基于掃描技術的虛擬匹配的激光焊接匹配尺寸標準研究

何學峰

基于掃描技術的虛擬匹配的激光焊接匹配尺寸標準研究

何學峰

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201）

車頂激光焊接是現行各主流車廠采用的一種先進焊接技術，可以有效地改善車身剛度，降低能耗成本，優化零件數量，并提供一種完美的外觀配合特征。但是，該技術的技術難點在于提供有效的配合特征，以滿足激光焊接能夠達到的連接強度質量要求。文章通過應用虛擬匹配技術，根據焊接要求開發出配合的尺寸標準，為激光焊接得以實施提供了質量保證。從而對開發、降低生產成本及其實現車身智能制造有重大意義。

點云掃描；虛擬匹配；激光釬焊

1 背景

在汽車白車身制造領域，車頂激光焊接是一種通過激光釬焊工藝將車頂和側圍進行連接，以達到某種設計強度要求的工藝。激光焊接屬于物理連接，具有制造工藝精良，外觀表面質量優良，成型邊緣光順整齊，有利于整車匹配等優點。對于車身車頂、四門、前、后蓋內外板連接，激光釬焊焊接工藝得以廣泛應用。

車頂激光焊接工藝過程中除設備參數以外，焊縫大小，焊縫清潔度，是影響焊接質量的關鍵因素，在進行激光焊接工藝之前，首先需要將車頂通過定位完成成型點焊，由于焊縫表面的油污影響到釬焊介質的沁潤，需要對焊縫表面進行清理油污、粉塵。目前會在釬焊工位前增加一個清潔工位，通過激光對表面進行燒灼，確保表面油污清理掉，以保證后面填釬焊的良好沁潤以達到良好的焊接強度。而后，在激光焊工位，通過工裝抓手，對焊縫進行逐一施壓，確保焊縫趨近于0間隙后再進行激光釬焊焊接。

圖1 車頂激光焊接及金相圖

本文通過運用點云數據處理的虛擬匹配技術，將車頂、側圍在零件階段進行掃描，通過分析點云的偏差，將零件進行虛擬配合，將超出標準的點進行標識，通知模具進行有針對性的修改，反復循環，以期達到配合要求，保證激光焊接工位的最佳間隙配合。最終保證激光焊接質量。

2 虛擬匹配流程

虛擬匹配是上海通用汽車制造部開發的一種零件匹配分析方法，利用激光掃描設備，掃描車身零件獲取點云數據，在Polyworks軟件根據GD&T基準，將各單件置于車身坐標系，電腦計算各零件之間的干涉和間隙，指導零件更改的一種集成技術。

圖2 虛擬匹配分析方法

3 零件公差分配及評估

白車身焊接過程中并不能進行公差分配，所需要求都是通過工裝形式對零件進行定位或者整形，以期達到目標配合狀態。激光焊接的要求是間隙小于0.3mm。該要求已經超出了傳統沖壓模具能夠達到的零件成型公差，目前沖壓模具能夠達到的公差要求一般是+/-0.5mm//0.5mm，如果按照這個公差分配到側圍，車頂兩個零件上，從尺寸鏈角度分析，超差概率高達147%，即公差不匹配。

基于此，需要開發定位矯正工裝抓手，車身工裝抓手對車頂焊縫有明確的矯正作用，大抓手通過分成20厘米到30里面的獨立單元，對車頂焊縫間隙從上向下施加壓力，由于車頂結構是開口結構，很容易形成向下變形，由于預置的45度斷面結構，使車頂成功貼合到側圍的表面。但是，如果車頂或者側圍沖壓表面起皺，或者局部位置形成了突點，導致實際位置形成頂死結構，則實際間隙將遠大于0.3mm的配合間隙，間隙過大導致焊絲溶液沁潤斷面發生變化，焊縫將形成不均勻，縮孔、漏液、開裂等缺陷。

圖3 焊縫配合間隙

目前結合模具技術，鈑金設計定義了車頂R角的尺寸為2+0.5/-0mm，側圍相對垂直方向45度的夾角；形成了一個標準的焊接結構。釬焊溶液只需要填充完整，即可判斷焊接滿足連接強度的質量要求。

假設釬焊絲完全填充到焊縫中，則焊縫的斷面乘以長度形成焊絲容量，即可推導出焊絲的送絲速度；隨著焊縫間隙的加大，斷面面積增大，所需焊絲體積也隨之增大，但是由于焊接速度是固定的，在間隙增大的地方形成焊接表面填充物凹下，縮孔等焊接缺陷，所以控制焊接斷面的一致性是改善焊接質量的必要方法。

圖4 設計斷面

基于驗證要素的方法，控制焊縫間隙，開發了激光焊接的零件配合驗證工藝流程圖。零件的實際配合驗證方法，考慮到抓手壓板的尺寸為200mm左右，我們將點云按照50mm的距離進行分割后評估。

圖5 工藝驗證流程圖

基于點云的數據處理斷面，通過等距離點云處理，可以判斷零件之間的配合狀態，從間隙到干涉三個狀態呈現出來。按照激光焊接匹配驗證流程，我們發現在虛擬配合間隙小于1mm，干涉不大于1mm的情況下，工裝抓手可以有效地改善間隙。為獲取連續一致的0間隙，則需要點與點之間的突變不大于0.5mm；滿足以上虛擬配合的零件，即可滿足實際激光焊接的最小間隙要求。

4 GD&T圖紙公差修正

1）基于實際的配合狀態和激光焊接質量，需要對現有GD&T公差進行優化，確保沖壓可以達到一個可達的公差標準，同時有利于車身焊接質量的監控；

圖7 修正前的圖紙公差

2）通過實際驗證，干涉狀態的數據更有利于減少間隙配合?；诖?，將車頂公差設置成偏置公差；

圖8 修正后的車頂圖紙公差

3）在滿足配合的基礎上，均勻的圓角也是必要的控制點，減少焊縫的尺寸波動。

5 虛擬配激光器參數的研究

穩定的激光焊接參數及速度是焊接質量的保證，過快的焊接速度無法保證釬焊介質與鈑金很好的沁潤，過慢會導致釬焊介質堆積，燒穿等缺陷；根據工廠43JPH，預設70mm/Min 的焊接速度，試驗如下，在3700瓦的激光功率下逐步加大焊接送絲量到6.0m/min，依舊達不到焊接質量標準，通過調整激光器功率到4600瓦，焊接質量有所改善，但是依然達不到質量標準。故在考慮工廠43JHP以上的工廠，激光器功率需要大于5000瓦，或者考慮工位并聯的設計方案，以滿足3m左右車型焊縫的實施。

圖9 試驗焊縫狀態

表1 焊接參數

通過一組試片試驗我們可以發現，滿足43JPH 的工位，需要焊接速度達到70mm/s；3700瓦無法融化焊絲，能量不足，導致脫焊現象（上圖缺陷）；逐步調大激光器功率，焊絲可以基本融化，但是填充量不足，沁潤不足會導致功能要求不滿足，焊接強度不足，潛在內部有裂紋。通過其他組試驗，需要5300瓦以上的激光器可以滿足70mm/s的焊接質量要求。是否可以滿足更快的焊接速度，目前的研究反饋出無法滿足焊接強度的質量要求。

6 小結

本文通過將虛擬匹配技術對激光焊接幾何尺寸要求進行分析和研究，發現控制最小間隙對改善焊接質量有重要的作用。但是，僅僅提升間隙到0，不能解決日常的所需質量要求，需要綜合考慮激光器功率，焊縫間隙，送絲速度、角度等一系列因素，才能解決焊接質量問題。同時通過虛擬匹配技術對零件進行匹配認證，提出改進意見，優化零件公差標準。形成一套系統的考量釬焊質量的驗證方法。為降低生產成本及其實現車身國家智能制造有指導意義。

Research on Laser Welding Matching Standard Based on Virtual Matching of Scanning Technology

He Xuefeng

( Vehicle Manufacturing Engineering Department of SAIC General Motors Co., Ltd., Shanghai 201201 )

The roof laser welding is an advanced welding technology adopted by the current mainstream car manufacturers. It can effectively improve the body stiffness, reduce the energy consumption cost, optimize the number of parts, and provide a perfect appearance. However, the technical difficulty of this technology is to provide effective matching features to meet the quality requirements of laser welding. In this paper, through the application of virtual matching technology, according to the welding requirements to develop the matching specification, for the implementation of laser welding to provide quality assurance. It is of great significance to develop, reduce production cost and realize intelligent manufac -turing of auto-body.

Point cloud scanning; Virtual matching; Laser brazing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.042

U466

A

1671-7988(2021)02-129-03

U466

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1671-7988(2021)02-129-03

何學峰，就職于上汽通用汽車有限公司整車制造工程部。