皮卡車架焊接精度控制方法研究

陳巖

（廣東福迪汽車有限公司 528225)

0 引言

在汽車行業，關于白車身焊接精度研究較多，主要應用車身精度偏差源的研究辦法。白車身焊接工藝主要是電阻點焊及激光焊等技術，對于焊接變形的影響甚微。車架主要以3 mm以上的厚板為主，焊接主要是CO2焊接，焊接變形較大。雖然我國皮卡發展已經近20年，但在車架焊接精度控制方面的研究較少，未形成系統[1]。目前國內關于皮卡車架焊接精度的研究，主要方向在自動化、多平臺化生產等方面。車架焊接精度控制方法的研究，是在中國皮卡市場不斷發展及深入迫切需要車架精度控制技術得到提升的前提下提出的。考慮影響精度的各種因素對車架焊接精度方法研究，提升焊接精度，為皮卡整車性能的提升打下良好的基礎。整車技術的進步，離不開零部件品質的提升，車架焊接精度控制方法的研究，必將是企業長期堅持的研究方向。

1 車架焊接精度控制辦法

導致車架焊接變形的因素很多，主要歸結有定位基準、零件質量、焊接夾具、焊接工藝、工藝人員、物流級測量方法等。基于偏差流理論的車架焊接精度偏差控制方法如圖1所示。

圖1 車架焊接精度偏差控制方法

1.1 定位基準系統

定位基準系統（RPS）。定位基準設計是精度控制方法的基礎工作，其作用是保證零部件在焊接、裝配和檢測過程中的定位穩定性和狀態一致性，保證車身、零部件各尺寸鏈上有功能性要求的特征孔、面及切邊位置精度受到控制[2]。對于汽車柔性零件的定位，如果僅靠六點定位規則將無法保證由于薄板零件柔性所產生的變形問題，因此通常采用工件表面或型面過定位的方式進行定位。當零件尺寸比較吻合，過定位支撐與零件間存在合理間隙范圍內，過定位支撐可以起到檢驗零件的作用；同時，在夾具和檢具的定位上，還可以起到減少零件變形的作用。

因此，“3+2+1”定位原則在汽車的定位系統里演變為“N+2+1”的定位原理[3]。定位基準的設計原則為：根據零件主要特性需求和功能尺寸要求，考慮制定關鍵控制要素；按照“N+2+1”原則確定零件基準系統的基準孔和基準面；根據焊裝工藝性考慮基準孔和基準面能否滿足功能尺寸的精度要求；考慮基準的傳承性及基準面的位置一致性。從零件到總成，基準點越來越少，但是盡量保持某幾個基準一直可以繼承下去，使公差傳遞量最小。

1.2 沖壓件技術分析方法

起皺、開裂和回彈是沖壓成形主要的3種缺陷，其中回彈是最難控制的因素。在彎曲成形和拉深成形工藝中，回彈現象比較普遍。車架的沖壓工藝，主要以彎曲成形為主，彎曲成形過程主要分4個階段：彈性彎曲、彈-塑性彎曲、塑性彎曲和校正[4]。為解決回彈問題，很多模具廠家使用CAE分析和預變形處理[5]。沖壓件尺寸誤差分析如圖2所示。

圖2 沖壓件成形精度控制

1.2.1 零件回彈原因分析

影響回彈的因素主要有材料的力學性能、材料的相對彎曲半徑、彎曲工件的形狀、模具間隙和校正力。回彈的大小通常用角度回彈量Δθ，曲率回彈Δρ來表示[6]。角度回彈是指模具在閉合狀態時，工件彎曲角θ與從模具中取出后工件的實際角度θ0之差，如公式1所示。

曲率回彈是指模具在閉合狀態時，壓在模具中工件的曲率半徑ρ與從模具取出后工件的實際曲率曲率半徑ρ0之差，如公式2所示。

影響回彈量的因素主要有：材料的力學性能，回彈角的大小與材料的屈服點σs成正比，與彈性模量成反比。材料的相對彎曲半徑為R/t（t為材料厚度），當其他條件相同時，R/t值越小，則Δθ/θ和Δρ/ρ也就越小。彎曲工件的形狀，一般U形件比V形件的回彈角要小，回彈與工件彎曲半徑也有關系，當比值R/t小于0.2～0.3時，則回彈角可能為零，甚至達到負值。模具間隙，U形彎曲的凸模、凹模單邊間隙Z/2越大，則回彈角越大，當Z/2小于t時，可能產生負回彈。校正力，增加校正力可減少回彈量。綜上所述，由于影響回彈數值的因素很多，而且各因素往往又相互影響，故難以進行精確的計算或分析。

1.2.2 解決零件回彈的方法

彎曲成形加工產生回彈是必然的，只有利用CAE分析明確回彈量采取必要的措施進行解決。如上所述回彈大小與彎曲的方法及模具結構等因素有關，消除回彈常用的方法有2種：補償法和校正法[7]。

補償法要預先估算或實驗出工件彎曲后的回彈量，在設計模具時，要使工件的變形超出原設計變形，沖壓回彈后所需要的形狀。解決回彈量有2種措施：其一是使凸模向內側傾斜形成角Δθ；其二是使凸凹模單邊間隙小于板料厚度。凸模將板料壓入凹模后，利用板料外側與凹模的摩擦力使板料的兩側都向內緊貼凸模，從而實現回彈補償。

校正法是在模具結構上采取措施，讓校正壓力集中在彎角處，使其產生一定的塑性變形，克服回彈。當彎曲區材料壓縮量變為板厚的2%～5%時，校正的效果較好。校正在沖壓模具工藝時，通常在彎曲成形工藝后保留此工序，也叫側整形。車架的縱梁和橫梁等零件，均采用“預成形+側整形”的兩次成形工藝。通過實踐驗證，兩次成形工藝非常適合車架縱梁和橫梁等厚度超過3 mm以上的零件。

1.3 焊接工藝

車架的焊接變形主要以縱向變形引起的撓曲變形為主，車架前后兩端最遠位置焊接變形較大。預防焊接變形工藝措施主要有2種：合理選擇焊接方法和規范；選擇合理的裝配焊接順序。

合理選擇焊接方法和規范。焊接電流、電弧電壓、焊絲送絲速度及保護氣體流量等，是CO2焊接的主要工藝參數。CO2焊接最主要的是熱量，根據Q=UIT，熱量越大變形量就越大，而熱量小又無法形成良好的焊縫。因此，首先需選定合理的電壓、電流及焊接時間。其次，由于保護氣體影響焊道形狀和咬邊等質量特性，需選擇合適的保護氣體流量[9]。通過參考焊接手冊及大量試驗，針對車架焊接，不同板厚的焊接電流、電弧電壓及氣體流量等焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數表

選擇合理裝配焊接順序。以車架中后段副梁焊接總成（3 m）為例進行了一組試驗，僅有焊接夾具定位及支撐，無夾緊的情況下，按照圖3中的4種焊接順序完成單邊焊縫。4種焊接均以兩端翹曲變形為主，圖3中a～d兩端翹曲分別為約30 mm、50 mm、60 mm和100 mm。綜合比較，在長度較長時，通常是1 m以上的單邊焊縫，建議使用如圖3中a所示的焊接順序完成焊接。

圖3 焊接順序圖

1.4 焊接夾具

焊接夾具的功能是為了實現車身零件的正確定位。汽車焊接夾具設計分概念設計階段、結構設計階段和詳細設計優化階段。概念設計階段，根據輸入的車身零件的焊接特征，在系統進行相似焊接實例檢索、收集和提交，生成初始設計方案集，供設計者選擇。結構設計階段，根據設計者所選擇的初始設計方案進入下一步的焊接夾具結構設計。關于焊接夾具設計的主要研究集中在零件正確定位，即選擇最優定位點數并確定最佳位置，以實現正確的約束定位。“N+2+1”定位原理比剛性件“3+2+1”定位原理更加適合汽車焊接夾具定位，利用有限元分析和非線性規劃方法，找到最優的“N”定位點，使零件變形最小[10]。

焊接夾具的規范包括：車架總成夾具的BASE板要求采用Q235-A鋼板，厚度不低于30 mm，縱梁分總成和車架總成夾具的支撐座、型板厚度不能小于30 mm，其余夾具厚度不能小于19 mm；夾具所有定位壓緊塊的寬度采用45鋼，表面淬火硬度為HRC40-45，定位銷材質采用40Cr，淬火硬度為HRC50-55，表面采用鍍硬鉻處理，所有定位塊/支撐面需可調整，考慮車架的變形量較大，需統一預留8 mm調整墊片；縱梁總成、橫梁總成焊接時，要求兩側面全長壓緊，壓板寬度約為30～40 mm，間距為250 mm；車架氣缸具有自鎖功能，防止零件焊接過程中因受熱膨脹導致夾緊塊回縮；主線上車架至少需要翻轉1次，為保證車架定位基準一致，要求主線所有夾具增加縱梁側面定位孔的檢測銷；夾具結構應有克服或減少焊接變形的措施，車架總成和縱梁等大件的夾緊采用増力夾緊自鎖機構，保證零件始終夾緊到位；使用獨特的自鎖機構為夾緊器提供強大夾緊力，有效抵御焊接變形（圖4）；校正夾具采用液壓夾緊并應有增力夾緊自鎖裝置，車架校正夾具在車架主線上按照100%的頻率進行校正，校正車架縱梁Z方向尺寸。

圖4 自鎖機構

1.5 人員

車架焊接以CO2焊接為主，人員的因素是制造過程最大變化的因素。因此，在研究車架焊接精度控制方法時，必須對人員的管理進行適當的分析。從車架的工藝結構及企業投入經濟性出發，車架焊接仍需一定的人工焊接來完成。凡有人操作的地方都需要相應的技能要求，只有工藝人員清晰本工序的操作要點，才能做出優質的產品，避免因技能不足上崗操作導致不良品的出現。因此，技能培訓、人員變化的管理辦法，是車架精度保障的重要環節。

員工技能培訓需要從CO2焊接基本知識、CO2焊接設備、焊接夾具、操作技能、焊接質量判斷及過程記錄等進行全面的培訓以及評價。人員變更時，需要重新培訓及考評。

1.6 生產物流

皮卡車架主要有2種特點：第一，生產綱領普遍偏低；第二，長縱梁與長橫梁的結構焊接性好，單工序焊接時間短。基于這2種特點，皮卡車架的布置一般采用以下方式：主線從縱梁分總成開始，到車架焊接總成、校正和沖孔，呈一字型布置，就是通常講的車架主焊線；分總成以機器人焊接工作站的形式進行布置，通常以2根橫梁總成為一個工作；支架分總成類焊接手工焊接工作為主，集中焊接布置的方法。

車架的生產過程為“沖壓——庫房——焊接分總成——焊接總成”，3次搬運均需要專用的器具來完成。裝載量過多、器具設計不合理及擺放不合理等均會造成零件的變形。為做好裝置器具，裝載器具應具備如下的技術要求：主體框架，要求采用Q235材質管狀型材組合裝配焊接而成；工裝器具主體框架裝配焊接，需采用定位精準的工裝輔助，要求使用電弧焊，不得使用CO2焊接、氬弧焊等焊接工藝，焊后退火消除應力；堆碼裝置要求強度能滿足8 T的承載；支撐腳座和護鏟裝置采用Q235，料厚度應大于等于5 mm，吊鉤和吊環采用Q235材質的鍛造件，直徑要求在18 mm以上。

1.7 測量方法

車架測量的主要檢測設備有檢具、三坐標測量系統（CMMS）、三維激光掃描儀等。檢具是檢查和驗證產品是否合格的不可缺少的工藝裝置之一，它應能明確反映出產品各部位是否合格及是否存在誤差。

檢具技術要求：總成檢具采用方鋼焊接框架底座結構，底板厚度要求10 mm以上，對于局部容易磨損的部位要求采用金屬防磨損結構；定位面及支撐面材料采用采用SKD61或相當材料，其結構必須采用可拆卸式結構，斷面規材料采用鋼板，厚度需大于10 mm，其結構要求選用旋轉結構，定位銷、圓柱銷、劃線銷及銷套的材料采用SKD61材料或相當材料，表層硬度HRC45-50；檢具工作型面的精度誤差應小于0.20 mm，所有用于被測零件的定位基準在檢具上的位置公差都必須限制在±0.10 mm以內，所有用于被測的零件包括檢驗銷和導套，在檢具上的位置公差都必須限制在±0.15 mm以內，用于內部線條/塞片檢驗的表面輪廓特性在檢具上的位置公差都應該限制在±0.15 mm以內。

根據車架質量檢查法，利用車架檢具，對車架總成的裝配安裝孔位、重要型面進行檢測，以合格率評價車架的質量水平，合格率是符合點與總測點的百分比。車架質量檢查法的編制要嚴格按照GD/T、RPS的信息進行編制，這2份文件明確定義定位基準和公差要求。車架關鍵點的測量值，需要100%符合，全部測點要求90%符合。

2 結束語

定位基準的應用，減少因基準轉換造成的誤差，機器人自動化焊接技術，保證焊接過程的穩定性。在剛性固定法和反變形法的指導下，研究車架焊接夾具的結構，研究車架焊接夾具定位點的選定，研究夾具夾緊力，能有效解決車架的焊接變形，在車架焊接精度控制上非常有效。近些年，中國汽車市場各種車型均得到快速增加，但皮卡的市場占有率還不高，仍有很大的發展空間。關于皮卡車架焊接精度控制的研究，對皮卡車型在未來的發展具有重要的意義。