皮卡车架焊接精度控制方法研究

陈岩

（广东福迪汽车有限公司 528225)

0 引言

在汽车行业，关于白车身焊接精度研究较多，主要应用车身精度偏差源的研究办法。白车身焊接工艺主要是电阻点焊及激光焊等技术，对于焊接变形的影响甚微。车架主要以3 mm以上的厚板为主，焊接主要是CO2焊接，焊接变形较大。虽然我国皮卡发展已经近20年，但在车架焊接精度控制方面的研究较少，未形成系统[1]。目前国内关于皮卡车架焊接精度的研究，主要方向在自动化、多平台化生产等方面。车架焊接精度控制方法的研究，是在中国皮卡市场不断发展及深入迫切需要车架精度控制技术得到提升的前提下提出的。考虑影响精度的各种因素对车架焊接精度方法研究，提升焊接精度，为皮卡整车性能的提升打下良好的基础。整车技术的进步，离不开零部件品质的提升，车架焊接精度控制方法的研究，必将是企业长期坚持的研究方向。

1 车架焊接精度控制办法

导致车架焊接变形的因素很多，主要归结有定位基准、零件质量、焊接夹具、焊接工艺、工艺人员、物流级测量方法等。基于偏差流理论的车架焊接精度偏差控制方法如图1所示。

图1 车架焊接精度偏差控制方法

1.1 定位基准系统

定位基准系统（RPS）。定位基准设计是精度控制方法的基础工作，其作用是保证零部件在焊接、装配和检测过程中的定位稳定性和状态一致性，保证车身、零部件各尺寸链上有功能性要求的特征孔、面及切边位置精度受到控制[2]。对于汽车柔性零件的定位，如果仅靠六点定位规则将无法保证由于薄板零件柔性所产生的变形问题，因此通常采用工件表面或型面过定位的方式进行定位。当零件尺寸比较吻合，过定位支撑与零件间存在合理间隙范围内，过定位支撑可以起到检验零件的作用；同时，在夹具和检具的定位上，还可以起到减少零件变形的作用。

因此，“3+2+1”定位原则在汽车的定位系统里演变为“N+2+1”的定位原理[3]。定位基准的设计原则为：根据零件主要特性需求和功能尺寸要求，考虑制定关键控制要素；按照“N+2+1”原则确定零件基准系统的基准孔和基准面；根据焊装工艺性考虑基准孔和基准面能否满足功能尺寸的精度要求；考虑基准的传承性及基准面的位置一致性。从零件到总成，基准点越来越少，但是尽量保持某几个基准一直可以继承下去，使公差传递量最小。

1.2 冲压件技术分析方法

起皱、开裂和回弹是冲压成形主要的3种缺陷，其中回弹是最难控制的因素。在弯曲成形和拉深成形工艺中，回弹现象比较普遍。车架的冲压工艺，主要以弯曲成形为主，弯曲成形过程主要分4个阶段：弹性弯曲、弹-塑性弯曲、塑性弯曲和校正[4]。为解决回弹问题，很多模具厂家使用CAE分析和预变形处理[5]。冲压件尺寸误差分析如图2所示。

图2 冲压件成形精度控制

1.2.1 零件回弹原因分析

影响回弹的因素主要有材料的力学性能、材料的相对弯曲半径、弯曲工件的形状、模具间隙和校正力。回弹的大小通常用角度回弹量Δθ，曲率回弹Δρ来表示[6]。角度回弹是指模具在闭合状态时，工件弯曲角θ与从模具中取出后工件的实际角度θ0之差，如公式1所示。

曲率回弹是指模具在闭合状态时，压在模具中工件的曲率半径ρ与从模具取出后工件的实际曲率曲率半径ρ0之差，如公式2所示。

影响回弹量的因素主要有：材料的力学性能，回弹角的大小与材料的屈服点σs成正比，与弹性模量成反比。材料的相对弯曲半径为R/t（t为材料厚度），当其他条件相同时，R/t值越小，则Δθ/θ和Δρ/ρ也就越小。弯曲工件的形状，一般U形件比V形件的回弹角要小，回弹与工件弯曲半径也有关系，当比值R/t小于0.2～0.3时，则回弹角可能为零，甚至达到负值。模具间隙，U形弯曲的凸模、凹模单边间隙Z/2越大，则回弹角越大，当Z/2小于t时，可能产生负回弹。校正力，增加校正力可减少回弹量。综上所述，由于影响回弹数值的因素很多，而且各因素往往又相互影响，故难以进行精确的计算或分析。

1.2.2 解决零件回弹的方法

弯曲成形加工产生回弹是必然的，只有利用CAE分析明确回弹量采取必要的措施进行解决。如上所述回弹大小与弯曲的方法及模具结构等因素有关，消除回弹常用的方法有2种：补偿法和校正法[7]。

补偿法要预先估算或实验出工件弯曲后的回弹量，在设计模具时，要使工件的变形超出原设计变形，冲压回弹后所需要的形状。解决回弹量有2种措施：其一是使凸模向内侧倾斜形成角Δθ；其二是使凸凹模单边间隙小于板料厚度。凸模将板料压入凹模后，利用板料外侧与凹模的摩擦力使板料的两侧都向内紧贴凸模，从而实现回弹补偿。

校正法是在模具结构上采取措施，让校正压力集中在弯角处，使其产生一定的塑性变形，克服回弹。当弯曲区材料压缩量变为板厚的2%～5%时，校正的效果较好。校正在冲压模具工艺时，通常在弯曲成形工艺后保留此工序，也叫侧整形。车架的纵梁和横梁等零件，均采用“预成形+侧整形”的两次成形工艺。通过实践验证，两次成形工艺非常适合车架纵梁和横梁等厚度超过3 mm以上的零件。

1.3 焊接工艺

车架的焊接变形主要以纵向变形引起的挠曲变形为主，车架前后两端最远位置焊接变形较大。预防焊接变形工艺措施主要有2种：合理选择焊接方法和规范；选择合理的装配焊接顺序。

合理选择焊接方法和规范。焊接电流、电弧电压、焊丝送丝速度及保护气体流量等，是CO2焊接的主要工艺参数。CO2焊接最主要的是热量，根据Q=UIT，热量越大变形量就越大，而热量小又无法形成良好的焊缝。因此，首先需选定合理的电压、电流及焊接时间。其次，由于保护气体影响焊道形状和咬边等质量特性，需选择合适的保护气体流量[9]。通过参考焊接手册及大量试验，针对车架焊接，不同板厚的焊接电流、电弧电压及气体流量等焊接工艺参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数表

选择合理装配焊接顺序。以车架中后段副梁焊接总成（3 m）为例进行了一组试验，仅有焊接夹具定位及支撑，无夹紧的情况下，按照图3中的4种焊接顺序完成单边焊缝。4种焊接均以两端翘曲变形为主，图3中a～d两端翘曲分别为约30 mm、50 mm、60 mm和100 mm。综合比较，在长度较长时，通常是1 m以上的单边焊缝，建议使用如图3中a所示的焊接顺序完成焊接。

图3 焊接顺序图

1.4 焊接夹具

焊接夹具的功能是为了实现车身零件的正确定位。汽车焊接夹具设计分概念设计阶段、结构设计阶段和详细设计优化阶段。概念设计阶段，根据输入的车身零件的焊接特征，在系统进行相似焊接实例检索、收集和提交，生成初始设计方案集，供设计者选择。结构设计阶段，根据设计者所选择的初始设计方案进入下一步的焊接夹具结构设计。关于焊接夹具设计的主要研究集中在零件正确定位，即选择最优定位点数并确定最佳位置，以实现正确的约束定位。“N+2+1”定位原理比刚性件“3+2+1”定位原理更加适合汽车焊接夹具定位，利用有限元分析和非线性规划方法，找到最优的“N”定位点，使零件变形最小[10]。

焊接夹具的规范包括：车架总成夹具的BASE板要求采用Q235-A钢板，厚度不低于30 mm，纵梁分总成和车架总成夹具的支撑座、型板厚度不能小于30 mm，其余夹具厚度不能小于19 mm；夹具所有定位压紧块的宽度采用45钢，表面淬火硬度为HRC40-45，定位销材质采用40Cr，淬火硬度为HRC50-55，表面采用镀硬铬处理，所有定位块/支撑面需可调整，考虑车架的变形量较大，需统一预留8 mm调整垫片；纵梁总成、横梁总成焊接时，要求两侧面全长压紧，压板宽度约为30～40 mm，间距为250 mm；车架气缸具有自锁功能，防止零件焊接过程中因受热膨胀导致夹紧块回缩；主线上车架至少需要翻转1次，为保证车架定位基准一致，要求主线所有夹具增加纵梁侧面定位孔的检测销；夹具结构应有克服或减少焊接变形的措施，车架总成和纵梁等大件的夹紧采用増力夹紧自锁机构，保证零件始终夹紧到位；使用独特的自锁机构为夹紧器提供强大夹紧力，有效抵御焊接变形（图4）；校正夹具采用液压夹紧并应有增力夹紧自锁装置，车架校正夹具在车架主线上按照100%的频率进行校正，校正车架纵梁Z方向尺寸。

图4 自锁机构

1.5 人员

车架焊接以CO2焊接为主，人员的因素是制造过程最大变化的因素。因此，在研究车架焊接精度控制方法时，必须对人员的管理进行适当的分析。从车架的工艺结构及企业投入经济性出发，车架焊接仍需一定的人工焊接来完成。凡有人操作的地方都需要相应的技能要求，只有工艺人员清晰本工序的操作要点，才能做出优质的产品，避免因技能不足上岗操作导致不良品的出现。因此，技能培训、人员变化的管理办法，是车架精度保障的重要环节。

员工技能培训需要从CO2焊接基本知识、CO2焊接设备、焊接夹具、操作技能、焊接质量判断及过程记录等进行全面的培训以及评价。人员变更时，需要重新培训及考评。

1.6 生产物流

皮卡车架主要有2种特点：第一，生产纲领普遍偏低；第二，长纵梁与长横梁的结构焊接性好，单工序焊接时间短。基于这2种特点，皮卡车架的布置一般采用以下方式：主线从纵梁分总成开始，到车架焊接总成、校正和冲孔，呈一字型布置，就是通常讲的车架主焊线；分总成以机器人焊接工作站的形式进行布置，通常以2根横梁总成为一个工作；支架分总成类焊接手工焊接工作为主，集中焊接布置的方法。

车架的生产过程为“冲压——库房——焊接分总成——焊接总成”，3次搬运均需要专用的器具来完成。装载量过多、器具设计不合理及摆放不合理等均会造成零件的变形。为做好装置器具，装载器具应具备如下的技术要求：主体框架，要求采用Q235材质管状型材组合装配焊接而成；工装器具主体框架装配焊接，需采用定位精准的工装辅助，要求使用电弧焊，不得使用CO2焊接、氩弧焊等焊接工艺，焊后退火消除应力；堆码装置要求强度能满足8 T的承载；支撑脚座和护铲装置采用Q235，料厚度应大于等于5 mm，吊钩和吊环采用Q235材质的锻造件，直径要求在18 mm以上。

1.7 测量方法

车架测量的主要检测设备有检具、三坐标测量系统（CMMS）、三维激光扫描仪等。检具是检查和验证产品是否合格的不可缺少的工艺装置之一，它应能明确反映出产品各部位是否合格及是否存在误差。

检具技术要求：总成检具采用方钢焊接框架底座结构，底板厚度要求10 mm以上，对于局部容易磨损的部位要求采用金属防磨损结构；定位面及支撑面材料采用采用SKD61或相当材料，其结构必须采用可拆卸式结构，断面规材料采用钢板，厚度需大于10 mm，其结构要求选用旋转结构，定位销、圆柱销、划线销及销套的材料采用SKD61材料或相当材料，表层硬度HRC45-50；检具工作型面的精度误差应小于0.20 mm，所有用于被测零件的定位基准在检具上的位置公差都必须限制在±0.10 mm以内，所有用于被测的零件包括检验销和导套，在检具上的位置公差都必须限制在±0.15 mm以内，用于内部线条/塞片检验的表面轮廓特性在检具上的位置公差都应该限制在±0.15 mm以内。

根据车架质量检查法，利用车架检具，对车架总成的装配安装孔位、重要型面进行检测，以合格率评价车架的质量水平，合格率是符合点与总测点的百分比。车架质量检查法的编制要严格按照GD/T、RPS的信息进行编制，这2份文件明确定义定位基准和公差要求。车架关键点的测量值，需要100%符合，全部测点要求90%符合。

2 结束语

定位基准的应用，减少因基准转换造成的误差，机器人自动化焊接技术，保证焊接过程的稳定性。在刚性固定法和反变形法的指导下，研究车架焊接夹具的结构，研究车架焊接夹具定位点的选定，研究夹具夹紧力，能有效解决车架的焊接变形，在车架焊接精度控制上非常有效。近些年，中国汽车市场各种车型均得到快速增加，但皮卡的市场占有率还不高，仍有很大的发展空间。关于皮卡车架焊接精度控制的研究，对皮卡车型在未来的发展具有重要的意义。