汽車白車身側(cè)圍前柱角接板焊接尺寸控制方案研究

摘要：通過對某車型白車身側(cè)圍前柱角接板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝配路線及焊接工藝進行介紹，圍繞實際生產(chǎn)過程中存在的問題點，從理論數(shù)據(jù)分析、有限元仿真驗證、試驗分析綜合論證，形成一套側(cè)圍角接板焊接尺寸育成控制理論方案。并結(jié)合項目前期的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、定位基準設(shè)定、偏移公差分配及檢測方向評價等方面進行歸納和總結(jié)，指導(dǎo)后續(xù)車型側(cè)圍前柱角接板焊裝尺寸的開發(fā)與控制，規(guī)避不良尺寸問題的發(fā)生。

關(guān)鍵字：定位基準；尺寸控制；偏移公差；前柱角接板

汽車是當(dāng)今人類常用的交通工具，白車身焊接質(zhì)量直接影響汽車的整體性能，如車輛外觀、功能、性能等[1]。因此汽車白車身尺寸精度保證顯得尤為重要。汽車白車身側(cè)圍前柱角接板作為控制頂蓋前橫梁Z向尺寸的主要支撐部件，其尺寸精度直接影響頂蓋前橫梁的尺寸，從而影響到前橫梁與頂蓋的匹配間隙，產(chǎn)生焊點不良、頂蓋坑包、斷膠等問題缺陷[2]。尤其是近年來，隨著新能源汽車全景天幕的趨勢流行，如何更好的控制前橫梁的尺寸，進而保證天幕與前風(fēng)窗玻璃、天幕與頂棚的尺寸內(nèi)外飾匹配，成為各大主機廠更加關(guān)注的課題。本文將從當(dāng)前存在的問題以及下工序的實際需求，結(jié)合產(chǎn)品特征、前期控制工藝以及育成方法等方面出發(fā)，進行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，形成汽車白車身側(cè)圍前柱角接板尺寸控制方案。

側(cè)圍前柱角接板產(chǎn)品及工藝介紹

1.傳統(tǒng)車型形成白車身側(cè)圍總成焊接組成

中側(cè)圍前柱角接板①、側(cè)圍中柱內(nèi)板后段②、側(cè)圍前柱上側(cè)內(nèi)板③及側(cè)圍中柱中部內(nèi)板④焊接形成側(cè)圍內(nèi)板總成⑤，如圖1所示。側(cè)圍內(nèi)板總成⑤與側(cè)圍外板總成⑥、側(cè)圍加強板總成⑦、后側(cè)圍內(nèi)板總成⑧焊接形成側(cè)圍總成。如圖2所示。

2.側(cè)圍前柱角接板及關(guān)聯(lián)零件的性能特征

側(cè)圍前柱角接板及關(guān)聯(lián)零件性能要求標準見表1。

側(cè)圍前柱角接板育成過程問題現(xiàn)狀

某車型前期調(diào)試過程中， 三坐標測量顯示側(cè)圍總成角接板區(qū)域數(shù)據(jù)偏低1～2mm（見圖3）。造成頂蓋橫梁焊接后整體數(shù)據(jù)偏低，影響總裝零件全景天幕裝配結(jié)果。由圖2層級路線圖可知，側(cè)圍總成主要由側(cè)圍內(nèi)板總成和其他零部件合拼后形成，但側(cè)圍內(nèi)板總成該部位數(shù)據(jù)三坐標測量時，顯示該區(qū)域數(shù)據(jù)波動在±0.7mm左右（見圖4），與側(cè)圍總成數(shù)據(jù)不一致。形成側(cè)圍總成后，明顯下沉約1.5mm。通過對比歷史車型，發(fā)現(xiàn)均存在此問題，側(cè)圍內(nèi)板總成在合成側(cè)圍總成后，前柱角接板該區(qū)域部位數(shù)據(jù)整體會偏低1.0～1.5mm。

側(cè)圍前柱角接板數(shù)據(jù)偏差分析

搭載某車型問題點圍繞側(cè)圍內(nèi)板總成角接板區(qū)域合成側(cè)圍總成前后數(shù)據(jù)變化開展驗證及分析，從加工基準設(shè)定、檢測方式、PCF評價方式及焊接工藝等方面排查測量數(shù)據(jù)偏差及可能造成焊接前后數(shù)據(jù)變化的原因。

1）加工基準。側(cè)圍內(nèi)板總成為類T形結(jié)構(gòu)，長度方向約1800mm，高度方向約1300mm。雖然局部強度較大，但焊接成總成后，該內(nèi)板總成的整體強度嚴重不足，屬于典型的大薄板結(jié)構(gòu)。因此傳統(tǒng)加工基準設(shè)置為3個銷和10個定位面支撐（見圖5），用于過定位約束。

2）檢測方式。側(cè)圍內(nèi)板總成測量時放置方向為平躺放置（非整車坐標系方向），且該定位銷為固定式。檢測時三個定位銷需同時找正位置，再依次夾緊其他基準面夾鉗。

3）PCF評價方式。PCF評價時，該內(nèi)板放置方式為立式（整車坐標系方向），且定位銷定位時通過插拔銷插入實現(xiàn)定位，如圖6所示。

4）焊接工藝。內(nèi)板放置工藝根據(jù)夾具線體特征，當(dāng)前主要有平躺式、傾斜式兩種焊接方式（非整車坐標系方向）。但焊接工藝定位方式均為零件先預(yù)放到位后再定位，定位銷均為翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

1.有限元分析各姿態(tài)角接板尺寸偏差

利用有限元軟件對側(cè)圍內(nèi)板總成理論數(shù)模重力狀態(tài)下進行靜力學(xué)分析。通過有限元網(wǎng)格化分、創(chuàng)建焊點連接關(guān)系、創(chuàng)建焊點連接特性、定義材料屬性、定義料厚、定義約束、添加重力以及計算和查看變形位移圖譜等步驟完成平躺和整車系下（立式）兩種不同模式的分析。

按照平躺方式分析，此時重力輸入值為：X=0，Y=-9.8m/s2，Z=0。顯示最大變化部位為前柱角接板區(qū)域，最大變化量為0.34mm。表現(xiàn)趨勢為偏向車身外側(cè)，如圖8所示。

按照整車坐標系（立式）方式分析，此時重力輸入值為：X=0，Y=0，Z=-9.8m/s2。顯示最大變化部位為前柱角接板區(qū)域，最大變化量為0.43mm。表現(xiàn)趨勢為偏向車身內(nèi)側(cè)，如圖9所示。

不同的放置方式在理論模擬下差值在0.8mm。定位基準設(shè)置合理性需要進一步優(yōu)化。

2.試驗數(shù)據(jù)分析各姿態(tài)前柱角接板尺寸的變化

選取左右側(cè)各2量份零件，開展平躺式和立式測量，對測量數(shù)據(jù)進行比對（基準一致，僅定位銷定位方向不一致）。左側(cè)零件立式放大偏低1.0～1.5mm，右側(cè)放大偏低2.0～2.5mm，如圖10所示。

結(jié)合有限元理論分析的變化量，排除重力影響的0.8mm，左側(cè)存在0.7mm的不明值，右側(cè)仍存在1.5mm的不明值。初步分析：不明值產(chǎn)生的主要原因在于側(cè)圍內(nèi)板總成為薄板框架結(jié)構(gòu)，零件自身的回彈加重不同狀態(tài)下尺寸的變化量。

3.不明值差異點分析

通過實際測量時現(xiàn)象觀察，發(fā)現(xiàn)側(cè)圍平躺式測量時A柱定位銷在預(yù)放件過程中，內(nèi)板A柱孔位明顯偏下約5mm左右，在PCF上立式定位時偏下約1.0mm，如圖11所示。

平躺式放件受限定位銷的有效長度，人工放件時無法實現(xiàn)三個銷同時平行放件。由于A柱定位銷自身存在偏下趨勢，造成B柱和C柱先裝配到位，A柱定位銷在軌跡運行過程中，會更加重偏差的趨勢。此時為了保證定位銷裝配到位，需強行往上推零件，造成角接板區(qū)域整體往上旋轉(zhuǎn)，Z向數(shù)值變高。

立式測量時，此時定位面已到位，強行推零件定位時，表現(xiàn)為以翻邊線為軸，角接板區(qū)域偏下旋轉(zhuǎn)。

左右側(cè)變化量不一致的原因在于左右側(cè)兩件A柱回彈量不一致，通過對比焊接后總成A柱孔位偏差量可知：A柱定位孔左側(cè)平均偏低0.4mm左右，右側(cè)平均偏低0.85mm左右，右側(cè)焊接后反彈量明顯大于左側(cè)。如圖12所示。

因此，造成該差異的主要原因在于側(cè)圍內(nèi)板總成的自身扭曲回彈。回彈扭曲越大，不同放置方式測量對比失真性也越大。

前柱角接板區(qū)域關(guān)鍵數(shù)據(jù)識別分析

目前看側(cè)圍內(nèi)板總成平躺式（非整車坐標系方向）和立式（整車坐標系方向立式）下的角接板部位測量數(shù)據(jù)均不完全支撐側(cè)圍總成數(shù)據(jù)，因此需要進一步研究其他關(guān)聯(lián)區(qū)域的影響。

前柱角接板區(qū)域為局部剛性，造成數(shù)據(jù)主要變化的原因來源于旋轉(zhuǎn)的變化，如圖13所示。

通過不同批次的內(nèi)板數(shù)據(jù)試驗分析：發(fā)現(xiàn)當(dāng)Z向偏高時，Y向型面偏向車身內(nèi)側(cè)。當(dāng)Z向偏低時，Y向數(shù)據(jù)偏向車身外側(cè)。Z向變化4mm時，Y向變化0.3～1.0mm，如圖14所示。因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致時，需同時關(guān)注Y向翻邊型面的數(shù)據(jù)尺寸。

前柱角接板門洞部位Y向數(shù)據(jù)變化較小的原因在于此部位有定位銷和兩處定位面，該部位基本上處在旋轉(zhuǎn)點附近。因此在Z向變化較小部位時，數(shù)據(jù)體現(xiàn)不明顯，所以分析此部位數(shù)據(jù)時需結(jié)合自由狀態(tài)和其他輔助部位數(shù)據(jù)進行分析，如圖15所示。

結(jié)語

傳統(tǒng)車型常發(fā)側(cè)圍前柱角接板偏低的原因為：側(cè)圍內(nèi)板總成有回彈，且當(dāng)前定位方式無法有效識別回彈及重力變形，造成數(shù)據(jù)不支持問題現(xiàn)象；周圍匹配部位型面存在干涉和間隙，造成Z向上端尺寸發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

結(jié)合上工序的實際需求，該前柱角接板部位數(shù)據(jù)需要控制為Z向公差上限控制。當(dāng)和頂蓋橫梁匹配時，該區(qū)域受重力會自動下榻。優(yōu)選目標控制數(shù)據(jù)為Z向偏高0～1.0mm，如圖16所示。

為規(guī)避前柱角接板部位數(shù)據(jù)偏低的問題，結(jié)合本次系統(tǒng)分析，后續(xù)車型項目育成過程可按照以下方面控制：

1）側(cè)圍內(nèi)板總成加工基準設(shè)定。在角接板Y向上部區(qū)域增加一組支撐面，用于克服重力產(chǎn)生的實際數(shù)據(jù)失真的影響。且該基準需和單件、下到序工裝保持一致，如圖17所示。

2）側(cè)圍內(nèi)板總成檢測支架設(shè)計。測量支架設(shè)計時，固定式定位銷數(shù)量不超過1個，其他定位銷全部設(shè)置為活動式，便于確認側(cè)圍內(nèi)板總成自由狀態(tài)。

3）側(cè)圍內(nèi)板總成測點設(shè)定。為更好地識別角接板產(chǎn)生的扭曲問題，需要在單件、側(cè)圍內(nèi)板總成、側(cè)圍總成Y向平面上部和角接板其他部位增加驗證測點，用于識別和觀察扭曲變化，如圖18所示。

4）側(cè)圍內(nèi)板總成偏移公差設(shè)定。參考總成需求，側(cè)圍內(nèi)板角接板部位對應(yīng)設(shè)置為線性偏移公差，如圖19所示。

5）側(cè)圍總成工裝夾具設(shè)計。側(cè)圍內(nèi)板合成工序，在側(cè)圍內(nèi)板角接板Z向上部增加輔助支撐面，用于適當(dāng)程度的約束和矯形，如圖20所示。

6）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化。采用簡化模型結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)前車型側(cè)圍前柱角接板結(jié)構(gòu)為懸臂結(jié)構(gòu)，前柱角接板Z向匹配面長度168mm左右，設(shè)為r2，Y向焊接面長度約為80mm，設(shè)為r1，由三角模型可知，當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化時，r2變化量為r1的2倍以上，如圖21所示。

該結(jié)構(gòu)在焊接時，受限于零件匹配關(guān)系及焊點姿態(tài)，會產(chǎn)生較大的變形，因此，可考慮將前柱角接板和前柱內(nèi)板上側(cè)內(nèi)板設(shè)置為一體式零件，同時縮短Z向尺寸，將有效改善角接板焊接尺寸的控制。

參考文獻

[1] 陳炳輝. 簡析汽車白車身焊接工藝[J]. 農(nóng)業(yè)機械與裝備，2023（8）：151-153.

[2] 杜法剛. 汽車車身的焊接工藝及其措施[J]. 技術(shù)應(yīng)用， 2018（2）：81-81.