一種微卡車門內(nèi)板總成的焊接工藝方案研究

李清州，周月花，白勇全

1.山東銳鈴汽車有限公司，山東 臨沂 276600 2.山東五征集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800 3.成都順泰焊接設(shè)備有限公司，四川 成都 610200

0 前言

車門作為車身主要的外觀A面，外觀要求高，用戶感觀度高，其制造精度直接影響車身的造型效果及外觀匹配［1］。微卡車門總成（見圖1）主要由薄板沖壓件組成，主要構(gòu)件為車門內(nèi)板總成和車門外板，車門內(nèi)板總成及其零部件構(gòu)成分別如圖2、圖3所示，其制造工藝流程簡圖如圖4所示。

圖1 車門總成Fig.1 Door assembly

圖2 車門內(nèi)板總成Fig.2 Door inner panel assembly

圖3 車門內(nèi)板總成零部件構(gòu)成Fig.3 Compositinon of the inner panel assembl of the dor

圖4 車門總成制造工藝流程Fig.4 Door assembly manufacturing process

多零件、多工藝、多工序是車門總成的生產(chǎn)特點(diǎn)，制件的穩(wěn)定性和一致性是車門總成生產(chǎn)制造的重點(diǎn)和難點(diǎn)，車門內(nèi)板總成精度則直接影響車門的精度［2-4］。目前很多車門內(nèi)板焊接采用弧焊，易產(chǎn)生熱變形，文中探討的微卡車門內(nèi)板采用電阻焊連接方式，避免了弧焊，從而減少了熱變形。

本文采用觀察法、實(shí)證研究法及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法從焊接工序分析、夾具設(shè)計(jì)、焊接工藝驗(yàn)證三個方面對內(nèi)板總成電阻焊焊接工藝進(jìn)行分析闡述。

1 車門內(nèi)板總成焊接工序分析

車門內(nèi)板總成焊接流程為：裝件→夾具定位夾緊→焊接→夾具松開→卸件。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工序節(jié)拍要求進(jìn)行工序劃分，主要分析各工序裝件數(shù)量及各工序總時間能否滿足節(jié)拍要求。

車門內(nèi)板總成零部件焊接工序劃分主要根據(jù)零部件搭接關(guān)系并結(jié)合產(chǎn)線規(guī)劃節(jié)拍進(jìn)行分解。零部件的搭接關(guān)系取決于零部件的裝配順序和焊接順序，通過分析車門內(nèi)板總成的數(shù)模搭接結(jié)構(gòu)及零部件裝配、焊接順序，得出零部件的層級結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 車門內(nèi)板總成層級Fig.5 Door inner panel assembly

工序節(jié)拍則根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求，并結(jié)合焊接過程各動作經(jīng)驗(yàn)時間進(jìn)行分析。該微卡車門內(nèi)板焊接規(guī)劃為人工焊接，車門內(nèi)板總成各零部件采用電阻焊進(jìn)行連接，焊接過程中通過夾具定位實(shí)現(xiàn)各零部件的焊接。焊接節(jié)拍為216 s，主要由裝件、夾具動作、焊接、卸件等過程時間組成，參照經(jīng)驗(yàn)總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)時間理論計(jì)算的各個過程的動作耗時如表1所示。

表1 焊裝過程各動作耗時標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Dynamic action time standard of welding process

根據(jù)節(jié)拍要求，依照焊接過程的動作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)時間，結(jié)合車門內(nèi)板總成層級結(jié)構(gòu)，將車門內(nèi)板總成焊接過程分為三個工序，如圖6所示。

圖6 車門內(nèi)板總成焊接工序劃分Fig.6 Welding procedure division of door inner panel assembly

2 車門內(nèi)板總成夾具設(shè)計(jì)分析

2.1 夾具設(shè)計(jì)原則

為了保證產(chǎn)品模、夾、檢具生產(chǎn)過程中基準(zhǔn)的統(tǒng)一，焊裝夾具的定位系統(tǒng)依據(jù)零部件的定位基準(zhǔn)系統(tǒng)（RPS）來設(shè)計(jì)［5］。零部件定位基準(zhǔn)的布置要遵循3-2-1原則：一個剛體在空間中運(yùn)動可以有6個自由度，即沿著3個坐標(biāo)軸的移動和繞著3個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動。因此要確定零部件的位置，必須限制其自由度。為保證物體在三維空間絕對定位，必須在6個方向上限制物體運(yùn)動，其分配原則為：最大投影面3個支承點(diǎn)，次大投影面2個支承點(diǎn)，最小投影面1個支承點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 自由度限制示意Fig.7 Schematic diagram of degree of freedom restriction

夾具主、輔助定位基準(zhǔn)，定位孔及銷的圓菱性必須與RPS一致，定位面可在RPS同一基準(zhǔn)面上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整（50 mm以內(nèi)，不可切換定位型面；型面變化較大的位置移動控制在20 mm以內(nèi)），且必須保證前后工序定位基準(zhǔn)統(tǒng)一。夾具定位方案設(shè)計(jì)時需充分考慮夾具的作業(yè)性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，符合人機(jī)工程需求，可設(shè)計(jì)如平面旋轉(zhuǎn)、軸向旋轉(zhuǎn)等，且旋轉(zhuǎn)應(yīng)有方向定位裝置和安全防護(hù)裝置。

設(shè)計(jì)夾具定位方案時，需充分考慮每套夾具上鈑金件防錯、防漏措施，防止左右件、類似件裝錯。

根據(jù)以上原則，內(nèi)板總成焊接工序的夾具結(jié)構(gòu)如圖8所示。工序一為車門內(nèi)板加強(qiáng)板工序，其特點(diǎn)為定位機(jī)構(gòu)簡單、焊接操作性好。工序二為車門內(nèi)板分總成板工序，其特點(diǎn)是增加旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，焊接操作人員無需走動。工序三為車門內(nèi)板加總成板工序，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，且工件定位銷采用翻轉(zhuǎn)銷的結(jié)構(gòu)。

圖8 內(nèi)板總成夾具結(jié)構(gòu)Fig.8 Fixture structure of inner plate assembly

2.2 焊接設(shè)備選型原則

車門內(nèi)板焊接采用電阻點(diǎn)焊，通常點(diǎn)焊鉗按形狀可分為X型焊鉗和C型焊鉗。夾具設(shè)計(jì)時必須進(jìn)行焊鉗三維模擬選型。在充分考慮焊接作業(yè)性和夾具結(jié)構(gòu)的情況下選擇合適的焊鉗規(guī)格型號。焊鉗選型原則為：

（1）根據(jù)工序要求及生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計(jì)確定點(diǎn)焊鉗的數(shù)量，合理劃分每臺點(diǎn)焊鉗作業(yè)的內(nèi)容，然后依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、夾具結(jié)構(gòu)、作業(yè)位置等確定合理的點(diǎn)焊鉗型式：X型點(diǎn)焊鉗用于點(diǎn)焊水平及接近水平位置的焊點(diǎn)，電極的運(yùn)動軌跡為圓弧線；C型點(diǎn)焊鉗用于點(diǎn)焊垂直及接近垂直的焊點(diǎn)，電極作直線運(yùn)動。一般情況下，焊點(diǎn)距離制件邊緣超過350 mm時選擇X型焊鉗，焊點(diǎn)距離制件邊緣小于350 mm時，X、C型焊鉗均可。

（2）選擇電阻焊鉗臂尺寸時，為避免鉗臂與制件的干涉，減少焊接分流，鉗臂到制件之間的距離保持在20 mm以上。在滿足各個焊接部位工藝要求的前提下，遵循焊臂尺寸盡可能小的原則，減輕焊鉗自重，方便作業(yè)，降低勞動強(qiáng)度。

（3）通過仿真軟件，將設(shè)計(jì)的點(diǎn)焊鉗三維結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品數(shù)模、夾具三維結(jié)構(gòu)等進(jìn)行作業(yè)方位和作業(yè)內(nèi)容的模擬，確認(rèn)以下主要項(xiàng)目：①點(diǎn)焊鉗能否進(jìn)入焊接部位實(shí)現(xiàn)焊接；②點(diǎn)焊鉗及附件作業(yè)時是否與產(chǎn)品數(shù)模、夾具等發(fā)生干涉；③焊鉗進(jìn)出及作業(yè)是否方便；④點(diǎn)焊鉗取放路線、翻轉(zhuǎn)次數(shù)是否合理。

（4）在進(jìn)行焊鉗三維模擬時，需保證在夾具夾緊狀態(tài)下焊接各工位關(guān)鍵焊點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)不允許打開或頂起補(bǔ)焊，原則上每點(diǎn)都必須進(jìn)行三維模擬（同一面的連續(xù)點(diǎn)允許只模擬有風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)）。

根據(jù)以上原則進(jìn)行模擬選型，主要模擬過程為：在夾具三維結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入焊鉗數(shù)模，將靜電極移動至焊點(diǎn)處，并調(diào)整角度確保電極與工件垂直，并檢查是否與工件及夾具干涉，其過程如圖9所示，選型結(jié)果如表2所示。

表2 車門內(nèi)板總成各工序焊機(jī)選型配置Table 2 Selection and matching of welding machine for each process of door inner panel assembly

圖9 車門內(nèi)板總成工序焊機(jī)模擬Fig.9 Welding process simulation of door inner panel assembly

2.3 工序時序模擬驗(yàn)證

根據(jù)前面提到的工序劃分、焊接過程各動作計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行夾具工作過程的時序模擬，確保各工序在規(guī)劃節(jié)拍內(nèi)完成。工序時序編制流程如圖10所示。

圖10 工序時序圖編制流程Fig.10 Procedure sequence diagram compilation process

以內(nèi)板總成工序三為例介紹時序圖具體編制過程。第一步編制工序零部件清單圖，并根據(jù)零部件上件順序進(jìn)行編號；第二步編制焊點(diǎn)分布圖，并根據(jù)焊機(jī)模擬選擇的型號進(jìn)行焊鉗配置；第三步繪制時序圖，將工序內(nèi)容分解到各個工步，并根據(jù)表一中的各個動作的標(biāo)準(zhǔn)時間、順序進(jìn)行時間疊加。繪制完成的時序圖如圖11～圖13所示。

圖11 零部件上件順序Fig.11 Sequence of parts

圖12 零部件焊點(diǎn)分配順序Fig.12 Component solder joint assignment sequence

圖13 工序順序及各工步用時Fig.13 Process sequence and time of each work step

3 內(nèi)板總成工藝方案驗(yàn)證

從焊接設(shè)備驗(yàn)證、夾具通過性驗(yàn)證、工件焊點(diǎn)鑿檢驗(yàn)證三個方面驗(yàn)證內(nèi)板總成焊接工藝方案。

3.1 焊接設(shè)備驗(yàn)證

焊接設(shè)備的驗(yàn)證主要通過焊接參數(shù)和焊點(diǎn)強(qiáng)度來體現(xiàn)。通常采用與工件等料厚的試片進(jìn)行焊后拉伸撕裂試驗(yàn)。通過選取試片，根據(jù)焊接手冊及企業(yè)焊接標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)置焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，對試片進(jìn)行拉力撕裂，觀察焊點(diǎn)熔核處母材是否撕裂，若母材撕裂則說明焊點(diǎn)合格［6］。

參數(shù)設(shè)置主要根據(jù)搭接的料厚進(jìn)行設(shè)置（見表3）。不同厚度的零件點(diǎn)焊時，規(guī)范參數(shù)可先按薄件選取，再按板件厚度的平均值通過試片剝離試驗(yàn)修正。通常選用大電流、短時間的硬規(guī)范來改善熔核偏移；不同材料的零件點(diǎn)焊時，按可焊性差的零件選取規(guī)范參數(shù)；多層板焊接時，先按外層較薄零件厚度選取規(guī)范參數(shù)，再按板件厚度的平均值通過試片剝離試驗(yàn)修正，先選用最佳規(guī)范，再嘗試選用中等規(guī)范，在生產(chǎn)中可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整焊接規(guī)范參數(shù)，調(diào)整量不超過±15%。

表3 車門內(nèi)板總成各工序焊機(jī)焊接參數(shù)Table 3 Welding parameters of welding machine in each procedure of door inner panel assembly

部分試片撕裂結(jié)果如圖14所示，可以觀察到焊接試片斷裂處為母材，焊點(diǎn)處均未脫落，說明焊點(diǎn)強(qiáng)度不低于母材，焊點(diǎn)合格。

圖14 部分試片撕裂結(jié)果示意Fig.14 Sketch of tearing results of some test pieces

3.2 夾具通過性驗(yàn)證

夾具通過性驗(yàn)證［7］是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的夾具能否完成零部件焊接工藝規(guī)劃的工序內(nèi)容、夾具設(shè)計(jì)是否合理，是否滿足質(zhì)量目標(biāo)。主要驗(yàn)證內(nèi)容為夾具基準(zhǔn)核查、夾具重復(fù)定位精度驗(yàn)證、焊接操作合理性驗(yàn)證、節(jié)拍驗(yàn)證等方面。主要驗(yàn)證過程如下：RPS基準(zhǔn)信息統(tǒng)一性核查，主定位基準(zhǔn)是否與設(shè)計(jì)一致；夾具重復(fù)定位精度驗(yàn)證，分總成焊接完成后的拿出、放進(jìn)的干涉情況（驗(yàn)證拿放5次的偏差情況）。

各焊點(diǎn)要有焊鉗的操作空間，焊鉗操作不與夾具、零件干涉（安全距離>10 mm），避免分流。根據(jù)夾具工藝驗(yàn)證的過程，對各工序的主副定位、面支撐根據(jù)圖紙要求核對；重復(fù)定位精度驗(yàn)證，需根據(jù)連續(xù)5次取放件測量偏差進(jìn)行分析；焊接操作性驗(yàn)證要求在焊接過程中查看焊鉗與夾具及零部件是否存在干涉或間隙過小，如圖15所示。

圖15 各工序驗(yàn)證過程Fig.15 Welding process of each procedure

節(jié)拍滿足性驗(yàn)證是通過實(shí)測焊接時間，與理論節(jié)拍進(jìn)行分析確認(rèn)。車門內(nèi)板焊接過程中，分別對三個工序連續(xù)測量10套車門的焊接時間。通過統(tǒng)計(jì)分析，三個工序焊接節(jié)拍均低于目標(biāo)節(jié)拍，符合規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證結(jié)果如圖16所示。

圖16 內(nèi)板總成焊接工序節(jié)拍驗(yàn)證分析Fig.16 Verification and analysis of inner plate assembly welding process takt time

3.3 工件焊點(diǎn)鑿檢驗(yàn)證

評價焊接過程是否滿足工藝要求，重要的指標(biāo)之一就是焊接強(qiáng)度指標(biāo)。對于點(diǎn)焊工藝，焊接強(qiáng)度主要是通過對焊點(diǎn)進(jìn)行鑿檢驗(yàn)證。其工作原理為用錘擊將鑿子在距焊點(diǎn)3～10 mm處插入兩板之間至一定深度（與被檢焊點(diǎn)內(nèi)端平齊），上下扳動鑿子（不大于±10°）以檢查焊點(diǎn)是否松動，對焊點(diǎn)間距小于10 mm的，可對著焊點(diǎn)鑿至離焊點(diǎn)3～5 mm，如圖17所示。焊點(diǎn)未松動為合格，板件沒有熔核或者焊點(diǎn)分開順利則為不合格［8-10］。

圖17 焊點(diǎn)鑿檢Fig.17 Weld site chisel

選取破壞試驗(yàn)樣本焊點(diǎn)的基本原則：一般零件分流容易產(chǎn)生的部位、焊接前后間隙大的部位；不同板厚、不同規(guī)范必須分別取樣，大于5個焊點(diǎn)取起點(diǎn)、中間點(diǎn)、終點(diǎn)。

根據(jù)焊點(diǎn)鑿檢試驗(yàn)的要求，對車門內(nèi)板總成焊接各工序的焊點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的焊點(diǎn)均未出現(xiàn)剝離、松動現(xiàn)象，因此說明各工序的焊點(diǎn)強(qiáng)度合格，如圖18所示。

圖18 車門焊點(diǎn)強(qiáng)度鑿檢實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.18 Chisel test verification of door solder joint strength

4 結(jié)論

文中通過微卡車門內(nèi)板焊接工藝設(shè)計(jì)，總結(jié)出車身點(diǎn)焊類工件的焊接工藝設(shè)計(jì)的方法及步驟，并給出了焊接各作業(yè)動作的用時參考值，同時對夾具設(shè)計(jì)原則、焊接設(shè)備選型原則進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

如何對焊接工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行評價，是工藝人員飽受困擾的難題，本文從焊接設(shè)備、夾具通過性、焊接強(qiáng)度三方面進(jìn)行分析總結(jié)，梳理出了工藝驗(yàn)證的具體實(shí)施方案，為此類工藝設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供了參考依據(jù)。