徐永吉，王利波

1.屹豐汽車(chē)科技集團(tuán)有限公司 上海 200949

2.凱里學(xué)院理學(xué)院 貴州凱里 556011

1 序言

隨著汽車(chē)輕量化的提出，材質(zhì)22MnB5的熱成形超高強(qiáng)鋼零件在車(chē)身上的使用比例逐步增大，且作為輕量化車(chē)身的優(yōu)選鋼種，如寶馬X5車(chē)型使用的熱成形鋼在白車(chē)身重量占比已達(dá)55%。在汽車(chē)行業(yè)中，為提升車(chē)輛正面碰撞能力，A柱內(nèi)板通常由兩塊熱成形鋼板組合，稱(chēng)為Patch Work（中文名：補(bǔ)丁板）[1]。制作補(bǔ)丁板，需在料片狀態(tài)下進(jìn)行點(diǎn)焊，由于其長(zhǎng)寬尺寸比例大，導(dǎo)致剛性較差，所以在實(shí)際焊接生產(chǎn)過(guò)程中存在技術(shù)難點(diǎn)。

因此，本文結(jié)合汽車(chē)零部件的焊接夾具和工藝開(kāi)發(fā)流程經(jīng)驗(yàn)，主要闡述某車(chē)型A柱熱成形補(bǔ)丁板點(diǎn)焊所用的夾具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中點(diǎn)焊工藝的開(kāi)發(fā)。

2 A柱補(bǔ)丁板生產(chǎn)工藝流程

汽車(chē)行業(yè)所謂的補(bǔ)丁板，一般是由兩塊板在料片狀態(tài)下使用點(diǎn)焊機(jī)連接成一體，然后再通過(guò)熱壓成形，滿(mǎn)足產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求，其工藝流程如圖1所示。若采用兩塊鋼板在熱成形后再進(jìn)行組合焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則會(huì)有以下缺點(diǎn)：①與補(bǔ)丁板結(jié)構(gòu)相比，會(huì)多使用一套制造加強(qiáng)板的沖壓模具，既增加物料成本，又增加零件成形制造節(jié)拍。②從焊接方面講，鋼板在熱成形前，焊接性?xún)?yōu)于成形后狀態(tài)，且零件熱成形后，因內(nèi)外板存在制造誤差，如間隙超差，則會(huì)造成零件焊接困難，所以容易產(chǎn)生焊接質(zhì)量缺陷，如虛焊、熔核小等問(wèn)題。

圖1 補(bǔ)丁板生產(chǎn)工藝流程

某車(chē)型A柱使用鋼板材料牌號(hào)為HS1300T/950YAS60，其主板料厚1.2mm，加強(qiáng)板料厚1.4mm，板材均為鋁硅鍍層鋼板，外形如圖2所示。主板料片長(zhǎng)度達(dá)到1273mm，寬度僅127mm。主板件表面積大于加強(qiáng)板，且其主定位孔為圓孔，副定位孔為長(zhǎng)圓孔。在補(bǔ)丁板材料使用中，一般不使用無(wú)鍍層鋼板，主要原因是兩塊無(wú)鍍層鋼板貼合點(diǎn)焊后，需經(jīng)過(guò)960℃左右高溫輥體爐加熱，在模具中冷卻保壓后，零件表面會(huì)出現(xiàn)大量氧化皮，并且?jiàn)A雜在兩個(gè)料片中間，即使后續(xù)增加拋丸工序處理，但也無(wú)法徹底清除氧化皮。另外，零件長(zhǎng)時(shí)間存放會(huì)使零件生銹，且內(nèi)部氧化皮也影響零件后續(xù)焊接質(zhì)量。

圖2 補(bǔ)丁板料片

3 補(bǔ)丁板點(diǎn)焊夾具開(kāi)發(fā)

點(diǎn)焊夾具開(kāi)發(fā)過(guò)程要綜合考慮零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)、夾具設(shè)計(jì)原則及人機(jī)工程等因素[2]，才能得到一套符合高效生產(chǎn)要求的工藝裝備。

3.1 產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)

該車(chē)型年產(chǎn)能要求11萬(wàn)臺(tái)，使用機(jī)器人自動(dòng)化點(diǎn)焊方式，按照每年工作250天，每天雙班生產(chǎn)，每班工作10h，設(shè)備開(kāi)動(dòng)率85%計(jì)算，工作站規(guī)劃節(jié)拍139s/套。該車(chē)型的A柱補(bǔ)丁板分為左右件，每個(gè)零件各27個(gè)焊點(diǎn)，每個(gè)焊點(diǎn)完成節(jié)拍為2.5s（考慮機(jī)器人空走時(shí)間），分配1臺(tái)機(jī)器人，左右件各分配1臺(tái)點(diǎn)焊夾具，需要135s，低于工作站規(guī)劃節(jié)拍，符合前期規(guī)劃要求。

3.2 夾具設(shè)計(jì)原則

在夾具設(shè)計(jì)階段，要結(jié)合以往類(lèi)似零件項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并考慮零件焊接過(guò)程控制、防錯(cuò)防漏、人機(jī)工程等因素，進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理和風(fēng)險(xiǎn)管控[3]。

（1）項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn) 以往開(kāi)發(fā)另一車(chē)型A柱補(bǔ)丁板時(shí)，該補(bǔ)丁板由1個(gè)主板、3個(gè)加強(qiáng)板構(gòu)成，采用常規(guī)具有L形支座結(jié)構(gòu)夾具（見(jiàn)圖3）。在實(shí)際焊接生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，因零件剛性差，彈性形變大，導(dǎo)致焊接過(guò)程焊鉗和料片抖動(dòng)幅度大，且焊點(diǎn)數(shù)量為90個(gè)，位置比較密集，焊后應(yīng)力難以釋放，所以下料難以從定位銷(xiāo)取出。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，此次補(bǔ)丁板點(diǎn)焊夾具更改L形支座結(jié)構(gòu)為料片，放置在BASE板上面直接焊接。BASE板根據(jù)加強(qiáng)板外形尺寸做挖空處理，保證焊鉗可達(dá)性。

圖3 L形支座結(jié)構(gòu)夾具

（2）設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 基于原有歐式設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在B A S E板上增加料片限位塊，作為上料導(dǎo)向功能，提升上料到位成功率，同時(shí)考慮在夾具上增加左右件防錯(cuò)功能、上料無(wú)遺漏功能，以及焊接完成后方便取料功能。

（3）防錯(cuò)防漏 由于加強(qiáng)板料片尺寸小，左右件主副定位距離一致，所以采取人工上料時(shí)，容易放反；且人工容易出現(xiàn)漏上料現(xiàn)象，導(dǎo)致焊鉗無(wú)法有效焊接。因此，克服上述兩個(gè)問(wèn)題要做到：首先，夾具定位銷(xiāo)在設(shè)計(jì)時(shí)，主定位孔（圓孔）、副定位孔（長(zhǎng)圓孔）均使用圓銷(xiāo)定位，但要區(qū)分二者尺寸大小，使用主定位銷(xiāo)規(guī)格為φ8mm，副定位銷(xiāo)規(guī)格為φ6mm，且料片定位孔按照主副定位銷(xiāo)尺寸公差設(shè)計(jì)。若料片定位孔大小一致，則可申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)變更，以區(qū)分定位孔大小，實(shí)現(xiàn)機(jī)械式防錯(cuò)。其次，在夾具框架上和搖臂上設(shè)置兩個(gè)感應(yīng)器，分別感應(yīng)主板料片和加強(qiáng)板，且加強(qiáng)板感應(yīng)器位置應(yīng)進(jìn)行左右上件空間位置模擬，以設(shè)置在左右件非交叉位置，只對(duì)單側(cè)零件進(jìn)行感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)防錯(cuò)防漏。最后，在夾具框架側(cè)邊設(shè)置料片仿形器，若上件完全正確，感應(yīng)器各指示燈均為綠色，焊鉗方可正常焊接，若上件錯(cuò)誤，任何一個(gè)感應(yīng)器指示燈為紅色，則焊鉗無(wú)法工作，實(shí)現(xiàn)可視化操作。

（4）人機(jī)工程 由于夾具設(shè)計(jì)是料片緊貼BASE板，所以手工直接取料費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外，又針對(duì)補(bǔ)丁板焊后應(yīng)力集中導(dǎo)致板件變形，料片不方便從定位銷(xiāo)取出等問(wèn)題，在夾具框架中增加一套自動(dòng)翻轉(zhuǎn)下料機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)焊后料片自動(dòng)從BASE板脫落功能。

3.3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上信息進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。使用CATIA軟件對(duì)夾具各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用ROBCAD軟件進(jìn)行系統(tǒng)模擬分析，確保焊點(diǎn)可達(dá)性。該車(chē)型A柱補(bǔ)丁板點(diǎn)焊夾具如圖4所示。該夾具共使用2個(gè)氣缸，所連接搖臂用于壓緊零件，保證焊接過(guò)程料片不會(huì)向上大幅度抖動(dòng)。由于料片整體貼合BASE板，焊接過(guò)程中料片向下位置被限制，因此不會(huì)向下抖動(dòng)。下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于整個(gè)BASE支架空間內(nèi)部，設(shè)計(jì)巧妙，動(dòng)力源由翻轉(zhuǎn)氣缸提供。在BASE板靠近機(jī)器人側(cè)，設(shè)置4個(gè)限位塊，實(shí)現(xiàn)上件粗導(dǎo)向，方便員工快速上件。夾具高度為866mm，符合人機(jī)工程。

圖4 A柱補(bǔ)丁板點(diǎn)焊夾具

4 點(diǎn)焊工藝開(kāi)發(fā)

因熱成形補(bǔ)丁板零件的工藝流程復(fù)雜，沖壓后容易出現(xiàn)虛焊、鍍層擠出及焊點(diǎn)拉裂等質(zhì)量缺陷[4，5]，故在補(bǔ)丁板點(diǎn)焊時(shí)需對(duì)其焊接設(shè)備、焊接參數(shù)與焊接順序等進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)管控。

4.1 焊接設(shè)備管控

選擇阿賽洛生產(chǎn)的Usibor-AS60/60鋼板，厚度分別為1.4mm、1.2mm，對(duì)原材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。受其表面鋁硅鍍層和淬硬性的影響，選擇電動(dòng)伺服焊鉗（公稱(chēng)壓力：5kN）、中頻直流焊機(jī)。

表1 Usibor-AS60/60主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

4.2 焊接參數(shù)確定

針對(duì)補(bǔ)丁板兩種厚度的材料進(jìn)行點(diǎn)焊試片抗剪試驗(yàn)，以確定合理的焊接參數(shù)，試片長(zhǎng)度100mm，寬度30mm，搭接寬度30mm，外形如圖5所示。通過(guò)焊后結(jié)果可查看焊點(diǎn)外觀是否存在質(zhì)量缺陷，通過(guò)剪切試驗(yàn)可查看焊點(diǎn)破壞狀態(tài)、焊點(diǎn)尺寸及剪切強(qiáng)度等。

圖5 抗剪試驗(yàn)試片

通過(guò)一系列點(diǎn)焊試驗(yàn)，結(jié)合正交試驗(yàn)，得到該補(bǔ)丁板料片點(diǎn)焊最優(yōu)焊接參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 點(diǎn)焊最優(yōu)焊接參數(shù)

4.3 焊接順序管控

由于補(bǔ)丁板焊點(diǎn)較多且密集，若焊點(diǎn)順序分配不合理，則造成零件內(nèi)部有較大應(yīng)力無(wú)法釋放，后序在加熱爐內(nèi)會(huì)因受熱而導(dǎo)致零件變形，如零件焊后進(jìn)入輥體爐，受熱過(guò)程中出現(xiàn)兩端翹起，形成“弓”形，出現(xiàn)卡住輥體爐輥道問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行生產(chǎn)。因此，要根據(jù)補(bǔ)丁板焊點(diǎn)具體分布、焊接節(jié)拍和焊鉗數(shù)量合理分配焊點(diǎn)順序。此焊接工作站配置1把焊鉗，最優(yōu)焊點(diǎn)順序是先點(diǎn)固加強(qiáng)板周邊4個(gè)焊點(diǎn)，再?gòu)闹虚g向兩邊交替焊接（見(jiàn)圖6），零件實(shí)體焊點(diǎn)焊后狀態(tài)如圖7所示。

圖6 焊點(diǎn)順序

圖7 焊后狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)補(bǔ)丁板焊接夾具設(shè)計(jì)與點(diǎn)焊工藝開(kāi)發(fā)進(jìn)行闡述，得出補(bǔ)丁板夾具設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于料片緊貼BASE板、BASE板挖空處理、定位孔一大一小防錯(cuò)及感應(yīng)器防漏設(shè)置等因素，而焊接參數(shù)與順序能有效釋放焊后應(yīng)力，降低后序加熱變形帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題。