文/李航，趙鋒，蘇傳義，董杰·中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司

德國(guó)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(jì)80 年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等沖壓件。激光焊的無(wú)縫焊接技術(shù)保證了汽車的安全性，進(jìn)一步加強(qiáng)了車身結(jié)構(gòu)，在車身結(jié)構(gòu)中，提升框架強(qiáng)度的高強(qiáng)板零件在激光焊接中起著預(yù)變形的支撐作用，如果高強(qiáng)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(guān)系，甚至影響整車外觀尺寸，為此我們?cè)谶@里主要探討激光焊接中高強(qiáng)板零件在數(shù)據(jù)控制方面需要關(guān)注的問題。

激光焊接可以極大的提升焊接效率和精度，對(duì)于車身強(qiáng)度來(lái)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(xiàn)有的車身框架中，為了減重減排，提升車身強(qiáng)度使用了很多的高強(qiáng)板材料，這些高強(qiáng)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(qiáng)板零件成形后的整體強(qiáng)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(qiáng)板的變形方向發(fā)展，顯現(xiàn)的結(jié)果就是焊接后的變形量放大了高強(qiáng)板零件回彈的數(shù)據(jù)偏差量，這樣一來(lái)激光焊接中高強(qiáng)板零件的數(shù)據(jù)控制將成為我們研究的一個(gè)重點(diǎn)方向，在這里我們將以轎車車門激光焊總成中的高強(qiáng)板零件窗框加強(qiáng)板為研究對(duì)象，研究如何更好的控制激光焊接中高強(qiáng)板零件的數(shù)據(jù)。

轎車車門窗框上部與側(cè)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(tài)

某轎車車門激光焊接總成存在焊接后出現(xiàn)向車外的彈性變形，左右側(cè)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(shù)據(jù)不一致，且嚴(yán)重影響生產(chǎn)頻次，必須對(duì)車門窗框上部焊接后彈性變形進(jìn)行分析及控制。

圖1 車門窗框上部焊接后彈性變形狀態(tài)

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(nèi)板窗框區(qū)域采用激光器進(jìn)行點(diǎn)焊，該激光器具有較高的平均功率，當(dāng)激光脈沖能量密度達(dá)到106W/cm2時(shí)，就會(huì)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(jìn)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(diǎn)布置的焊接夾緊氣缸，該氣缸布置在S 基準(zhǔn)面位置和多點(diǎn)SK 支撐位置，主基準(zhǔn)面S/s 和主定位孔H/h 的基準(zhǔn)孔面位置先壓緊，其他SK 順次壓緊，控制焊接件位置度后進(jìn)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(shè)計(jì)的前提下，對(duì)相互搭接的待焊接零件的基準(zhǔn)要求較高，同時(shí)對(duì)相互搭接的待焊接零件的尺寸均勻性要求較高。

⑵車門內(nèi)板窗框區(qū)域回彈分析。

根據(jù)CAE 分析中門內(nèi)板零件回彈分析，窗框B柱側(cè)立柱區(qū)域、窗框上梁區(qū)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(shí)際出件后，車門內(nèi)板窗框區(qū)域回彈1.0mm，對(duì)焊接總成的回彈變形有貢獻(xiàn)度，如圖3 所示。

圖3 車門內(nèi)板窗框區(qū)域回彈示意圖

車門內(nèi)板窗框區(qū)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(qiáng)板窗框區(qū)域回彈分析。

根據(jù)窗框加強(qiáng)板零件實(shí)際出件回彈狀態(tài)分析，窗框B 柱側(cè)立柱區(qū)域、窗框上梁區(qū)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(duì)焊接總成的回彈變形有較大貢獻(xiàn)度，如圖4 所示。

圖4 窗框加強(qiáng)板窗框區(qū)域回彈示意圖

窗框加強(qiáng)板窗框區(qū)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(qiáng)度分析。

車門內(nèi)板設(shè)計(jì)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(qiáng)度不高；窗框加強(qiáng)板設(shè)計(jì)中，材料為ST280，料厚0.9mm，屬于沖壓高強(qiáng)板中成形性較好的材料，成形后整體強(qiáng)度較高；焊接總成的強(qiáng)度將會(huì)因?yàn)榇翱蚣訌?qiáng)板的強(qiáng)度而大幅度提升。

前面分析中已經(jīng)確認(rèn)車門內(nèi)板和窗框加強(qiáng)板的回彈方向一致(向車外回彈)，而窗框加強(qiáng)板窗框B 柱側(cè)立柱區(qū)域、窗框上梁區(qū)域回彈量比車門內(nèi)板相應(yīng)區(qū)域的回彈量大(回彈差值0.4mm)，在理論焊接狀態(tài)下，車門內(nèi)板窗框B 柱側(cè)立柱區(qū)域、窗框上梁區(qū)域在焊接后將隨著窗框加強(qiáng)板的回彈方向繼續(xù)向車外回彈，如圖5 所示，焊接總成的回彈出現(xiàn)不穩(wěn)定的放大趨勢(shì)。

圖5 窗框加強(qiáng)板零件強(qiáng)度影響焊接總成回彈的示意圖

窗框加強(qiáng)板的強(qiáng)度大大提升了焊接總成的強(qiáng)度，同時(shí)也體現(xiàn)出高強(qiáng)板零件回彈對(duì)焊接總成的回彈穩(wěn)定性的影響很大。

⑸檢測(cè)基準(zhǔn)分析。

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

圖6 車門內(nèi)板檢測(cè)基準(zhǔn)示意圖

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

圖7 窗框加強(qiáng)板測(cè)量基準(zhǔn)示意圖

③焊接總成檢測(cè)基準(zhǔn)分析。焊接總成檢測(cè)方向與車門內(nèi)板檢測(cè)方向一致，與窗框加強(qiáng)板檢測(cè)方向一致，與裝車方向一致，檢測(cè)定位孔應(yīng)用的是車門內(nèi)板的定位基準(zhǔn)孔，見圖8 中的紅圈位置，檢具屬于復(fù)合檢具，既可以檢測(cè)焊接總成，還可以檢測(cè)車門總成，檢測(cè)方式模擬裝車狀態(tài)(顯示車外側(cè))。

圖8 門板總成測(cè)量基準(zhǔn)示意圖

根據(jù)以上零件基準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)分析，窗框加強(qiáng)板零件屬于單動(dòng)模具的正向成形出件，檢具檢測(cè)為反向檢測(cè)，然后正向搭接焊接。受理論回彈趨勢(shì)的影響，將直接影響激光焊接后回彈變形量。

⑹車門內(nèi)板和窗框加強(qiáng)板搭接基準(zhǔn)分析。

車門內(nèi)板與窗框加強(qiáng)板搭接基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)面屬于轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)搭接。①車門內(nèi)板搭接的基準(zhǔn)孔和面在車身中位置度(X/Y/Z)方向的檢測(cè)公差±0.5mm。②窗框加強(qiáng)板搭接的基準(zhǔn)孔在車身中位置度(X/Z)方向的檢測(cè)公差，H 的Z 向?yàn)椤?.05mm，h 的X 向?yàn)椤?.3mm，h 的Z 向?yàn)椤?.05mm，缺少車身Y 向的基準(zhǔn)控制。

窗框加強(qiáng)板檢具設(shè)計(jì)中沒有設(shè)計(jì)基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)面同軸的孔帶面設(shè)計(jì)，搭接的基準(zhǔn)面在窗框加強(qiáng)板中無(wú)車身Y 向位置度檢測(cè)，只是依靠SK 基準(zhǔn)面進(jìn)行車身Y 向控制，無(wú)法確認(rèn)窗框加強(qiáng)板的真實(shí)回彈量，也就無(wú)法確認(rèn)現(xiàn)有檢具夾緊狀態(tài)下的零件數(shù)據(jù)可以進(jìn)行總成焊接，存在不可控尺寸影響，如圖9 所示。

圖9 門內(nèi)板和窗框加強(qiáng)板搭接基準(zhǔn)示意圖

綜合以上原因分析，得出以下結(jié)論，激光焊接對(duì)焊接零件的基準(zhǔn)要求較高，同時(shí)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(qiáng)板這個(gè)高強(qiáng)板零件的回彈直接影響焊接總成數(shù)據(jù)的方向，如果焊接件的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)存在轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)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(nèi)；要想控制焊接件的尺寸均勻性，焊接件的基準(zhǔn)必須是(X/Y/Z)三個(gè)方向可控，該車門總成中窗框加強(qiáng)板的檢測(cè)基準(zhǔn)面就存在車身Y 向控制的缺失，缺失方向與車門窗框區(qū)域焊接后回彈變形方向一致，意味著窗框加強(qiáng)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(qiáng)板零件窗框加強(qiáng)板的基準(zhǔn)穩(wěn)定性及尺寸均勻性。

方案實(shí)施及效果確認(rèn)

總體方案

通過分析結(jié)論可知，焊接夾具在理論設(shè)計(jì)的前提下，控制車門總成激光焊接后出現(xiàn)的向車外的彈性變形量，首先要解決車門內(nèi)板的尺寸均勻性問題，然后研究解決車門總成中高強(qiáng)板零件窗框加強(qiáng)板的基準(zhǔn)穩(wěn)定性及尺寸均勻性，具體方案見表1。

表1 實(shí)施方案

⑴穩(wěn)定車門內(nèi)板尺寸均勻性，車門內(nèi)板窗框區(qū)域尺寸修正。根據(jù)車門內(nèi)板三坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)，確認(rèn)窗框區(qū)域回彈變形量，以窗框尖角區(qū)域提取最大回彈量0.75mm，對(duì)整形模具型面進(jìn)行必要的修改，穩(wěn)定車門內(nèi)板尺寸均勻性，尤其是穩(wěn)定窗框區(qū)域尺寸，如圖10 所示。

圖10 車門內(nèi)板窗框區(qū)域回彈量確認(rèn)示意圖

⑵確認(rèn)高強(qiáng)板零件窗框加強(qiáng)板的基準(zhǔn)穩(wěn)定性問題，穩(wěn)定窗框加強(qiáng)板零件基準(zhǔn)面。對(duì)窗框加強(qiáng)板拉延模具及整形模具進(jìn)行型面著色確認(rèn)，確認(rèn)窗框加強(qiáng)板檢測(cè)基準(zhǔn)面的平度以及角度的合格穩(wěn)定。

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

圖11 窗框加強(qiáng)板定位方式修改示意圖

⑷進(jìn)行高強(qiáng)板零件窗框加強(qiáng)板的尺寸均勻性修正。檢具修改完成后，確認(rèn)窗框加強(qiáng)板整體數(shù)據(jù)，提取精準(zhǔn)的窗框區(qū)域自由回彈數(shù)據(jù)，進(jìn)行整形模具修改，修正窗框加強(qiáng)板尺寸均勻性。

⑸穩(wěn)定車門內(nèi)板和窗框加強(qiáng)板的出件狀態(tài)。批量驗(yàn)證車門內(nèi)板和窗框加強(qiáng)板的出件穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

⑹激光焊接總成出件確認(rèn)，車門總成出件確認(rèn)。

焊接夾具在理論設(shè)計(jì)的前提下，消除車門內(nèi)板窗框區(qū)域數(shù)據(jù)不均勻的影響，控制窗框加強(qiáng)板零件基準(zhǔn)的合理狀態(tài)，通過修改窗框加強(qiáng)板檢具檢測(cè)基準(zhǔn)的支撐夾持設(shè)計(jì)，增加窗框加強(qiáng)板檢測(cè)基準(zhǔn)穩(wěn)定性，提取窗框加強(qiáng)板真實(shí)的回彈變形量，并進(jìn)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(qū)域回彈量控制在小于0.8mm，已經(jīng)滿足批量穩(wěn)定生產(chǎn)的數(shù)據(jù)目標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)

存在搭接基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的車門激光焊接總成，由于搭接零件強(qiáng)度不同，在消除了主體件尺寸不均勻問題后，主要關(guān)注高強(qiáng)板搭接零件的基準(zhǔn)合理性，關(guān)注高強(qiáng)板搭接零件的尺寸均勻性，高強(qiáng)板搭接零件檢測(cè)基準(zhǔn)盡量使用孔帶面的同軸基準(zhǔn)進(jìn)行搭接方向的位置控制，可以更好的控制激光焊接中高強(qiáng)板零件的數(shù)據(jù)合理性，從而消除高強(qiáng)板零件對(duì)激光焊接總成數(shù)據(jù)的影響。