于欣

摘要：汽車輕量化能夠有效節(jié)約油耗和減少?gòu)U氣排量，鋁及鋁合金材料的特點(diǎn)及性能優(yōu)勢(shì)使其成為當(dāng)今社會(huì)汽車輕量化的首選材料。現(xiàn)階段鋁及鋁合金材料的連接方式主要為熔化焊，焊接過(guò)程中需使用大量的工裝夾具輔助生產(chǎn)。焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)要符合鋁及鋁合金熔化焊的工藝特點(diǎn);夾具定位要簡(jiǎn)單，最大化實(shí)現(xiàn)鋁合金焊接的可操作性;同時(shí)避免過(guò)定位，方便工件裝卸。介紹了鋁及鋁合金的幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用工裝夾具的設(shè)計(jì)形式，以及終驗(yàn)收時(shí)焊接工裝夾具可行性試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

關(guān)鍵詞：焊接工裝夾具;輕量化;熔化焊

中圖分類號(hào)：TG 146.2⁺1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，汽車產(chǎn)銷和保有量出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，降低汽車燃油消耗量及廢氣排放量成為了世界各汽車制造商追求的目標(biāo)之一。研究表明，汽車燃油消耗量與整車的質(zhì)量密切相關(guān)，因此節(jié)能減排的一項(xiàng)有效措施就是降低汽車的質(zhì)量。一般情況下，汽車質(zhì)量每減輕1kg，就能節(jié)省汽油0.7L。同時(shí)，也減少了大氣中CO₂的排放量，車身質(zhì)量減少50%，CO₂的排放量就會(huì)減少13%，同時(shí)也減少了其他有害物質(zhì)如氮化物、硫化物等的排放，對(duì)改善環(huán)境起到了很大的作用。

車身開(kāi)發(fā)主要分為設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)階段，工裝夾具設(shè)計(jì)和制造是車身制造的關(guān)鍵技術(shù)。在車身設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮車身制造過(guò)程中的各種工藝因素，同時(shí)考慮工裝夾具制造的可行性，可避免在工裝夾具制造和車身制造過(guò)程中出現(xiàn)大量工藝問(wèn)題。汽車車身骨架的焊接工藝和焊接工裝夾具設(shè)計(jì)是汽車制造與加工過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，只有把握焊接和制備工裝夾具的關(guān)鍵技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)車身骨架的穩(wěn)固和美觀。

1輕量化轎車白車身

1.1 轎車白車身的定義

車身是指未涂裝前的焊接車身總成。因?yàn)楹附榆嚿砜偝梢话愣际且恍╀X合金擠壓型材和鑄鋁，而且很多覆蓋件都是銀白色的鋁壓延材，所以稱為輕量化轎車白車身。

1.2 車身焊接工裝夾具的定位原則

車身零件在定位時(shí)，焊接工裝夾具一般要準(zhǔn)確地給其進(jìn)行定位以保證兩個(gè)或兩個(gè)以上車身零件之間的相互位置關(guān)系?；径ㄎ辉瓌t要符合3-2-1規(guī)則，即零件在空間中有6個(gè)自由度，沿3個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)和繞3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，用符號(hào)x（旋轉(zhuǎn)），y（旋轉(zhuǎn)），Z（旋轉(zhuǎn)）表示。如果限制了零件的6個(gè)自由度，則其在空間就有一個(gè)完全準(zhǔn)確的位置。采用6個(gè)按一定規(guī)則布置的約束點(diǎn)可以限制零件的6個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)完全定位，稱為6點(diǎn)定位原理，圖2為3-2-1規(guī)則示意圖。

定位裝置有定位和夾緊的作用，分為手動(dòng)和氣動(dòng)兩種夾緊方式。定位裝置的設(shè)計(jì)布置要科學(xué)，保證焊槍的順利進(jìn)入和焊縫的可焊性良好。在滿足上述條件的前提下，盡量用少的定位裝置來(lái)完成定位夾緊的功能。

1.3 全球尺寸和公差

全球尺寸和公差（global dimensioning and toler-ancing，GD&T）包含尺寸標(biāo)注方法和幾何公差兩大部分。

尺寸標(biāo)注僅是一種表達(dá)方式，而幾何公差是GD&T文件的主要內(nèi)容，它是設(shè)計(jì)思路（定位方式）的表達(dá)，工裝夾具設(shè)計(jì)的依據(jù)，零件重要特征的粗略定義。通常的車身零件基準(zhǔn)需將6個(gè)自由度完全約束，一般為3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)確定一個(gè)面，進(jìn)而約束3個(gè)自由度，一個(gè)雙向定位銷約束2個(gè)自由度，一個(gè)單向定位銷約束1個(gè)自由度，因此工裝夾具設(shè)計(jì)時(shí)需要將產(chǎn)品的GD&T信息準(zhǔn)確輸入。

2 鋁合金連接技術(shù)

2.1 車身連接技術(shù)

車身材料及車身位置不同，相應(yīng)的連接技術(shù)也有所不同。目前比較常用的輕量化連接技術(shù)為熔化焊、激光焊、自沖鉚、鋁點(diǎn)焊及粘接技術(shù)。各種連接技術(shù)的簡(jiǎn)單示意圖如圖3所示。其中，熔化焊是應(yīng)用最廣泛的鋁合金連接方法。

2.2 過(guò)渡連接方式

鋁型材腔內(nèi)可植入高強(qiáng)度內(nèi)螺紋鋁套筒，如圖4所示。該套筒采用熔化焊的方式連接型材上下兩個(gè)端面，使型材兩個(gè)端面共同承受載荷，同時(shí)在型材腔內(nèi)有加強(qiáng)筋的作用。

3 焊接工裝夾具設(shè)計(jì)應(yīng)用與驗(yàn)收

3.1 工裝夾具基本結(jié)構(gòu)

工裝夾具的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，伺服電機(jī)帶動(dòng)基板360°翻轉(zhuǎn)，基板承接控制單元的定位裝置，氣缸帶動(dòng)壓塊壓緊零件，控制按鈕控制整個(gè)設(shè)備，定位銷定位零件，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)零件是否裝配到位。

3.2 典型鋁合金焊接結(jié)構(gòu)工裝設(shè)計(jì)介紹

3.2.1套筒類定位工裝

鋁合金車身套筒連接結(jié)構(gòu)現(xiàn)已被應(yīng)用于車身，受到操作空間和結(jié)構(gòu)的限制，套筒焊接需采用鎢極氬弧焊，但套筒材料較厚，與型材焊接時(shí)需要較大的熱輸入，熱量會(huì)導(dǎo)致零件變形，所以需選擇CKZ3T63以上壓緊力的氣缸，確保有足夠的壓緊力，套筒定位單元示意圖如圖6所示。本設(shè)計(jì)添加二次開(kāi)啟功能和異形壓緊塊，壓緊塊選用Cu-Cr-Zr合金，增強(qiáng)散熱。

3.2.2梁與柱封板類結(jié)構(gòu)定位工裝

在梁與柱類結(jié)構(gòu)端部增加封板類結(jié)構(gòu)，可有效地提高型材工件的抗扭強(qiáng)度和密封性。為了保證密封效果，不能在封板上設(shè)計(jì)定位孔，需設(shè)計(jì)Z向可調(diào)的定位抓手類定位單元來(lái)定位封板，同時(shí)采用兩個(gè)較長(zhǎng)的托塊托舉封板，并用可調(diào)壓塊壓緊封板，可采用滑動(dòng)的手持伸縮氣缸來(lái)控制封板定位抓手，封板定位單元示意圖如圖7所示。

3.2.3加強(qiáng)斜梁支撐類結(jié)構(gòu)定位工裝

圖8為斜梁支撐定位單元示意圖。斜梁支撐結(jié)構(gòu)顯著提高了鋁合金結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，一般銳角的斜支撐內(nèi)部不滿足焊接操作空間，無(wú)法完成高質(zhì)量焊縫焊接，由于定位不能采用死定位，選擇“『”型定位塊推緊零件，方便零件裝卸，側(cè)面選擇滑動(dòng)氣缸和活動(dòng)定位塊。

整體工裝夾具需要增加防錯(cuò)、防漏功能，手持氣缸需有壓緊到位傳感器，部分難卸下零件的工裝夾具需有舉升裝置，方便卸下零件。設(shè)置“導(dǎo)電刷”，避免焊機(jī)R線的電流直接通過(guò)翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和軸承而導(dǎo)致電流短路損壞電機(jī)和軸承。制定焊接工藝流程時(shí)，盡量選擇在工裝夾具上完成焊縫焊接。

3.3 夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

夾具體是工裝夾具的基本單元，即將夾具的各種元件、機(jī)構(gòu)和裝置連接成一個(gè)整體。夾具體的形狀和尺寸主要取決于夾具各組成件的分布位置、被定位工件的外形輪廓尺寸以及加工條件等。在設(shè)計(jì)夾具體時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）具有足夠的強(qiáng)度和剛度，穩(wěn)定牢靠;

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單緊湊，體積小、質(zhì)量輕和便于工件裝卸;

（3）結(jié)構(gòu)的工藝性好，便于制造、裝配和檢驗(yàn);

（4）尺寸更穩(wěn)定且具有一定精度;

（5）清理方便。

3.4 工裝夾具主要驗(yàn)證方式

3.4.1工裝定位剛性負(fù)載驗(yàn)證

預(yù)驗(yàn)收時(shí)需對(duì)活動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)的定位銷和活動(dòng)定位基準(zhǔn)面進(jìn)行重復(fù)定位精度測(cè)量。按照對(duì)定位銷和定位基準(zhǔn)面分別施加10和20kg負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行每個(gè)方向各10次的重復(fù)性測(cè)量，其中活動(dòng)機(jī)構(gòu)每次運(yùn)動(dòng)都要測(cè)量，施加負(fù)載后的偏差值控制在±0.3mm為合格。

3.4.2定位一致性驗(yàn)證

活動(dòng)定位部件在夾具上反復(fù)動(dòng)作定位10次，利用三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)工件或夾具的特征點(diǎn)位置（根據(jù)實(shí)際情況選取，數(shù)量不低于5個(gè)），對(duì)每個(gè)點(diǎn)的偏差進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，每點(diǎn)變化量<0.2mm時(shí)，夾具定位一致性滿足要求，具體包含定位抓手和大型翻轉(zhuǎn)定位部件（CKZ3T80及以上氣缸驅(qū)動(dòng)）。

相互配合的零件定位完成后，在相互配合面的位置打若干個(gè)共用孔（位置根據(jù)實(shí)際情況選取，數(shù)量不低于5個(gè)），夾具反復(fù)工作5次，分別測(cè)量共用孔的變化，每次測(cè)量孔徑偏差≤0.5mm為合格。

3.4.3產(chǎn)品驗(yàn)證試驗(yàn)

批量生產(chǎn)前每套工裝夾具需焊接10套工件作為試驗(yàn)件，焊后需對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行焊縫編號(hào)，對(duì)焊縫進(jìn)行低倍檢測(cè)，如圖9所示，滿足焊接熔深要求方可證明焊接用工裝的可行性。

4 總結(jié)

鋁合金作為輕量化新能源汽車的主要材料，廣泛應(yīng)用到車身的各個(gè)位置。由于車身構(gòu)件多以擠壓型材為主，而擠壓型材經(jīng)過(guò)折彎、機(jī)加工、沖壓等工藝加工后會(huì)影響材料尺寸的一致性，同時(shí)鋁合金焊接時(shí)的專用設(shè)備操作空間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼件焊接的空間，所以在鋁合金焊接工裝的設(shè)計(jì)上應(yīng)避免過(guò)定位，少用“死”定位，盡量選擇“活”定位，可以多選用二次壓緊和二次開(kāi)啟命令。工藝拆分要更精細(xì)合理，工裝終驗(yàn)收時(shí)要做充分試驗(yàn)驗(yàn)證。