀配合特征。但是，該技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)在于提供有效的配合特征，以滿(mǎn)足激光焊接能夠達(dá)到的連接強(qiáng)度質(zhì)量要求。文章通過(guò)應(yīng)用虛擬匹配技術(shù)，根據(jù)焊接要求開(kāi)發(fā)出配合的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，為激光焊接得以實(shí)施提供了質(zhì)量保證。從而對(duì)開(kāi)發(fā)、降低生產(chǎn)成本及其實(shí)現(xiàn)車(chē)身智能制造有重大意義。

點(diǎn)云掃描；虛擬匹配；激光釬焊

1 背景

在汽車(chē)白車(chē)身制造領(lǐng)域，車(chē)頂激光焊接是一種通過(guò)激光釬焊工藝將車(chē)頂和側(cè)圍進(jìn)行連接，以達(dá)到某種設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的工藝。激光焊接屬于物理連接，具有制造工藝精良，外觀表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，成型邊緣光順整齊，有利于整車(chē)匹配等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于車(chē)身車(chē)頂、四門(mén)、前、后蓋內(nèi)外板連接，激光釬焊焊接工藝得以廣泛應(yīng)用。

車(chē)頂激光焊接工藝過(guò)程中除設(shè)備參數(shù)以外，焊縫大小，焊縫清潔度，是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在進(jìn)行激光焊接工藝之前，首先需要將車(chē)頂通過(guò)定位完成成型點(diǎn)焊，由于焊縫表面的油污影響到釬焊介質(zhì)的沁潤(rùn)，需要對(duì)焊縫表面進(jìn)行清理油污、粉塵。目前會(huì)在釬焊工位前增加一個(gè)清潔工位，通過(guò)激光對(duì)表面進(jìn)行燒灼，確保表面油污清理掉，以保證后面填釬焊的良好沁潤(rùn)以達(dá)到良好的焊接強(qiáng)度。而后，在激光焊工位，通過(guò)工裝抓手，對(duì)焊縫進(jìn)行逐一施壓，確保焊縫趨近于0間隙后再進(jìn)行激光釬焊焊接。

圖1 車(chē)頂激光焊接及金相圖

本文通過(guò)運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的虛擬匹配技術(shù)，將車(chē)頂、側(cè)圍在零件階段進(jìn)行掃描，通過(guò)分析點(diǎn)云的偏差，將零件進(jìn)行虛擬配合，將超出標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通知模具進(jìn)行有針對(duì)性的修改，反復(fù)循環(huán)，以期達(dá)到配合要求，保證激光焊接工位的最佳間隙配合。最終保證激光焊接質(zhì)量。

2 虛擬匹配流程

虛擬匹配是上海通用汽車(chē)制造部開(kāi)發(fā)的一種零件匹配分析方法，利用激光掃描設(shè)備，掃描車(chē)身零件獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Polyworks軟件根據(jù)GD&T基準(zhǔn)，將各單件置于車(chē)身坐標(biāo)系，電腦計(jì)算各零件之間的干涉和間隙，指導(dǎo)零件更改的一種集成技術(shù)。

圖2 虛擬匹配分析方法

3 零件公差分配及評(píng)估

白車(chē)身焊接過(guò)程中并不能進(jìn)行公差分配，所需要求都是通過(guò)工裝形式對(duì)零件進(jìn)行定位或者整形，以期達(dá)到目標(biāo)配合狀態(tài)。激光焊接的要求是間隙小于0.3mm。該要求已經(jīng)超出了傳統(tǒng)沖壓模具能夠達(dá)到的零件成型公差，目前沖壓模具能夠達(dá)到的公差要求一般是+/-0.5mm//0.5mm，如果按照這個(gè)公差分配到側(cè)圍，車(chē)頂兩個(gè)零件上，從尺寸鏈角度分析，超差概率高達(dá)147%，即公差不匹配。

基于此，需要開(kāi)發(fā)定位矯正工裝抓手，車(chē)身工裝抓手對(duì)車(chē)頂焊縫有明確的矯正作用，大抓手通過(guò)分成20厘米到30里面的獨(dú)立單元，對(duì)車(chē)頂焊縫間隙從上向下施加壓力，由于車(chē)頂結(jié)構(gòu)是開(kāi)口結(jié)構(gòu)，很容易形成向下變形，由于預(yù)置的45度斷面結(jié)構(gòu)，使車(chē)頂成功貼合到側(cè)圍的表面。但是，如果車(chē)頂或者側(cè)圍沖壓表面起皺，或者局部位置形成了突點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際位置形成頂死結(jié)構(gòu)，則實(shí)際間隙將遠(yuǎn)大于0.3mm的配合間隙，間隙過(guò)大導(dǎo)致焊絲溶液沁潤(rùn)斷面發(fā)生變化，焊縫將形成不均勻，縮孔、漏液、開(kāi)裂等缺陷。

圖3 焊縫配合間隙

目前結(jié)合模具技術(shù)，鈑金設(shè)計(jì)定義了車(chē)頂R角的尺寸為2+0.5/-0mm，側(cè)圍相對(duì)垂直方向45度的夾角；形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的焊接結(jié)構(gòu)。釬焊溶液只需要填充完整，即可判斷焊接滿(mǎn)足連接強(qiáng)度的質(zhì)量要求。

假設(shè)釬焊絲完全填充到焊縫中，則焊縫的斷面乘以長(zhǎng)度形成焊絲容量，即可推導(dǎo)出焊絲的送絲速度；隨著焊縫間隙的加大，斷面面積增大，所需焊絲體積也隨之增大，但是由于焊接速度是固定的，在間隙增大的地方形成焊接表面填充物凹下，縮孔等焊接缺陷，所以控制焊接斷面的一致性是改善焊接質(zhì)量的必要方法。

圖4 設(shè)計(jì)斷面

基于驗(yàn)證要素的方法，控制焊縫間隙，開(kāi)發(fā)了激光焊接的零件配合驗(yàn)證工藝流程圖。零件的實(shí)際配合驗(yàn)證方法，考慮到抓手壓板的尺寸為200mm左右，我們將點(diǎn)云按照50mm的距離進(jìn)行分割后評(píng)估。

圖5 工藝驗(yàn)證流程圖

基于點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理斷面，通過(guò)等距離點(diǎn)云處理，可以判斷零件之間的配合狀態(tài)，從間隙到干涉三個(gè)狀態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)。按照激光焊接匹配驗(yàn)證流程，我們發(fā)現(xiàn)在虛擬配合間隙小于1mm，干涉不大于1mm的情況下，工裝抓手可以有效地改善間隙。為獲取連續(xù)一致的0間隙，則需要點(diǎn)與點(diǎn)之間的突變不大于0.5mm；滿(mǎn)足以上虛擬配合的零件，即可滿(mǎn)足實(shí)際激光焊接的最小間隙要求。

4 GD&T圖紙公差修正

1）基于實(shí)際的配合狀態(tài)和激光焊接質(zhì)量，需要對(duì)現(xiàn)有GD&T公差進(jìn)行優(yōu)化，確保沖壓可以達(dá)到一個(gè)可達(dá)的公差標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)有利于車(chē)身焊接質(zhì)量的監(jiān)控；

圖7 修正前的圖紙公差

2）通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，干涉狀態(tài)的數(shù)據(jù)更有利于減少間隙配合?；诖耍瑢④?chē)頂公差設(shè)置成偏置公差；

圖8 修正后的車(chē)頂圖紙公差

3）在滿(mǎn)足配合的基礎(chǔ)上，均勻的圓角也是必要的控制點(diǎn)，減少焊縫的尺寸波動(dòng)。

5 虛擬配激光器參數(shù)的研究

穩(wěn)定的激光焊接參數(shù)及速度是焊接質(zhì)量的保證，過(guò)快的焊接速度無(wú)法保證釬焊介質(zhì)與鈑金很好的沁潤(rùn)，過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致釬焊介質(zhì)堆積，燒穿等缺陷；根據(jù)工廠43JPH，預(yù)設(shè)70mm/Min 的焊接速度，試驗(yàn)如下，在3700瓦的激光功率下逐步加大焊接送絲量到6.0m/min，依舊達(dá)不到焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整激光器功率到4600瓦，焊接質(zhì)量有所改善，但是依然達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。故在考慮工廠43JHP以上的工廠，激光器功率需要大于5000瓦，或者考慮工位并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，以滿(mǎn)足3m左右車(chē)型焊縫的實(shí)施。

圖9 試驗(yàn)焊縫狀態(tài)

表1 焊接參數(shù)

通過(guò)一組試片試驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)，滿(mǎn)足43JPH 的工位，需要焊接速度達(dá)到70mm/s；3700瓦無(wú)法融化焊絲，能量不足，導(dǎo)致脫焊現(xiàn)象（上圖缺陷）；逐步調(diào)大激光器功率，焊絲可以基本融化，但是填充量不足，沁潤(rùn)不足會(huì)導(dǎo)致功能要求不滿(mǎn)足，焊接強(qiáng)度不足，潛在內(nèi)部有裂紋。通過(guò)其他組試驗(yàn)，需要5300瓦以上的激光器可以滿(mǎn)足70mm/s的焊接質(zhì)量要求。是否可以滿(mǎn)足更快的焊接速度，目前的研究反饋出無(wú)法滿(mǎn)足焊接強(qiáng)度的質(zhì)量要求。

6 小結(jié)

本文通過(guò)將虛擬匹配技術(shù)對(duì)激光焊接幾何尺寸要求進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)控制最小間隙對(duì)改善焊接質(zhì)量有重要的作用。但是，僅僅提升間隙到0，不能解決日常的所需質(zhì)量要求，需要綜合考慮激光器功率，焊縫間隙，送絲速度、角度等一系列因素，才能解決焊接質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)虛擬匹配技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行匹配認(rèn)證，提出改進(jìn)意見(jiàn)，優(yōu)化零件公差標(biāo)準(zhǔn)。形成一套系統(tǒng)的考量釬焊質(zhì)量的驗(yàn)證方法。為降低生產(chǎn)成本及其實(shí)現(xiàn)車(chē)身國(guó)家智能制造有指導(dǎo)意義。

Research on Laser Welding Matching Standard Based on Virtual Matching of Scanning Technology

He Xuefeng

( Vehicle Manufacturing Engineering Department of SAIC General Motors Co., Ltd., Shanghai 201201 )

The roof laser welding is an advanced welding technology adopted by the current mainstream car manufacturers. It can effectively improve the body stiffness, reduce the energy consumption cost, optimize the number of parts, and provide a perfect appearance. However, the technical difficulty of this technology is to provide effective matching features to meet the quality requirements of laser welding. In this paper, through the application of virtual matching technology, according to the welding requirements to develop the matching specification, for the implementation of laser welding to provide quality assurance. It is of great significance to develop, reduce production cost and realize intelligent manufac -turing of auto-body.

Point cloud scanning; Virtual matching; Laser brazing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.042

U466

A

1671-7988(2021)02-129-03

U466

A

1671-7988(2021)02-129-03

何學(xué)峰，就職于上汽通用汽車(chē)有限公司整車(chē)制造工程部。