黃 興，黃仁果，覃建弄，韋樂(lè)俠，肖 翔

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)皮卡進(jìn)城路權(quán)逐步解禁，皮卡成為高預(yù)期的下一個(gè)藍(lán)海市場(chǎng)，目前行業(yè)現(xiàn)存者以及新興造車勢(shì)力都在紛紛布局。隨著國(guó)民生活水平不斷提升，皮卡產(chǎn)品全面高端化、乘用化，以長(zhǎng)城汽車為首掀起了獨(dú)特的皮卡越野文化。主流皮卡目前均采用非承載式車身的車架，擁有整套完整的獨(dú)立縱梁，具備超高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文主要通過(guò)試驗(yàn)研究，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)非承載式車架縱梁的焊接變形進(jìn)行多個(gè)維度的分析和控制手段的總結(jié)，目的在于為類似結(jié)構(gòu)的皮卡車架的縱梁開(kāi)發(fā)提供新的開(kāi)發(fā)思路和有效的解決方案。

1 縱梁結(jié)構(gòu)分析

某款皮卡車的縱梁總長(zhǎng)5m，焊接工藝過(guò)程將該縱梁劃分為前段縱梁焊接，中后段縱梁焊接，本文主要分析前段縱梁焊接。其中前段內(nèi)板、前段外板、吸能板直接沖壓成型，內(nèi)、外板對(duì)扣進(jìn)行合拼焊接，焊縫為對(duì)接焊縫，焊縫總長(zhǎng)約3.6m，該縱梁如圖1所示。

圖1 前段縱梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 焊接變形趨勢(shì)預(yù)判

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，內(nèi)、外板水平放置時(shí)存在高低差，外板板厚3.5mm，內(nèi)板板厚3.0mm，屬于厚板板料沖壓，會(huì)存在殘余應(yīng)力，沖壓出來(lái)之后內(nèi)、外板會(huì)存在一定的扭曲跟翹曲現(xiàn)象。另外一方面利用產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行CAE分析得出，焊接完成后，縱梁的后端變形量比前端嚴(yán)重，如圖2、圖3所示。

圖2 縱梁CAE變形量分析報(bào)告

圖3 縱梁CAE變形量分析報(bào)告

3 縱梁焊接夾具設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的車身點(diǎn)焊夾具通常比較輕便，重量輕、用料少、氣缸小，base板較薄，支基較高等特點(diǎn)，但是對(duì)于5m多長(zhǎng)的非承載式車架來(lái)講，以往的這些規(guī)格顯然無(wú)法抑制強(qiáng)大的焊接變形及產(chǎn)生的應(yīng)力。所以在夾具設(shè)計(jì)時(shí)要將base板做得足夠強(qiáng)壯，支基不能過(guò)高，某些情況使用雙層支基強(qiáng)度會(huì)得到更好的保證。于此同時(shí)，氣缸的夾緊力也顯得尤為重要，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較大的焊接變形，氣缸夾緊力不足會(huì)導(dǎo)致縱梁扭曲、翹曲。

該縱梁的夾具設(shè)計(jì)上有兩點(diǎn)與傳統(tǒng)的弧焊夾具截然不同，第一個(gè)是氣缸的選用。夾具安裝有7個(gè)SMC車架夾緊缸，采用全包圍的形式將前縱梁內(nèi)、外板扣合面緊緊壓住。采用這個(gè)氣缸有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）重復(fù)定位精度高，可采用利用夾持器的標(biāo)準(zhǔn)裝備，可高精度地再現(xiàn)夾持時(shí)夾臂的停止位置。

（2）抑制前縱梁蛇形變形，壓緊狀態(tài)單點(diǎn)可調(diào)，與此同時(shí)氣缸輸出壓緊力達(dá)到20000N，能夠壓彎個(gè)別位置，焊接前起到反變形作用，夾緊力如圖4所示。

圖4 氣缸夾緊力曲線圖

（3）焊接過(guò)程中死點(diǎn)機(jī)構(gòu)自鎖效應(yīng)，能夠限制變形，減小變形量。

（4）最終回歸到產(chǎn)品本身，工藝規(guī)劃前縱梁采用機(jī)器人焊接，對(duì)于零件的搭接間隙要求很高，產(chǎn)品理論設(shè)計(jì)0.5mm間隙，但是鑒于前縱梁S型并且?guī)в懈叩筒畹慕Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致沖壓成型比較困難，但是車架夾緊缸有足夠大的夾緊力可以使得搭接間隙較大的部位仍然可以被壓貼合，可以有效的保證焊接的焊縫質(zhì)量，焊接夾緊如圖5所示。

圖5 焊接夾緊示意圖

第二個(gè)是具有自動(dòng)反變形功能。車架焊接相比較于車身點(diǎn)焊件，弧焊焊接會(huì)產(chǎn)生巨大的焊接變形，焊接變形無(wú)法消除只能想辦法進(jìn)行控制，縱梁是整個(gè)車架關(guān)鍵的搭接框架，如果不能控制住縱梁變形就無(wú)法達(dá)到車架總成要求的尺寸精度。

自動(dòng)反變形夾具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6所示，base板上帶有四個(gè)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，每一個(gè)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由一個(gè)伺服電機(jī)跟頂升機(jī)組成，夾具的基準(zhǔn)及壓緊隨著模塊浮動(dòng)而浮動(dòng)。內(nèi)、外板裝件扣合后，平面跟側(cè)面全包圍全部夾緊到位，機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)定點(diǎn)固，使得工件變成一個(gè)具有一定整體結(jié)構(gòu)的剛性體。點(diǎn)定之后通過(guò)PLC程序控制私服電機(jī)進(jìn)行Z軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化反變形。人工只需在控制屏幕輸入對(duì)應(yīng)私服電機(jī)的位移方向跟行程即可，操作方便、快捷。于此同時(shí)，在頂升機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的行程精度主要由絲桿傳動(dòng)精度決定，然而絲桿傳動(dòng)精度是由絲桿與渦輪螺母和渦輪蝸桿的背隙決定，精度在0.15mm～0.2mm之間，比起人工調(diào)節(jié)墊片的傳統(tǒng)方式，精度得到極大的提升。

圖6 自動(dòng)反變形夾具簡(jiǎn)圖

4 縱梁焊接工藝

在布置縱梁焊縫的工藝時(shí)要遵循一些原則：對(duì)稱加熱，力求分散；均勻分布，切勿集中；先主后次，先短后長(zhǎng)[1]。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多輪的焊縫順序調(diào)整然后試焊，該縱梁焊完后進(jìn)行CMM測(cè)量，在縱梁上取13個(gè)測(cè)量點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)縱梁的焊接后變形仍然較大，最大變形有5.5mm，連續(xù)測(cè)量2臺(tái)數(shù)據(jù)表明變形量穩(wěn)定，如圖7所示。

圖7 兩臺(tái)CMM數(shù)據(jù)曲線圖

為了能夠保證該縱梁尺寸在公差范圍，滿足下一序整個(gè)車架的搭接匹配及其裝配尺寸，決定使用自動(dòng)反變形工裝對(duì)縱梁進(jìn)行焊后校型，第一次驗(yàn)證讓分布在測(cè)點(diǎn)1-6之間的1、2#私服電機(jī)垂直往下運(yùn)動(dòng)5mm，校型后測(cè)量發(fā)現(xiàn)變形量變化很小，之后分別輸入位移量10mm、15mm、20mm進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果數(shù)據(jù)表明：焊后校型有作用，但是校型量與輸入量呈正相關(guān)性很小，當(dāng)輸入5mm時(shí)帶來(lái)的變化量只有1mm左右，當(dāng)輸入量為20mm時(shí)帶來(lái)的變化達(dá)到4mm，但是很多測(cè)點(diǎn)無(wú)變化，無(wú)法有效達(dá)到目標(biāo)，焊后校型變化量見(jiàn)表格1所示，曲線如圖8所示。

表1 焊后校型的縱梁變形量

圖8 焊后校型的縱梁變形量曲線圖

通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，焊接完成后的縱梁剛性體太強(qiáng)，通過(guò)私服電機(jī)往下驅(qū)動(dòng)的拉力可以有輕微的校型效果，但是縱梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，私服電機(jī)的外力無(wú)法使已經(jīng)完全結(jié)合為一體的剛性框架再發(fā)生大的變化。于是吸取經(jīng)驗(yàn)，利用自動(dòng)反變形夾具對(duì)該縱梁進(jìn)行焊前反變形。在工件裝夾以后機(jī)器人進(jìn)行焊接點(diǎn)定，通過(guò)縱梁的變形數(shù)據(jù)來(lái)輸入不同的變形量并進(jìn)行焊接驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)際驗(yàn)證得出，當(dāng)1、2#伺服電機(jī)分別垂直往下運(yùn)動(dòng)7mm和10mm時(shí)，焊接出來(lái)的前縱梁變形量可以控制在1mm以內(nèi)，可以滿足下一序的零件匹配及車架的裝配要求。采用該方法進(jìn)行驗(yàn)證，連續(xù)采集了4臺(tái)縱梁的CMM數(shù)據(jù)樣本，變形量數(shù)值見(jiàn)表2所示，焊前預(yù)變形后，縱梁焊接變形量曲線如圖9所示，滿足尺寸要求，變形量控制在1mm以內(nèi)。

表2 焊前預(yù)變形之后的縱梁變形量

圖9 焊前預(yù)變形之后的縱梁變形量曲線圖

5 焊接變形原因分析

通常，將焊接變形分為兩類：總體變形與局部變形。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的這兩類變形是同時(shí)存在的[2]。

（1）縱梁受外力作用就會(huì)在其中產(chǎn)生內(nèi)力，其大小與外力相等，而方向相反。本身縱梁的板厚3.5mm，板料在經(jīng)過(guò)沖壓成型之后本身帶有一定的變形，所以說(shuō)縱梁在焊接前的沖壓?jiǎn)渭顟B(tài)已經(jīng)發(fā)生了變形。

（2）縱梁焊接時(shí)受熱膨脹，引起金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，特別是受熱不均勻時(shí)變形會(huì)更大，同時(shí)變形程度受單位時(shí)間內(nèi)的熱輸量影響較大，短時(shí)間內(nèi)縱梁的熱輸入量大即產(chǎn)生的焊接變形也會(huì)相應(yīng)的變大。

（3）縱梁在夾具上被車架夾緊缸全部夾緊合抱住，此時(shí)再均勻受熱時(shí)縱梁是不能夠自由的膨脹和變形，但是在實(shí)際生產(chǎn)中焊接完成后將工件取出，此時(shí)的工件不受外界條件的任何約束，冷卻過(guò)程也不均勻，根據(jù)金屬材料的熱脹冷縮的物理性能，此時(shí)的縱梁的外部尺寸會(huì)不斷的發(fā)生變化。

（4）縱梁在夾具上受力不均勻，垂直平面跟水平面的氣缸壓緊力大小不一，受力不均勻，當(dāng)3米多的焊縫在焊接時(shí)產(chǎn)生的橫向收縮跟縱向收縮不同且沒(méi)有規(guī)律。

（5）縱梁由內(nèi)、外板搭接扣合，沖壓件之間存在間隙，理論設(shè)計(jì)存在0.5mm，但是沖壓件很難做到所有的搭接邊間隙都是0.5mm，當(dāng)間隙值越大，焊接填充金屬就更多，產(chǎn)生的變形就越大，搭接間隙與變形量呈正相關(guān)性。

6 結(jié)束語(yǔ)

縱梁是整個(gè)車架的重要框架，所有橫梁及其他附屬支架都跟縱梁有直接的搭接匹配關(guān)系，縱梁的尺寸精度符合要求及穩(wěn)定性極其重要。

經(jīng)過(guò)對(duì)該縱梁的研究分析，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：（1）縱梁是整個(gè)車架的一部分，需要加深對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的理解，了解清楚匹配關(guān)系，主次關(guān)系，對(duì)結(jié)構(gòu)仔細(xì)分析；（2）縱梁夾具設(shè)計(jì)的氣缸選用、反變形方案尤為重要，自動(dòng)反變形夾具取代傳動(dòng)的調(diào)節(jié)墊片夾具能夠更精準(zhǔn)、更快速調(diào)試，大大地減少了人工調(diào)試時(shí)間；（3）焊接預(yù)變形的效果要明顯好于焊接后校正。