汽車門框式結(jié)構(gòu)件焊接工藝研究及其焊接夾具設(shè)計

呂桂財，李云濤，李朝龍，邢恩宏

(1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384;2.天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津 300384;3.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 3000384)

0 前言

對于汽車門框類薄板件的焊接，由于其具有剛性差、易變形的特點，且形狀尺寸較大，所以在焊接時極易出現(xiàn)熱變形、焊透等缺陷［1］。天津理工大學(xué)開發(fā)了一套針對汽車門框式結(jié)構(gòu)的焊接夾具［2-3］，利用該焊接夾具對汽車門框式結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接試驗，通過焊件性能檢測分析，確定焊接工藝，以提高焊接質(zhì)量，保證汽車門框在焊后滿足幾何形狀、尺寸及性能要求。

1 焊接夾具的設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

汽車門框要求有高強(qiáng)度、高剛性以及良好的耐腐蝕性。隨著薄板汽車門框應(yīng)用的越來越多，對其焊接性能要求越來越高，因此，該焊接夾具應(yīng)滿足以下四點要求。

(1)因汽車門框為尺寸較大的薄板件，夾具要確保各部件獲得準(zhǔn)確的位置和可靠的夾緊，并在焊接時能防止焊件產(chǎn)生變形;

(2)汽車門框的部件大多窄而長，空間跨度比較大，所以夾具結(jié)構(gòu)應(yīng)開敞，使操作方便;

(3)在汽車門框夾具中，凡是受力的器件等，例如門框角處的定位元件等，都應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度和鋼度;

(4)夾具應(yīng)滿足定位夾緊迅速，焊件裝卸方便。

1.2 定位方案與定位元件

采用過定位的形式來保證汽車門框的準(zhǔn)確形狀和可靠定位。以前支柱端部外側(cè)作為定位基準(zhǔn)，由于要實現(xiàn)門上梁與前支柱的準(zhǔn)確對接，因而對接處的左右兩邊的定位準(zhǔn)度尤為重要，汽車門框中的門上梁窄而長，空間跨度大，除了在其兩端定位外，要在中間加一個支撐定位機(jī)構(gòu)，防止其變形。前、后支柱的端部利用支撐板與定位器定位。定位元件為夾具中的支撐板、擋塊與定位器。如圖1所示。

圖1 汽車門框的焊接夾具局部圖Fig.1 Partial figure of welding fixture for door frame

1.3 支撐機(jī)構(gòu)與夾緊器

支撐機(jī)構(gòu)除了起到支板件的作用外，還起到了定位作用。夾緊器采用氣動夾緊，用9個氣缸控制9個夾緊器，保證夾緊力的大小能夠克服零件上的局部變形，且夾緊力的方向要垂直定位基準(zhǔn)，確保與夾具定位面的接觸面積最大，將焊接件牢牢的固定在夾具上。如圖2所示。

圖2 汽車門框的焊接夾具局部圖Fig.2 Partial figure of welding fixture for door frame

1.4 焊接夾具的制作與調(diào)試

如圖3所示，利用繪圖軟件CATIA進(jìn)行焊接夾具的繪圖，并依照圖紙進(jìn)行精確的加工制作，再對焊接夾具進(jìn)行調(diào)試試驗。

圖3 汽車門框的焊接夾具圖Fig.3 Welding fixture for door frame

2 焊接試驗

由于該夾具設(shè)計可夾持約0.7～3 mm厚的汽車門框式結(jié)構(gòu)件進(jìn)行施焊，利用其進(jìn)行0.7 mm 型材焊接試驗［4］。

2.1 選材及焊接工藝

本文采用的試驗材料為0.7 mm的DX51D+Z鍍鋅板(鍍鋅板的化學(xué)成分見表1)。材料結(jié)構(gòu)為汽車門框式結(jié)構(gòu)，焊接工藝為TIG(Tungsten Inert Gas非熔化極氣體保護(hù)焊)［5-6］，焊接參數(shù)見表2。

表1 鍍鋅板的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of galvanized sheet %

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding parameters of TIG

2.2 焊接接頭金相組織分析

SGCC拼焊板的金相組織測試結(jié)果如圖4所示。可以看出焊縫中存在大量的柱狀晶，其沿熔合線的法向方向生長，具有明顯的方向性。焊縫中存在片狀與塊狀先共析鐵素體，由于焊接熱輸入量大，轉(zhuǎn)變溫度高，奧氏體晶粒急劇長大，出現(xiàn)了魏氏體組織，粗大的魏氏體組織導(dǎo)致材料性能惡化，韌性降低，嚴(yán)重影響焊接接頭的焊接性能，應(yīng)盡量避免形成魏氏體組織。

圖4 焊接接頭Fig.4 Weld joint

2.3 焊接接頭顯微硬度試驗

由于焊縫寬度約為3 mm，每側(cè)約1.5 mm，所以需進(jìn)行焊接接頭顯微硬度試驗:從一側(cè)母材通過焊縫區(qū)到另一側(cè)母材，每隔0.2 mm測一個硬度值(以焊縫中心為原點)，共三組，取其平均值。SGCC拼焊板焊接接頭沿垂直焊縫方向的硬度分布見表3。

由表3可以看出，焊縫處的硬度明顯要高于母材，在距離焊縫中心約0.6 mm處，焊縫的硬度值最高313 HV，然后焊縫的硬度逐漸減小，最后達(dá)到原始母材的硬度，最低硬度值為距離焊縫中心約1.8 mm處的168 HV。SGCC焊接接頭的硬度整體表現(xiàn)為以焊縫中心線為軸近似對稱分布。

表3 焊接接頭硬度Tab.3 Hardness of welding joint

2.4 焊縫的拉伸試驗

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合試驗和設(shè)備的要求，共加工了2種焊接試樣進(jìn)行單向拉伸試驗，其中試樣a為母材DX51D+Z拉伸試樣;試樣b為DX51D+Z焊后拉伸試樣。拉伸實驗過程中夾頭移動速率為5 mm/min，所得到的實驗結(jié)果見表4。

表4 試樣拉伸結(jié)果Tab.4 Results of tensile test

由試驗的結(jié)果可以看出:拉伸試樣b與母材相比，其斷后伸長率較低，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度與母材接近，材料在變形過程中不容易失穩(wěn)，且形狀穩(wěn)定不容易回彈，完全能夠滿足進(jìn)行生產(chǎn)的性能要求，焊縫質(zhì)量合格。

5 結(jié)論

(1)本課題中開發(fā)的針對汽車門框的焊接夾具，能夠使汽車門框窄而長的各部件獲得準(zhǔn)確的位置和可靠的夾緊，由于夾緊器采用氣動夾緊，操作方便，定位夾緊迅速，完全克服了門框焊后出現(xiàn)的易變形、易焊透的缺陷，能夠焊接出質(zhì)量合格、符合使用要求的焊縫。

(2)本文采用的針對鍍鋅薄板的TIG焊接工藝:焊接速度1.0 m·min－1、焊接電流183 A、電弧電壓12 V、保護(hù)氣體流量10 L·min－1，焊后焊件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)高于母材，結(jié)合性能良好，焊件焊接質(zhì)量較高，焊縫質(zhì)量合格，完全能夠滿足使用的性能要求。

［1］增淵興.焊接結(jié)構(gòu)分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［2］蔡瑾，段國林，姚濤，等.計算機(jī)輔助夾具設(shè)計技術(shù)回顧與發(fā)展趨勢綜述［J］.機(jī)械設(shè)計，2010(2):1－6.

［3］姚繼光.焊接夾具設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)化［J］.科技資訊，2013(06):104.

［4］許鴻吉，趙雯雯，王春生，等.1.4003不銹鋼與0Cr18Ni9不銹鋼焊接接頭組織和力學(xué)性能［J］.焊接技術(shù)，2009，37(6):12－14.

［5］范陽陽，孫清潔，楊春利，等.基于超聲振動的304不銹鋼TIG焊接［J］.焊接學(xué)報，2009，30(2):91－94.

［6］Oh S G，Ra S H.Tig welding machine:U.S.Patent Application 13/695，307［P］.2011－4－19.