激光焊接中高強板零件的數據控制研究

文/李航，趙鋒，蘇傳義，董杰·中國第一汽車集團有限公司

德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20 世紀80 年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等沖壓件。激光焊的無縫焊接技術保證了汽車的安全性，進一步加強了車身結構，在車身結構中，提升框架強度的高強板零件在激光焊接中起著預變形的支撐作用，如果高強板零件的搭接尺寸不可控，將直接影響總成框架在激光焊接后的變形量不可控，直接影響總成尺寸關系，甚至影響整車外觀尺寸，為此我們在這里主要探討激光焊接中高強板零件在數據控制方面需要關注的問題。

激光焊接可以極大的提升焊接效率和精度，對于車身強度來講，使得車身框架焊合材料之間的粘連度更好，并且車身材料的損傷和變形更小，可以更好的保證焊接后車身框架的尺寸精度。在現有的車身框架中，為了減重減排，提升車身強度使用了很多的高強板材料，這些高強板材料在焊接分總成及總成的框架中起著A 面支撐的作用，鑒于高強板零件成形后的整體強度高于普板零件，這就意味著焊接后的整體變形量將沿著高強板的變形方向發展，顯現的結果就是焊接后的變形量放大了高強板零件回彈的數據偏差量，這樣一來激光焊接中高強板零件的數據控制將成為我們研究的一個重點方向，在這里我們將以轎車車門激光焊總成中的高強板零件窗框加強板為研究對象，研究如何更好的控制激光焊接中高強板零件的數據。

轎車車門窗框上部與側圍匹配段差超差問題

車門窗框上部焊接后彈性變形的狀態

某轎車車門激光焊接總成存在焊接后出現向車外的彈性變形，左右側存在的問題一致，位置相近，如圖1 所示，屬于不可接受的總成缺陷。車身裝配中必須通過人工校正，校正后整車匹配數據不一致，且嚴重影響生產頻次，必須對車門窗框上部焊接后彈性變形進行分析及控制。

圖1 車門窗框上部焊接后彈性變形狀態

車門窗框上部焊接后彈性變形問題分析

⑴ 焊接工藝分析。

車門內板窗框區域采用激光器進行點焊，該激光器具有較高的平均功率，當激光脈沖能量密度達到106W/cm2時，就會在被焊接金屬材料焊接界面上形成焊孔，小孔的形成條件得到滿足，從而就可以利用激光束進行深熔焊接。激光焊接的工裝采用立式焊接夾具，焊接夾具采用多點布置的焊接夾緊氣缸，該氣缸布置在S 基準面位置和多點SK 支撐位置，主基準面S/s 和主定位孔H/h 的基準孔面位置先壓緊，其他SK 順次壓緊，控制焊接件位置度后進行激光焊接，如圖2 所示。

圖2 車門窗框上部焊接工位示意圖

鑒于激光焊接夾具的工作特性，焊接夾具在理論設計的前提下，對相互搭接的待焊接零件的基準要求較高，同時對相互搭接的待焊接零件的尺寸均勻性要求較高。

⑵車門內板窗框區域回彈分析。

根據CAE 分析中門內板零件回彈分析，窗框B柱側立柱區域、窗框上梁區域，存在向車外的回彈，與焊接總成回彈方向一致，回彈量最大0.75mm；實際出件后，車門內板窗框區域回彈1.0mm，對焊接總成的回彈變形有貢獻度，如圖3 所示。

圖3 車門內板窗框區域回彈示意圖

車門內板窗框區域存在回彈，尺寸均勻性受到影響，平行差0.7mm，影響零件在焊接夾具中的夾緊后搭接位置，最終影響焊接變形量。

⑶車門窗框加強板窗框區域回彈分析。

根據窗框加強板零件實際出件回彈狀態分析，窗框B 柱側立柱區域、窗框上梁區域，存在向車外的回彈，與焊接總成回彈方向一致，回彈量最大1.4mm，對焊接總成的回彈變形有較大貢獻度，如圖4 所示。

圖4 窗框加強板窗框區域回彈示意圖

窗框加強板窗框區域存在回彈，尺寸均勻性受到影響，平行差1.2mm，影響零件在焊接夾具中的夾緊后搭接位置，同樣影響焊接變形量。

⑷車門總成強度分析。

車門內板設計中，材料為ST17，料厚0.7mm，屬于沖壓普通板料中成形性比較好的材料，成形后整體強度不高；窗框加強板設計中，材料為ST280，料厚0.9mm，屬于沖壓高強板中成形性較好的材料，成形后整體強度較高；焊接總成的強度將會因為窗框加強板的強度而大幅度提升。

前面分析中已經確認車門內板和窗框加強板的回彈方向一致(向車外回彈)，而窗框加強板窗框B 柱側立柱區域、窗框上梁區域回彈量比車門內板相應區域的回彈量大(回彈差值0.4mm)，在理論焊接狀態下，車門內板窗框B 柱側立柱區域、窗框上梁區域在焊接后將隨著窗框加強板的回彈方向繼續向車外回彈，如圖5 所示，焊接總成的回彈出現不穩定的放大趨勢。

圖5 窗框加強板零件強度影響焊接總成回彈的示意圖

窗框加強板的強度大大提升了焊接總成的強度，同時也體現出高強板零件回彈對焊接總成的回彈穩定性的影響很大。

⑸檢測基準分析。

①車門內板檢測基準分析。車門內板檢測方向與沖壓件的成形方向相反，檢測定位孔如圖示中的紅圈位置，檢側支架的檢測方式模擬裝車狀態(顯示車外側)，如圖6 所示。

圖6 車門內板檢測基準示意圖

②窗框加強板檢測基準分析。窗框加強板檢測方向與沖壓件的成形方向相反，檢測定位孔如圖示中的紅圈位置，檢具的檢測方式模擬裝車狀態(顯示車外側)，如圖7 所示。

圖7 窗框加強板測量基準示意圖

③焊接總成檢測基準分析。焊接總成檢測方向與車門內板檢測方向一致，與窗框加強板檢測方向一致，與裝車方向一致，檢測定位孔應用的是車門內板的定位基準孔，見圖8 中的紅圈位置，檢具屬于復合檢具，既可以檢測焊接總成，還可以檢測車門總成，檢測方式模擬裝車狀態(顯示車外側)。

圖8 門板總成測量基準示意圖

根據以上零件基準的對應分析，窗框加強板零件屬于單動模具的正向成形出件，檢具檢測為反向檢測，然后正向搭接焊接。受理論回彈趨勢的影響，將直接影響激光焊接后回彈變形量。

⑹車門內板和窗框加強板搭接基準分析。

車門內板與窗框加強板搭接基準孔和基準面屬于轉換基準搭接。①車門內板搭接的基準孔和面在車身中位置度(X/Y/Z)方向的檢測公差±0.5mm。②窗框加強板搭接的基準孔在車身中位置度(X/Z)方向的檢測公差，H 的Z 向為±0.05mm，h 的X 向為±0.3mm，h 的Z 向為±0.05mm，缺少車身Y 向的基準控制。

窗框加強板檢具設計中沒有設計基準孔和基準面同軸的孔帶面設計，搭接的基準面在窗框加強板中無車身Y 向位置度檢測，只是依靠SK 基準面進行車身Y 向控制，無法確認窗框加強板的真實回彈量，也就無法確認現有檢具夾緊狀態下的零件數據可以進行總成焊接，存在不可控尺寸影響，如圖9 所示。

圖9 門內板和窗框加強板搭接基準示意圖

綜合以上原因分析，得出以下結論，激光焊接對焊接零件的基準要求較高，同時焊接零件的尺寸均勻性直接影響可控的焊接變形量；鑒于窗框加強板這個高強板零件的回彈直接影響焊接總成數據的方向，如果焊接件的基準設計存在轉換基準變化，焊接變形量的變化更難控制，這就要求焊接件的尺寸均勻性必須控制在理論公差±0.5mm 以內；要想控制焊接件的尺寸均勻性，焊接件的基準必須是(X/Y/Z)三個方向可控，該車門總成中窗框加強板的檢測基準面就存在車身Y 向控制的缺失，缺失方向與車門窗框區域焊接后回彈變形方向一致，意味著窗框加強板存在不可控的尺寸變化，為了更好的控制車門總成焊接后的尺寸回彈變化，需要控制車門總成中高強板零件窗框加強板的基準穩定性及尺寸均勻性。

方案實施及效果確認

總體方案

通過分析結論可知，焊接夾具在理論設計的前提下，控制車門總成激光焊接后出現的向車外的彈性變形量，首先要解決車門內板的尺寸均勻性問題，然后研究解決車門總成中高強板零件窗框加強板的基準穩定性及尺寸均勻性，具體方案見表1。

表1 實施方案

⑴穩定車門內板尺寸均勻性，車門內板窗框區域尺寸修正。根據車門內板三坐標檢測數據，確認窗框區域回彈變形量，以窗框尖角區域提取最大回彈量0.75mm，對整形模具型面進行必要的修改，穩定車門內板尺寸均勻性，尤其是穩定窗框區域尺寸，如圖10 所示。

圖10 車門內板窗框區域回彈量確認示意圖

⑵確認高強板零件窗框加強板的基準穩定性問題，穩定窗框加強板零件基準面。對窗框加強板拉延模具及整形模具進行型面著色確認，確認窗框加強板檢測基準面的平度以及角度的合格穩定。

⑶解決高強板零件窗框加強板檢測基準控制方向缺失的問題，修改窗框加強板檢具中檢測基準。對窗框加強板檢具進行修改，在原有的定位孔(H/h)位置進行孔面同軸基準的修改，增加定位孔位置的車身Y 向支撐，控制窗框加強板在車身Y 向的位置，如圖11 所示。

圖11 窗框加強板定位方式修改示意圖

⑷進行高強板零件窗框加強板的尺寸均勻性修正。檢具修改完成后，確認窗框加強板整體數據，提取精準的窗框區域自由回彈數據，進行整形模具修改，修正窗框加強板尺寸均勻性。

⑸穩定車門內板和窗框加強板的出件狀態。批量驗證車門內板和窗框加強板的出件穩定性及數據穩定性。

⑹激光焊接總成出件確認，車門總成出件確認。

焊接夾具在理論設計的前提下，消除車門內板窗框區域數據不均勻的影響，控制窗框加強板零件基準的合理狀態，通過修改窗框加強板檢具檢測基準的支撐夾持設計，增加窗框加強板檢測基準穩定性，提取窗框加強板真實的回彈變形量，并進行合理的尺寸均勻性修正，批量出件后激光焊接，車門總成窗框區域回彈量控制在小于0.8mm，已經滿足批量穩定生產的數據目標。

結束語

存在搭接基準轉換的車門激光焊接總成，由于搭接零件強度不同，在消除了主體件尺寸不均勻問題后，主要關注高強板搭接零件的基準合理性，關注高強板搭接零件的尺寸均勻性，高強板搭接零件檢測基準盡量使用孔帶面的同軸基準進行搭接方向的位置控制，可以更好的控制激光焊接中高強板零件的數據合理性，從而消除高強板零件對激光焊接總成數據的影響。