焊裝同步工程在汽車制造中的作用

于子秋，于躍

1.北京汽車研究院 北京 100300

2.瑪斯特輕量化科技（天津）有限公司 天津 300000

在汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，基本能保證產(chǎn)品的合理性。工藝分析工作經(jīng)常出現(xiàn)各專業(yè)工藝工程師單獨(dú)與產(chǎn)品部門提出同步工程提案，同步工程中缺少各專業(yè)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，出現(xiàn)提出的提案水平參差不齊，有時(shí)還出現(xiàn)各專業(yè)提案內(nèi)容相?，F(xiàn)象。在制造開(kāi)發(fā)階段，各專業(yè)工藝制定階段，各專業(yè)之間的工藝交流具有隨意性，缺乏系統(tǒng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，容易對(duì)后期階段造成不必要的質(zhì)量事故，嚴(yán)重影響汽車的質(zhì)量、精度和生產(chǎn)效率，同時(shí)也會(huì)增加后期工裝改進(jìn)、生產(chǎn)組織與服務(wù)等方面的成本。

同步工程就是根據(jù)車身開(kāi)發(fā)工作具體情況，制定適合自己的工藝同步工程平臺(tái)，把工藝同步工程制度化、流程化及細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化，階段性地對(duì)各專業(yè)同步工程內(nèi)容統(tǒng)一評(píng)審達(dá)成一致后再提報(bào)設(shè)計(jì)部門，這樣才能保證工藝同步工程工作有效、系統(tǒng)地進(jìn)行。

同步工程就是將產(chǎn)品存在的制造相關(guān)的問(wèn)題提前提報(bào)給設(shè)計(jì)部門，將工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容也提前提報(bào)給設(shè)計(jì)部門。在開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)未凍結(jié)時(shí)，做到產(chǎn)品數(shù)據(jù)滿足工藝要求。

焊裝同步工程就是焊裝工藝工程師的在車身數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)整個(gè)周期，與車身開(kāi)發(fā)同步，完成對(duì)車身數(shù)據(jù)工藝適應(yīng)性校核，完成對(duì)車身數(shù)據(jù)的工藝輸入，避免生產(chǎn)線工裝設(shè)備制造階段成本的增加和生產(chǎn)線匹配周期的延長(zhǎng)。

焊裝同步工程

焊裝同步工程就是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，車身設(shè)計(jì)和工藝、工裝的開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品和質(zhì)量目標(biāo)同步進(jìn)行，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從造型開(kāi)始到車身數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)完成的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，都要考慮后序工藝和工裝的水平和能力，考慮質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要求，即產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)就要考慮到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的所有因素（質(zhì)量、成本、周期和客戶要求）的一種系統(tǒng)方法。

焊裝同步工程主要包含以下內(nèi)容：車身結(jié)構(gòu)合理性分析、裝配可行性分析、車身定位合理性分析、焊鉗的通過(guò)性分析、涂膠（點(diǎn)焊膠、結(jié)構(gòu)膠、減振膠及折邊膠）的合理設(shè)計(jì)、包邊工藝合理性及焊接工藝流程圖制作等七個(gè)方面。通過(guò)同步工程工程師對(duì)車身初版數(shù)據(jù)的制造可行性分析，避免凍結(jié)數(shù)據(jù)后出現(xiàn)大量的工程有關(guān)的改變，避免制造周期的增加和制造成本的增加，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。車身同步工程的輸入和輸出見(jiàn)表1。

表1 車身同步工程的輸入和輸出

1.車身結(jié)構(gòu)合理性分析

1）板材料厚比≤3:1。在焊接兩種板材料厚焊接時(shí)，兩種材料厚度比＞3:1時(shí)，形成的焊接熔核更多的集中到了板材較厚的一側(cè)，且形成的焊接熔核過(guò)小，造成了焊接強(qiáng)度的不足（見(jiàn)圖1）。因此，通常要求板材料厚比≤3:1 。

圖1 不同板厚焊核斷面

2）避免四層焊，由于四層焊焊接質(zhì)量不確定性，四層焊在汽車制造中很少采用；

3）總成焊接對(duì)沖壓件厚度的要求，兩種或三種焊接板材總厚度≤5.5mm，超過(guò)5.5mm時(shí)，焊接質(zhì)量可靠性不能保證。

3）沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響著焊接精度，如沖壓件三角筋設(shè)計(jì)，避免了沖壓件側(cè)面全部接觸，減少了沖壓件匹配工作量（見(jiàn)圖2），提高焊接總成的匹配效率。

圖2 沖壓件三角筋設(shè)計(jì)

4）U形沖壓件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，焊接總成五個(gè)面均為搭接面通常是不采用的。由于沖壓件回彈不能全部消除，板件回彈會(huì)造成兩個(gè)板件不能完全貼合，合理的匹配面設(shè)計(jì)，應(yīng)保證兩個(gè)板件焊接面可以有效地貼合，一般避免五個(gè)面搭接（見(jiàn)圖3），通常采用四個(gè)面搭接（見(jiàn)圖4）。

圖3 應(yīng)避免五個(gè)面搭接

圖4 采用四個(gè)面搭接

5）焊接邊最佳長(zhǎng)度尺寸的確定，焊接邊通常為14m m；由于車門導(dǎo)軌外飾膠條裝配的影響，采用φ11mm的電極，車門導(dǎo)軌一般為11mm（見(jiàn)圖5）。

圖5 車門導(dǎo)軌寬度設(shè)計(jì)

6）考慮到車門裝配飾條和視覺(jué)效果的影響，車門門洞位置寬度尺寸為12mm，側(cè)圍外板寬度比內(nèi)板大1mm（見(jiàn)圖6）。

圖6 側(cè)門門洞寬度設(shè)計(jì)

2.裝配的可行性分析

1）首先，裝配過(guò)程中，組成件不存在干涉；然后，兩個(gè)組件運(yùn)行過(guò)程中件1和件2不干涉，同時(shí)應(yīng)避免運(yùn)行過(guò)程中一直接觸（見(jiàn)圖7）。

圖7 件2運(yùn)行過(guò)程中與件1接觸

2）兩個(gè)沖壓件單件公差再加上裝配公差的關(guān)系，板件邊緣到另一沖壓件圓角距離定義為≥3mm，否則，就存在干涉風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖8）。

圖8 板件到圓角距離≥3mm

3）為避免干涉，非焊接面應(yīng)留≥2mm間隙（見(jiàn)圖9）、板件間圓角間隙1mm（見(jiàn)圖10）。

圖9 非焊接間隙9mm

圖10 圓角間隙1mm

3.車身定位的合理性分析

1）一般情況下，沖壓件采用2個(gè)圓孔定位，有時(shí)考慮到材料較?。?.6～0.8mm），板件尺寸較大（長(zhǎng)×寬≥1000mm×1000mm），定位孔距≥800mm，采用4個(gè)孔定位的過(guò)定位設(shè)計(jì)，以克服板件剛性差帶來(lái)的尺寸偏差（見(jiàn)圖11），采用4個(gè)圓銷。

圖11 過(guò)定位孔設(shè)計(jì)

2）從車身尺寸精度穩(wěn)定性考慮，前后工序定位保持一致性，沖壓件和焊接總成定位的一致性分析，都有效地降低了數(shù)據(jù)凍結(jié)后設(shè)變的費(fèi)用和制作周期，如前、后工序定位孔、定位面位置不允許變化。

4.焊鉗的通過(guò)性

一般根據(jù)工程師經(jīng)驗(yàn)和通用焊鉗的模擬，確定焊接結(jié)構(gòu)的焊鉗通過(guò)性，焊鉗運(yùn)用分析數(shù)據(jù)應(yīng)考慮：

1）減少焊鉗種類和數(shù)量，通過(guò)減少焊鉗種類和數(shù)量分析，可以大大地節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

2）采用通用焊鉗，避免特殊焊鉗、特殊電極，也是降低成本的有效途徑。

3）焊鉗干涉應(yīng)考慮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更改和焊接邊延長(zhǎng)、焊點(diǎn)位置的調(diào)整（見(jiàn)圖12）。

圖12 焊鉗通過(guò)性模擬

4）特殊車身結(jié)構(gòu)或特殊焊接部位采取有效地解決措施，除采用特殊焊鉗、特殊電極外，應(yīng)考慮采用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)和螺栓聯(lián)接等手段。

5.涂膠的合理設(shè)計(jì)

涂膠的設(shè)計(jì)應(yīng)分析車身需要采用涂膠的部位和需要涂膠型面的形狀。

1）點(diǎn)焊膠、結(jié)構(gòu)膠涂膠設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則必須規(guī)避凸臺(tái)、圓角、缺口處（見(jiàn)圖13）等非貼合面，避免涂膠無(wú)效設(shè)計(jì)，浪費(fèi)多余成本。

圖13 結(jié)構(gòu)膠避讓圓角

2）減振膠涂膠設(shè)計(jì)如圖14所示，折邊膠涂膠設(shè)計(jì)如圖15所示。

圖14 減震膠涂膠設(shè)計(jì)

圖15 這邊膠涂膠設(shè)計(jì)

6.包邊工藝可行性

1）四門兩蓋（五門一蓋）機(jī)器人包邊寬度基本原則一般8mm（見(jiàn)圖16）；專機(jī)包邊一般10mm，包邊寬度設(shè)計(jì)不合理，包邊寬度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)直接導(dǎo)致包邊效果不好、包邊強(qiáng)度不夠。

圖16 門蓋滾邊寬度設(shè)計(jì)

2）拐角和高度差很大時(shí)一般不能完全包邊，外板包邊寬度（2.5～3.5）mm±0.5mm過(guò)度即可，如圖17所示。

圖17 拐角處包邊設(shè)計(jì)規(guī)范

3）機(jī)蓋后部水滴包邊斷面尺寸按照?qǐng)D18所示要求即可。

圖18 水滴包邊高度和寬度

7.焊接工藝流程圖

焊接工藝流程圖的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量做到焊裝工序數(shù)量最小化，以控制工裝開(kāi)發(fā)成本，直接指導(dǎo)生產(chǎn)線工裝設(shè)計(jì)制造。結(jié)合tecnomatix軟件（或者Delmia、sysweld軟件）進(jìn)行PD、PS生產(chǎn)線虛擬仿真技術(shù)，合理地分配工位和焊點(diǎn)工時(shí)平衡，優(yōu)化焊裝工藝設(shè)計(jì)。按照生產(chǎn)規(guī)劃科學(xué)地分解白車身每個(gè)工序節(jié)拍，滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求，使制造規(guī)劃前移到設(shè)計(jì)階段，節(jié)約了大量的焊裝工藝規(guī)劃時(shí)間；根據(jù)車身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拆分工序，確定焊接方式和工序排布，完成焊裝工藝流程圖（見(jiàn)圖19）。

圖19 焊接工藝流程

焊裝同步工程在某車型上的應(yīng)用

下面從裝配可行性應(yīng)用、車身定位合理性應(yīng)用、車身定位對(duì)車身精度的影響、焊接工藝流程圖及車身定位共線方案的選取五個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1.裝配的可行性應(yīng)用

具有初步焊裝知識(shí)的工程師都認(rèn)為裝配的可行性就是看數(shù)據(jù)是否干涉很簡(jiǎn)單，其實(shí)不然，裝配干涉不僅僅限于各部件之間數(shù)據(jù)干涉，而是檢查數(shù)據(jù)各部件在裝配過(guò)程中是否干涉、是否存在干涉的風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖20）件1（側(cè)圍）裝配水平運(yùn)行過(guò)程中易與件2（通風(fēng)室）干涉，為避免干涉，要求通風(fēng)室 “面3”向上傾斜“7°”，這樣設(shè)計(jì)就可以避免側(cè)圍合拼過(guò)程中與通風(fēng)室干涉。

圖20 側(cè)圍裝配時(shí)避免與通風(fēng)室干涉

某車型側(cè)圍內(nèi)板如圖21a所示，B柱和C柱之間沒(méi)有連接，側(cè)圍內(nèi)板總成尺寸不穩(wěn)定，裝配白車身后，側(cè)圍內(nèi)板上各裝配孔位不穩(wěn)定，影響整車精度。在同步工程分析數(shù)據(jù)時(shí)，在不影響車身結(jié)構(gòu)前提下，增加了1個(gè)連接板沖壓件（見(jiàn)圖21b），形成了新的側(cè)圍內(nèi)板總成（見(jiàn)圖21c）。這樣，側(cè)圍內(nèi)板總成運(yùn)輸、定位比較可靠，裝配時(shí)尺寸精度穩(wěn)定，保證了車身總成的尺寸穩(wěn)定性。

圖21 側(cè)圍內(nèi)板總成工藝分析案例

2.車身定位的合理性應(yīng)用

在汽車行業(yè)，車身定位設(shè)計(jì)工程師很多，但能做到車身定位設(shè)計(jì)合理，成本最低，車身焊接變形最小（不含沖壓件回彈變形）的優(yōu)秀設(shè)計(jì)并不多。車身定位除了考慮最基本的3-2-1設(shè)計(jì)原理外，更多的要考慮車身定位設(shè)計(jì)中過(guò)定位的合理運(yùn)用。

1）側(cè)圍外板一般設(shè)計(jì)為一圓、一個(gè)菱形銷。為防止側(cè)圍外板X向尺寸不穩(wěn)定，側(cè)圍外板采用了過(guò)定位設(shè)計(jì)，采用了2個(gè)圓銷（見(jiàn)圖22）。

圖22 側(cè)圍定位孔過(guò)定位應(yīng)用

2）側(cè)圍定位面采用過(guò)定位設(shè)計(jì)，保證了側(cè)圍總成焊接過(guò)程中焊接變形的最小化（見(jiàn)圖23）。

圖23 側(cè)圍過(guò)定位應(yīng)用

3.車身定位對(duì)車身精度影響

車身定位對(duì)車身精度的影響主要從定位孔和面的一致性闡述車身定位對(duì)車身制造的影響：

1）后地板骨架總成工位后縱梁前部采用a處定位；后地板總成工位采用定位面b（見(jiàn)圖24），這樣，兩個(gè)工位定位面不一致。

圖24 定位面比較1

2）后地板骨架總成工位后縱梁采用定位面a；白車身測(cè)量支架采用定位面b；下車體總成采用了定位面c（見(jiàn)圖25）。

圖25 定位面比較2

白車身總成檢測(cè)時(shí)，支撐面b與車身存在1mm間隙，由于后縱梁定位面位置一致在變化，不能確定是哪個(gè)工位后縱梁產(chǎn)生了焊接變形；利用白車身檢測(cè)數(shù)據(jù)解析問(wèn)題點(diǎn)時(shí)，問(wèn)題產(chǎn)生的原因就會(huì)分析得不準(zhǔn)確，影響白車身匹配提高白車身精度的周期。在定位面修改統(tǒng)一后，直接找到后梁架總成工位焊接變形部位，后縱梁超差點(diǎn)，采取模具修整措施，很快解決了問(wèn)題。該項(xiàng)定位更改造成的模、夾、檢具費(fèi)用合計(jì)至少5萬(wàn)元，制造周期1個(gè)月。如此可見(jiàn)，定位的一致性對(duì)工裝制造重要性。

4.車身定位共線共線方案的選取

車身定位共線方案以現(xiàn)有項(xiàng)目四個(gè)車型下車身共線定位方案為例，闡述車身定位共線方案對(duì)不同車型設(shè)計(jì)及平臺(tái)通用化的作用。

1）首先確定共線定位的原則，考慮到凸輪定位機(jī)構(gòu)限制，每個(gè)車型之間定位孔、定位面位置坐標(biāo)距離≤200mm。

2）然后將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)車型下車體數(shù)據(jù)裝配在一起，以B車型為基準(zhǔn)，下車體主定位孔采用前縱梁后段的基準(zhǔn)孔B、副定位孔采用后縱梁定位孔C，輔助基準(zhǔn)孔采用前縱梁前段定位孔D；采用前縱梁定位面A1、A2、A3、A4和前地板縱梁A5、A6、后縱梁定位面A7、A8、Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ車型根據(jù)Ⅱ車型定位坐標(biāo)，選取定位孔、面或增加連接支架等結(jié)構(gòu)確定定位孔、面的位置。

本方案規(guī)定了下車體主定位銷和主定位面，在開(kāi)發(fā)4個(gè)車型時(shí)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線共線，避免了從Ⅰ到Ⅳ四個(gè)車型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，因共線論證時(shí)導(dǎo)致更改設(shè)計(jì)時(shí)成本的增加。共線應(yīng)用后，在其他生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中進(jìn)行了推廣。

5.焊接工藝流程圖

1) 某車型根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)（雙班年產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)）把下車體總成分解每個(gè)工序組成件，保證生產(chǎn)節(jié)拍滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求；根據(jù)車身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拆分工序，按照現(xiàn)有生產(chǎn)線焊接方式確定工序排布，完成焊裝工藝流程圖，直接指導(dǎo)生產(chǎn)線工裝設(shè)計(jì)制造。

根據(jù)節(jié)拍合理分配焊點(diǎn)，平衡每個(gè)工位工時(shí)，定位焊點(diǎn)確定后，其余焊點(diǎn)分配到補(bǔ)焊工位（見(jiàn)圖28）。節(jié)拍的計(jì)算，每小時(shí)制造臺(tái)份（JPH）=年產(chǎn)量臺(tái)份（雙班）÷2÷251 天÷0.85設(shè)備開(kāi)動(dòng)率÷8h，計(jì)算得生產(chǎn)節(jié)拍2min/臺(tái)。

2) 通過(guò)焊接流程圖設(shè)計(jì)，提前發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)，如下車體生產(chǎn)線沒(méi)有裝配通風(fēng)室工位，只能將通風(fēng)室放到機(jī)艙梁架總成區(qū)域，及時(shí)更改車身結(jié)構(gòu)，避免了設(shè)變。

結(jié)語(yǔ)

焊裝同步工程在汽車制造中的作用主要包含以下內(nèi)容：

1）減少凍結(jié)后數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)變更，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

2）減少車身凍結(jié)后數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)變更，避免因產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更造成的制造周期的延長(zhǎng)。

3）車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證產(chǎn)品制造的質(zhì)量。