汽車底盤焊接工藝開發(fā)

張宏君

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

乘用車底盤涉及的承載式車身的副車架類、擺臂類以及非承載式車身的車架等焊接類總成件普遍采用電弧焊接拼焊工藝。盡管電弧焊接工藝技術(shù)非常成熟、應(yīng)用也非常廣，但汽車底盤焊接類總成因其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間小及焊道走向極不規(guī)則的特點(diǎn)，造成其焊接工藝開發(fā)的難度較大。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，整車對底盤焊接類總成件的精度要求越來越高，單純依靠焊接工藝實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量正不斷地受到挑戰(zhàn)。文章在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、過程設(shè)計(jì)開發(fā)大的思路下，系統(tǒng)地介紹了產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝性審查、優(yōu)良的工藝設(shè)計(jì)、夾具可調(diào)性設(shè)計(jì)以及焊接工藝與其它工藝的多種組合等前瞻性研究。

1 底盤件焊接工藝特點(diǎn)

在進(jìn)行所有研究之前，首先要了解底盤件焊接工藝的特點(diǎn)，這是基礎(chǔ)。圖1示出某款車前副架的焊接總成，焊接零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求保證精度的多，焊縫多，總焊縫長達(dá)38 m，板厚在2～6 mm之間，屬于薄板，這些特征將導(dǎo)致焊接變形非常復(fù)雜。

圖1 某款車前副車架焊接總成

汽車底盤焊接類總成件均具有以上特點(diǎn)，很多焊接工程師（工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝裝備設(shè)計(jì)）遇到汽車底盤焊接件很頭疼，處理這類焊接件對他們的經(jīng)驗(yàn)水平要求很高，非標(biāo)設(shè)計(jì)平均達(dá)到90%。除此之外，隨著國內(nèi)汽車廠商推出的整車產(chǎn)品不斷國際化，開始挑戰(zhàn)中高端汽車產(chǎn)品，因此，對底盤件精度的要求越來越高。目前底盤焊接總成件的平均精度為0.5～0.8 mm，有的焊接件局部精度已經(jīng)達(dá)到了±0.1 mm，顯然，再單純依靠純焊接工藝已經(jīng)無法保證高精度了。

焊接工藝作為特種工藝，其核心是如何控制焊接變形以及控制方法，這就需要對焊接產(chǎn)品的工藝制造性、工藝設(shè)計(jì)、焊接裝備的可調(diào)性及多種工藝組合進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2 底盤件產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝性審查

進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝性審查，是使新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在滿足使用功能的前提下，應(yīng)符合一定的工藝性指標(biāo)要求，以便在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下采用經(jīng)濟(jì)、合理的方法完成制造，同時(shí)在工藝審查過程中提高審查能力，為后續(xù)的使用維修提供便利，以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、短周期的開發(fā)目標(biāo)，并且更容易制造。

為了保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有良好的工藝性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)工藝性審查，主要包括交流數(shù)模設(shè)計(jì)階段的審查、工藝數(shù)模設(shè)計(jì)階段的審查、NC數(shù)模及工作圖設(shè)計(jì)階段的審查。將評審的內(nèi)容編寫成報(bào)告書，并留存記錄表，后續(xù)將報(bào)告書分類、編寫審查標(biāo)準(zhǔn)。

評審時(shí)，需要制定一系列審查標(biāo)準(zhǔn)，作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。那么對于底盤焊接總成件，重點(diǎn)關(guān)注的是定位設(shè)計(jì)及構(gòu)造設(shè)計(jì)2部分，需要掌握正確的分析方法和眾多的案例用以形成審查標(biāo)準(zhǔn)。1）定位設(shè)計(jì)：焊接構(gòu)造各工件的關(guān)系，稱為定位；2）焊接構(gòu)造：指構(gòu)成焊接件的各單件的物理結(jié)構(gòu)，包含焊道等。以定位設(shè)計(jì)的審查標(biāo)準(zhǔn)為例，介紹工藝SE分析的內(nèi)容以及它帶來的好處，如圖2所示。

圖2 定位設(shè)計(jì)工藝SE分析

如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)先天存在缺陷，對工藝開發(fā)將是致命的，需要用很高成本來彌補(bǔ)，造成產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定。例如：需要反復(fù)調(diào)整銷子的位置，對于批量生產(chǎn)，這是不允許的，如圖2所示。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間，需要同步開展產(chǎn)品的工藝SE分析，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。對于一個(gè)過程開發(fā)團(tuán)隊(duì)來說，建立一整套工藝SE分析方法和典型案例分析尤為重要。

3 良好的工藝設(shè)計(jì)

不僅要具有制造工藝性好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)還要開展工藝流程的設(shè)計(jì)。良好的工藝流程設(shè)計(jì)核心是為了減少焊接變形量或令焊接變形朝預(yù)設(shè)的方向發(fā)展變化，最終有效保證產(chǎn)品精度，并穩(wěn)定生產(chǎn)。列舉1個(gè)典型案例進(jìn)行說明。

有對稱度要求的2個(gè)支架，必須安排在1個(gè)工序內(nèi)進(jìn)行對稱焊接并完成，不可分成2個(gè)工序完成。汽車底盤后橋殼類產(chǎn)品的支架焊接，如圖3所示，支架A-支架B、支架C-支架D均為中心對稱支架組，每組對稱支架必須單獨(dú)放在2個(gè)工序內(nèi)，這種安排可以保證其對稱精度，同時(shí)也使橋管的變形按預(yù)設(shè)的方向變化，即2個(gè)工序?qū)τ跇蚬艿膹澢冃味却蟛糠謺嗷サ窒档秃笮蛐Ｖ惫ば虻男Ｖ彪y度。

圖3 對稱焊接工藝設(shè)計(jì)

在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)，要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能，要同步開展設(shè)備種類、規(guī)格的選擇。例如：每組對稱焊接的支架，最好要同時(shí)進(jìn)行焊接，工藝性更好，如圖3所示。要保證同時(shí)焊接，選擇人工焊接是不能夠?qū)崿F(xiàn)的，因?yàn)槿斯ず附右淮沃荒芎附右粋€(gè)支架，而且后橋支架是受力工件，對焊接強(qiáng)度要求較高，支架焊道處斷裂是它的主要失效模式，人工焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，因此，有條件的企業(yè)，最好選用雙機(jī)器人同時(shí)對2個(gè)支架進(jìn)行焊接，使后橋殼整體焊接變形更可控、焊接質(zhì)量更穩(wěn)定。在實(shí)際工作中，不斷總結(jié)某一類產(chǎn)品（結(jié)構(gòu)類似）或同平臺產(chǎn)品的焊接變形規(guī)律，以便在后序開發(fā)中，根據(jù)焊接變形規(guī)律進(jìn)行有針對性的工藝流程設(shè)計(jì)。

4 焊接夾具可調(diào)性設(shè)計(jì)

眾所周知，由于弧焊對板材及工件產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致板材及工件焊接變形，因此對焊接夾具有2種設(shè)計(jì)方式。

4.1 反變形設(shè)計(jì)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，對底盤類焊接件變形規(guī)律進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)已掌握其變形規(guī)律。根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模與圖紙進(jìn)行焊接夾具設(shè)計(jì)時(shí)，對夾具內(nèi)各定位點(diǎn)位置的確定已考慮了焊接變形量，焊接完畢后，產(chǎn)品尺寸經(jīng)正常收縮后，即可達(dá)到產(chǎn)品圖紙要求的精度，此設(shè)計(jì)形式對焊接工裝設(shè)計(jì)工程師的要求很高。

4.2 完全依據(jù)產(chǎn)品數(shù)模設(shè)計(jì)焊接夾具

不考慮焊接變形規(guī)律，直接根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模尺寸設(shè)計(jì)焊接夾具的各定位機(jī)構(gòu)的位置。此種方式，往往是以往沒有總結(jié)過此類產(chǎn)品的焊接變形規(guī)律，或是開發(fā)1種新結(jié)構(gòu)的底盤焊接類總成，尚不清楚其焊接變形規(guī)律，這也是最常用的設(shè)計(jì)方式。

綜上，不論是第1種還是第2種夾具設(shè)計(jì)方式，由于焊接工藝存在焊接變形，在安裝調(diào)試、批量生產(chǎn)過程中都會對焊接夾具進(jìn)行調(diào)整，所以2種方式設(shè)計(jì)的焊接夾具都要具備可調(diào)性。第1種設(shè)計(jì)方式只是調(diào)整量非常小（只是精度的深度調(diào)整），但是夾具也是需要調(diào)整的，也就是說焊接總成產(chǎn)品的精度，都是通過對焊接夾具各定位機(jī)構(gòu)的實(shí)際調(diào)整調(diào)試出來的，所以在設(shè)計(jì)焊接夾具時(shí)，必須考慮各定位機(jī)構(gòu)的可調(diào)性。下面舉例說明如何設(shè)計(jì)焊接夾具可調(diào)性。

工件散件定位點(diǎn)選擇合理，每一個(gè)定位點(diǎn)要根據(jù)該部件在汽車上的功能確定需要調(diào)整的自由度數(shù)量，若自由度數(shù)量為n，則設(shè)計(jì)成n自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)，同時(shí)要設(shè)計(jì)調(diào)整位置精度（調(diào)整范圍±3mm）的機(jī)構(gòu)，使定位元件的實(shí)際移動量與目標(biāo)值之差不大于0.2 mm。焊接夾具調(diào)整機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 焊接夾具可調(diào)性機(jī)構(gòu)——調(diào)整塊

使用此種可調(diào)性機(jī)構(gòu)的注意事項(xiàng)：1）嚴(yán)格禁止在2層聯(lián)結(jié)之間的不同位置塞入不同厚度的墊片，致使定位元件的位置取決于螺釘擰緊程度，大大降低焊接夾具的可靠性和工作穩(wěn)定性。定位調(diào)整機(jī)構(gòu)的各組調(diào)整墊片的調(diào)整方向要與總成圖內(nèi)標(biāo)注的方向一致，便于確定調(diào)整量；2）根據(jù)每個(gè)產(chǎn)品特性，均需設(shè)計(jì)1層調(diào)整機(jī)構(gòu)，而這層調(diào)整機(jī)構(gòu)要設(shè)計(jì)1組調(diào)整塊，一般是2塊調(diào)整塊。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)設(shè)計(jì)成多自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)試周期比普通調(diào)試周期縮短一半。

5 焊接工藝與其它工藝的多種組合

隨著產(chǎn)品精度要求越來越高，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，明確規(guī)定要提高產(chǎn)品精度，所以要前瞻性地考慮焊接工藝與其它制造工藝組合起來保證產(chǎn)品精度，如果仍固執(zhí)地單獨(dú)采用焊接工藝，那么將導(dǎo)致過程開發(fā)失敗，造成巨大損失。下面簡單介紹2種常見的工藝組合。

5.1 焊接工藝+機(jī)加工工藝

對于中高端車型，底盤焊接總成，如后扭梁、擺臂軸套孔等，其平均精度為0.5～0.8 mm，有的甚至為±0.1 mm。此類部件均采用焊接工藝+機(jī)加工工藝的組合形式，即先進(jìn)行焊接，最后用機(jī)加工保證最終產(chǎn)品精度要求，由于機(jī)加工工藝本身不會產(chǎn)生變形，所以很多底盤制造廠大量采用此種形式，但是這種工藝組合，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要同步考慮工藝設(shè)計(jì)，提前考慮機(jī)加工預(yù)留量。

5.2 焊接工藝+沖裁工藝

底盤焊接總成，諸如一些支架有對稱孔，要求精度較高，傳統(tǒng)的焊接工藝無法保證精度要求，而且又無法采用機(jī)加工工藝。國內(nèi)的外資、合資品牌從開始就使用焊接工藝+沖裁工藝，不但可以保證精度，而且可以縮短調(diào)試周期，如果傳統(tǒng)焊接工藝用8個(gè)月時(shí)間調(diào)試，采用此種工藝組合，時(shí)間能縮短至3.5～4個(gè)月。

焊后沖裁的技術(shù)核心是氣動增壓缸，比傳統(tǒng)的液壓缸具有設(shè)備體積小、沖裁力大的特點(diǎn)，能在短距離內(nèi)對2～6 mm的板材進(jìn)行沖孔加工，速度快，精度高。劣勢在于成本高，單機(jī)價(jià)格在150～200萬元之間。

工藝組合還有很多形式，要根據(jù)具體的產(chǎn)品進(jìn)行選擇。隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，一些新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，可選的形式會更多，所以要多關(guān)注領(lǐng)域內(nèi)新技術(shù)研發(fā)、新設(shè)備使用和檢測技術(shù)應(yīng)用，與知名供應(yīng)商構(gòu)建交流與合作平臺，多做儲備。

6 結(jié)論

每一類焊接件都有它的焊接變形規(guī)律，通過對焊接變形規(guī)律的總結(jié)，對實(shí)際產(chǎn)品數(shù)模、圖紙的分析，制定出合理的焊接工藝，這是焊接工藝開發(fā)的核心。如果不考慮這些因素，接到項(xiàng)目后，馬上開始工藝設(shè)計(jì)，后期往往會出現(xiàn)大量變更，甚至?xí)霈F(xiàn)無法扭轉(zhuǎn)的局面，而現(xiàn)在的開發(fā)往往是這種狀態(tài)，因此，要改變這種開發(fā)流程，就應(yīng)注重對現(xiàn)場過程的分析，及時(shí)對調(diào)試過程進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立焊接變形的模型，為后續(xù)新項(xiàng)目的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。