CMT焊工藝在天窗頂蓋薄板上的應用與研究

張文朋，程康康，邵金金

奇瑞汽車股份有限公司 安徽蕪湖 277410

隨著汽車在普通家庭中的普及，消費者對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，不僅僅局限于動力和空間，而且對外觀質(zhì)量要求也越來越苛刻。由于車身表面的平整度及光順度直接影響消費者的審美選擇，所以控制并減輕車身表面變形，提升車身外觀質(zhì)量，對于當前汽車制造企業(yè)來說至關重要。

白車身上的天窗頂蓋由頂蓋本體和天窗加強板連接組成，其連接工藝主要有點焊、滾邊、壓合及CO2焊等。由于頂蓋本體較薄（0.7mm），焊接過程中易變形，進而影響外觀質(zhì)量，所以選用CMT焊。CMT焊是一種全新的MIG/MAG焊接工藝，其熱輸入量比普通的MIG/MAG焊要低。

現(xiàn)狀調(diào)查

公司某車型的天窗頂蓋本體（厚0.7mm、材料DC04）和天窗加強板（厚1.5mm、材料DC06）連接設計為CMT焊工藝，通過收集統(tǒng)計2021年4月份5個批次的頂蓋機器人CMT焊問題，發(fā)現(xiàn)單個總成零件的焊縫不合格率平均為56.7%，見表1。

表1 2021年4月份頂蓋機器人CMT焊問題統(tǒng)計

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，天窗頂蓋CMT焊焊縫主要缺陷有：咬邊、未熔合、焊瘤、燒穿、氣孔以及CMT焊頂蓋表面變形等。

統(tǒng)計缺陷占比情況，發(fā)現(xiàn)CMT焊頂蓋表面變形占總問題的70.15%（見表2），占比較大。這些數(shù)據(jù)分析表明，即使應用了熱輸入量更低的CMT焊設備，在薄板焊接過程中仍然出現(xiàn)了很多變形問題，所以需要進一步排查變形的原因，解決CMT焊工藝外造成變形的其他因素。

表2 2021年4月份頂蓋機器人CMT焊問題各類缺陷占比統(tǒng)計

變形過程理論分析

分析研究變形位置焊縫的實物狀態(tài)，由如圖1、圖2所示的現(xiàn)場實際焊縫正面圖及反面熱影響區(qū)，可以看出焊接后的熱影響區(qū)很大，零件的R角根部位置已經(jīng)發(fā)黑。由此可見，焊縫熱量一部分傳遞到了外板表面，導致表面發(fā)熱發(fā)黑。

圖1 焊縫正面

圖2 焊縫反面熱影響區(qū)

為了更好地了解變形過程，將該車型天窗頂蓋總成焊接位置剖切進行展示，如圖3所示。藍色為0.7mm厚的頂蓋外板本體，青色為1.5mm厚的加強板，紅色圓圈為弧焊焊縫，紅色細虛線為弧焊熱量散熱路線趨勢，弧焊后一部分熱量空冷散掉，一部分熱量傳遞至頂蓋外板本體表面，導致出現(xiàn)如紅色粗虛線所示的變形。

圖3 天窗頂蓋總成焊接位置剖切示意及焊縫散熱示意

制定對策及實施

經(jīng)過變形過程理論分析得知，造成弧焊后頂蓋表面變形的主要原因是變形位置熱量大，只要降低變形位置的熱量即可減輕變形。

為了降低變形位置的熱量，主要從產(chǎn)品設計、工裝設計、焊接參數(shù)及機器人軌跡等幾個方面制定了對策，來開展驗證工作。

1.產(chǎn)品設計

移動焊縫位置，使焊接熱源遠離外板表面。設計初始階段，考慮可由人工操作進行CMT焊接，在天窗加強板焊縫位置開了缺口（見圖4），作為焊接標識，指導員工焊接位置。開缺口后導致天窗加強板翻邊變短，焊縫距離變形的頂蓋本體更近了，導致焊接后熱量傳遞到頂蓋本體更多，出現(xiàn)變形。經(jīng)與產(chǎn)品部門對接，將焊縫從缺口位置重新定義在了旁邊的非缺口位置（見圖5），將焊縫到變形表面的距離從4mm增大到了6.5mm（見圖6）。

圖4 焊縫布置在非缺口位置

圖5 焊縫布置在非缺口旁邊位置

圖6 焊縫布置在缺口位置及非缺口位置到變形表面的距離剖切示意

2.工裝設計

焊縫位置增加夾緊散熱機構(gòu)，加快變形位置焊接后的散熱。工裝改造增加銅塊作為散熱機構(gòu)（見圖7），焊接后手觸銅塊，明顯感覺到熱量，說明焊縫一部分熱量通過銅塊散掉（見圖8），這樣既減少了頂蓋本體上的熱量，又減輕弧焊后反面變形。此外，散熱定位機構(gòu)對焊縫位置進行了夾緊，可有效保證弧焊焊縫位置的尺寸及位置度，有利于機器人弧焊焊接。

圖7 焊縫位置散熱機構(gòu)

圖8 焊縫在無銅塊散熱及有銅塊散熱情況下散熱示意

3.焊接參數(shù)

由于焊接參數(shù)過大會導致熱量大、變形大；反之，焊接參數(shù)過小會導致熱量小，存在未焊透的問題，所以需要選擇合理的焊接參數(shù)。

通過調(diào)整弧焊電流進行了調(diào)試驗證，為規(guī)避板件搭接間隙波動的影響，驗證過程中板件間隙控制在0～1mm，最終得出適用此板材（0.7+1.5）mm焊接的最佳參數(shù)，具體如下。

電流為83A，焊接后出現(xiàn)反面變形；電流為78A，焊接后反面變形減輕；電流為72A，焊接后反面變形減輕，但熔核直徑低于5mm，不能滿足質(zhì)量要求（產(chǎn)品CAE計算，要求熔核直徑＞5mm）；電流為65A，焊接出現(xiàn)未熔合。針對上述驗證結(jié)果，建議針對（0.7+1.5）mm搭接形式板材的CMT焊，焊接電流設置為78A。

4.板件搭接間隙

弧焊對板件搭接間隙要求一直較高，尤其是機器人弧焊，對板件搭接間隙及位置度有更高的要求。上述工裝設計方案增加的銅塊散熱機構(gòu)有效保證了板件焊縫位置的尺寸及位置度，有利于機器人焊接。產(chǎn)品設計上針對不同板件厚度和搭接形式對間隙定義不同，本次定義為0.5mm，實際調(diào)試過程中板件搭接間隙對焊接后變形的影響仍然需要驗證評估。

驗證過程發(fā)現(xiàn)，板件搭接間隙對弧焊后反面變形存在間接影響。板件搭接間隙在0～1.5mm，可采用弧焊焊點形式，焊接時間短，熱量低；板件搭接間隙超過1.5mm后，弧焊焊點形式的熔核不足以填充板件間隙，存在弧焊后咬邊或未熔合缺陷，故需采用弧焊焊縫形式，選擇外板-內(nèi)板編程軌跡，但此方式焊接時間長，焊接過程熱量大，易造成弧焊后零件變形。

綜上，調(diào)試過程中需要控制單件尺寸及板件搭接間隙在0～1.5mm，可滿足機器人弧焊要求。

5.機器人軌跡調(diào)試

除了合理的焊接參數(shù)，機器人軌跡調(diào)試同樣重要。驗證過程中發(fā)現(xiàn)，焊絲在搭接板件的位置（見圖9和圖10）與板件配合間隙需要合理配合，才能保證焊縫熔核質(zhì)量。

圖9 焊絲位置

圖10 焊絲在搭接板件的位置剖切示意

驗證過程發(fā)現(xiàn)：板件搭接間隙為0時，焊接后熔核受重力作用，會自然下流，調(diào)整機器人軌跡，使焊絲高出搭接理論位置0.5～1.0mm，焊縫成形更好；板件搭接間隙為1.0mm時，調(diào)整機器人軌跡，使焊絲在搭接理論位置，焊縫成形更好；板件搭接間隙為1.5mm時，調(diào)整機器人軌跡，使焊絲低于搭接理論位置-0.5～0mm，焊縫成形更好。為了更好地指導后續(xù)車型現(xiàn)場調(diào)試，整理了焊絲距離板件搭接理論距離與板件搭接間隙建議區(qū)間（見圖11），建議按照圖示虛線框區(qū)域開展調(diào)試工作。

圖11 焊絲距離板件搭接理論距離與板件搭接間隙建議區(qū)間示意

實施效果

上述對策實施后，焊縫熱影響區(qū)高度由8mm減小至5mm（見圖12），經(jīng)公司質(zhì)量工程師評價確認，板件反面變形減輕，部分焊縫無變形，焊縫合格率穩(wěn)定在95%左右（見圖13）。

圖12 焊縫熱影響區(qū)高度改善

圖13 焊縫合格率趨勢

結(jié)語

通過CMT焊工藝在天窗頂蓋薄板上的實際應用與研究，在產(chǎn)品設計、工裝設計、板件搭接間隙、焊接參數(shù)及機器人軌跡調(diào)試等方面開展了驗證并制定了解決措施，最終解決了變形問題；同時總結(jié)了其相關經(jīng)驗，梳理成標準，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)新車型開展設計及工藝調(diào)試工作提供了參考。