某轎車前副車架的焊接變形控制

余可安，黃小林，蘭建平，李家新

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

前副車架是前置前驅乘用車型一個共有的特性，也是底盤部分一個重要的結構件，它的主要功能是阻隔振動和噪聲，承載發動機與變速箱，提供足夠的強度與剛度以保證安裝在上面的總成能夠正常的工作[1]。就其本身工藝特性來說，副車架是大型的薄型沖壓焊接件，在生產過程中出現的主要問題是由于焊接變形引起的結構尺寸不穩定，不時出現產品報廢。因此如何保證前副車架焊接制造過程中的精度，就成為保證整個產品質量的一個關鍵。

1 前副車架焊接變形控制

焊接變形是直接影響前副車架的重要因素，它既會引起尺寸形狀精度的偏差，又會因在焊接中產生冷、熱裂紋等缺陷而引起結構的斷裂特性與疲勞強度等不利影響，從而直接影響產品焊接質量、結構性能、安全可靠性和制造工藝性等[2]。因此，掌握焊接變形的規律，了解其作用與影響，采取相應的控制措施和消除焊接變形[3]，以保證產品的焊接精度，具有重要意義。

在所有影響焊接變形的因素中，焊接工藝對焊接變形的影響最大，可以通過采取以下三種焊接工藝來控制前副車架的焊接變形。三套焊接夾具的方式，因三套夾具一模一樣，一次裝夾可以實現兩個工位上的同時焊接，即先點焊再弧焊的焊接順序，避免了人工二次裝夾，減少了焊接的變形量。

如圖1和圖2為某轎車前副車架三工位點焊、弧焊一體化工作站的機構及系統構成圖，由三個工位組成，即：①工位—上、下料，②工位—機器人點焊，③工位—雙機器人弧焊，通過水平變位機構，驅動三套夾具作+120°和-240°兩個角度往復循環運動，遵循①→②→③→①的焊接順序的變位方式，即一次裝夾經過點焊、弧焊工位后即可以實現產品的焊接。

圖1 某轎車前副車架三工位點焊、弧焊一體化工作站結構示意圖

2 焊接順序的設計

由傳統的焊接工藝布局，即一臺工作站只布置兩套焊接夾具的方式，設計成一臺工作站可以布置

圖2 某轎車前副車架三工位點焊、弧焊一體化工作站系統構成示意圖

3 焊接方式的優化

焊接應力和變形是伴隨焊接過程產生的，是不可避免的。焊接變形的控制就是焊接應力的控制，主要就是減小焊接應力和使焊接應力分布均勻，避免局部應力過大，產生不可控制的變形[4]。

如圖3，焊接方式的優化，主要是根據某轎車前副車架的焊縫呈現左、右對稱分布的規律，由單機器人的焊接方式，設計成雙機器人協調焊接方式（如圖2）。這種焊接控制方式，要求兩臺機器人在焊接方向保持一定的間距，兩側焊槍保持對稱姿態，采用主、從協調控制策略，以一臺機器人為主機執行焊接運動，另一臺機器人作為從機跟隨主機運動并進行焊接，根據主從協調算法計算出的目標軌跡，使從動機器人按照示教好的軌跡進行隨動，不僅要實時獲取主機器人的位置狀態信息，還實時發送給從動機器人使之跟隨運動，同時還判斷焊接過程的開始、結束，并及時控制從動機器人的起弧與熄弧，從而實現雙機器人協調同步運動的焊接控制。

圖3 某轎車前副車架正、反面焊點、弧焊位置分布圖

這種雙機器人協調焊接方式，避免了以往單機器人在進行一側的焊縫焊接時，因焊接過程中產生的瞬態熱變形而引起另一側焊縫的焊接變形，甚至造成局部燒穿，使變形控制在一個合理的范圍內。

4 預變形設計

預變形設計也稱反變形設計，主要是根據產品在焊接過程中，不均勻的熱分布與不穩定的溫度場引起的夾具無法約束的較規律的焊接變形，預先把焊件人為地制出一個變形；根據焊接變形方向和形變大小，在變形方向上施加一定的大小相同，方向相反的作用力F，使焊接后的變形剛好抵消了這個預加載的變形量，從而控制產品焊接后的尺寸位置精度符合圖紙，滿足設計要求，這個反作用力F一般可以通過夾具控制一定的位移量S來保證。

如圖4，某轎車前副車架焊接后前懸出的部分，在焊接過程中由于局部加熱、冷卻作用，再加上前副車架是由薄型沖壓板材組焊而成的，自身約束力較小，單靠夾具本身固有的定位夾緊力，無法完全保證前副車架的焊接尺寸及位置精度要求，致使前副車架向內收縮并呈現較規律的變形，可以通過采取焊接預變形的控制措施來降低或消除焊接變形，設計了如圖5的預變形焊接夾具。

圖4 某轎車前副車架焊接變形方向

圖5 某轎車前副車架預變形焊接夾具

5 實施焊接變形控制后的效果

某轎車前副車架在制造過程中，采取了相應的控制措施來降低前副車架的焊接變形，避免了焊接變形引起正常工藝流程的中斷，得到了很好地控制和解決，大大降低了焊接變形而引起的質量問題，達到了設計預期的質量目標（圖6），為產品的承接提供了很好的硬件基礎，取得了很好的效果（如圖7和圖8）。

圖6 焊接質量目標

圖7 某轎車前副車架檢具檢測圖

圖8 某轎車前副車架焊接效果圖

6 結束語

隨著焊接技術的不斷進步，焊接變形控制的不斷發展，正確地使用焊接方法，合理地設計焊接工藝，可以有效地控制焊接變形，不僅可以降低制造成本，還可以大幅地提高經濟效益。