車頂激光釬焊工藝中的尺寸控制

摘要：由于激光釬焊具有外觀質量好、成本低、重量輕、工位少、外形美觀等特點，在車頂連接生產中得到推廣應用。但是激光釬焊對尺寸精度要求高，對車身制造水平提出了更高的要求。本文針對激光釬焊車頂連接的特性，從尺寸控制角度研究了適應激光釬焊車頂的產品結構和工裝，工藝設計。

關鍵詞：激光釬焊;尺寸控制;頂蓋

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）05-0075-05

王浩

畢業于中國農業大學，本科學歷。現就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，任尺寸主任工程師，主要研究汽車尺寸工程，已發表文章《微車車架焊接變形及其控制方法》《微客掀背式尾門綜合尺寸分析及控制》《基于門鉸鏈裝配策略對車門公差能力的研究》等

1 背景

隨著汽車的日益普及，人們對汽車外觀的要求也逐步提高，為了滿足消費者差異化的需求，汽車的造型設計愈發大膽，前衛。傳統的點焊連接工藝因受限于焊槍尺寸等因素，已難以滿足復雜造型下的汽車鋼板連接需求，因此能夠焊接復雜幾何形狀焊件和特殊結構的激光釬焊工藝在汽車生產制造中應用日益廣泛，例如尾門、側門、車頂等區域。并且激光釬焊還有焊縫成型美觀，焊接后焊縫基本無需處理或遮蓋裝飾的優點，降低了整車的制造成本，與傳統焊接比較，激光釬焊需要工件具有更為穩定的三維尺寸精度。本文從產品設計和制造角度出發，討論影響汽車頂蓋激光釬焊工藝焊接質量的尺寸因素及控制手段[1]。

2 車頂激光釬焊的原理及尺寸控制需求

2.1 激光釬焊原理：

激光釬焊是激光焊接技術中的一種，由于激光能量密度大，可以作為熱源，將焊絲材料熔化，激光光束經過聚焦后照射到焊絲表面，在機器人的牽引下，將熔化了的焊絲材料浸潤到被焊接的母材上，已經被激光熔化的焊絲填充到要焊接的生產工件之間，使生產工件間得到很好的結合，完成激光焊接工藝。

2.2 激光釬焊的工件尺寸控制需求：

在頂蓋激光釬焊系統中，自動化焊絲送絲系統速度恒定，機器人帶動的激光頭焊接速度亦恒定，因此單位時間內熔化焊絲對焊縫的填充量也是恒定的，當焊縫間隙大小波動時，焊接后的外觀質量和焊接質量也會隨之變化。焊縫間隙過大時，熔化的釬料不能很好地填充焊道，造成焊縫釬料填充不足，產生質量問題。對于某車型車頂在不同梯度焊縫間隙情況下批量試焊，實驗數據及結果在表2中列出。

由上述表1及試焊實物金相分析圖2可發現：1）焊接縫隙在0.3mm以內，焊接效果最好;2）焊接縫隙在0.4mm以內，焊接成型質量可以接受、無需返修;3）焊接縫隙大于0.4mm，激光釬焊成型質量變差，隨著焊縫的增大，焊接將逐漸失效并無法實現。因此能否將配合板件的間隙控制在0.3mm以內成為頂蓋激光釬焊能否成功的關鍵尺寸控制需求。通常對于單個沖壓件主機廠的一般尺寸控制要求為面輪廓度±0.5mm，對于焊接的分總成要求一般為±0.7mm，分總成焊接成白車身之后焊接公差放大到±1.0mm或更大，這些顯然都滿足不了頂蓋激光釬焊的間隙公差需求，因此需要在產品結構設計及制造工裝工藝上重新考慮如何保證頂蓋和側圍總成的配合間隙[2]。

3 側圍總成和頂蓋的產品結構及公差設計

3.1 激光釬焊頂蓋與側圍的連接結構設計[3]，相較于電阻點焊的頂蓋與側圍用翻邊連接，為了保證激光釬焊焊縫的間隙大小，通常采用在某一剖面處點接觸，整個接觸區域形成線接觸的設計，這樣設計把傳統翻邊連接的面、面接觸，變成了面、線接觸，降低了零件面輪廓度對焊縫間隙大小的影響。典型的截面設計如下圖3所示：

截面參數：

尺寸1：側圍與水平方向夾角，允許頂蓋在C/C方向竄動，保證頂蓋與側圍之間充分接觸;

尺寸2：造型美觀作用，由造型中心確定;

尺寸3：造型美觀作用，通常最小要求0.5mm;

尺寸4：頂蓋圓角，影響釬焊熔池深度、寬度、通常為R2或R2.5;

尺寸5：沖壓回彈余量，即頂蓋存在一定回彈時，也能保證頂蓋與側圍線接觸，而不是面接觸;

尺寸6、尺寸7：搭接面上部，搭接面下部，允許側圍與頂蓋Y向偏差量;

尺寸8：頂蓋與側圍段差，一般為3mm-5mm;

尺寸9：頂蓋釬焊控制面，大部分主機廠無此過渡面。

3.2 頂蓋與車頂橫梁及夭窗框架的設計間隙

因為車頂強度需要，頂蓋在白車身上除了與側圍總成有搭接外，通常還存在3根以上的橫梁（見圖4），配置有天窗車型還存在天窗加強框來加強頂蓋，為了保證頂蓋兩側與側圍總成首先接觸來保證激光焊接，在頂蓋與車身的其他接觸位置需要預留一定的設計間隙。

通常前橫梁和后橫梁預留0.5mm設計間隙，用來保證頂蓋落下時兩側翻邊先與側圍接觸，如圖5所示。中橫梁與頂蓋采用涂膠粘接，由于存在涂膠槽，因此非激光釬焊車型橫梁也與頂蓋有2mm間隙，用于吸收部分頂蓋下沉量，防止涂膠溢出。根據經驗，由于激光釬焊所采用的全型面頂蓋壓緊工裝，會導致頂蓋下沉量更大，通常激光釬焊車型需要在此間隙上增大1.5mm-2mm左右，通常預留3mm-4mm設計間隙。

對于有天窗的車型，車頂激光焊接受到焊接工藝的影響，頂蓋和天窗加強框首先進行連接，在以總成的方式與側圍和頂蓋橫梁之間匹配連接。由于頂蓋在全型面壓緊工裝的作用下會下沉，將導致天窗加強框與接觸面干涉。為了吸收此處容差，故將天窗加強框與側圍連接處設置為1mm設計間隙，以吸收頂蓋下沉造成的干涉問題（圖6）。

3.3 側圍和頂蓋的公差設計

傳統車型頂蓋與側圍的搭接面沖壓單件一般要求士0.5mm的公差水平，在頂蓋激光釬焊應用上，為了保證搭接位置起伏更小，實現更小的焊縫間隙，通常需要增加0.5mm的復合面輪廓度要求，即在1.0mm的公差帶內又增加了一個0.5mm的公差帶來約束零件尺寸。同時要求表面接刀痕的階差小于0.2mm，即平面度要求0.2mm/200mm，標注見圖7。

4 車頂激光釬焊焊縫尺寸的工裝工藝優化設計

車頂激光釬焊的工藝流程：頂蓋點定，激光釬焊，焊后返修，流程圖如8所示[4]：

4.1 頂蓋點定工位

通過定位點焊焊接確定頂蓋和車身相對位置的工位。為獲得合格的焊縫縫隙，頂蓋和車身必須各自精確定位。

通常車身采用升降定位滾床來定位精確位置，并使用側圍總成Y向抱緊工裝來糾正前序工位零件尺寸偏差積累焊接變形等因素造成的側圍Y向偏差（圖9），也有主機廠認為頂蓋長度短于1.6m時，側圍Y向相對穩定，可以省掉抱緊工裝。

頂蓋的定位抓手一般有兩種形式：成本較高的視覺引導系統引導頂蓋抓手居中放件和成本較低的頂蓋Y向浮動抓手，借助頂蓋和側圍搭接的斜坡在Y向自動找正實現居中。總之兩種方式都是為了實現頂蓋和車身側圍總成的居中放置，初步確定焊縫位置。

4.2 激光釬焊工位

經點定頂蓋的車體進入激光釬焊工作站，車身由與前工位相同的升降定位滾床和側圍Y向抱緊工裝來確定位置，而頂蓋與側圍的X，Y向相對位置在前工位已由工裝保證，焊接點定，因此本工位僅需在頂蓋Z向施加一定的壓力來保證焊縫的間隙盡量變小。通常采用琴鍵式Z向浮動工裝形式來壓緊頂蓋，縮小其與側圍之間的間隙。

琴鍵式夾具具有以下優點：[5]一是能夠通過琴鍵壓板壓在頂蓋外板上，使頂蓋外板產生一定彈性變形，補償頂蓋和側圍之間的搭接間隙;二是每個琴鍵單元都可以單獨調整壓緊力，可以通過調整某幾個壓板來解決局部搭接出現的間隙問題;三是壓力調整方便，可以快速處理。

4.3 激光釬焊返修

激光釬焊成型質量必須經過100%檢驗確認，對于焊接缺陷，需評估返修時間，在不影響線體生產和節拍達成的情況下，執行線上或線下返修。

5 結語

本文從產品結構設計和制造工藝等諸方面人手研究了影響車頂激光釬焊成型質量的尺寸因素，提出了保證焊縫間隙及保證焊縫質量的方法，為以后更加深人地利用好激光焊接技術提供了依據基礎。隨著汽車工業的發展，顧客對汽車外觀尺寸的要求也越來越高，好的尺寸結果需要的是好的產品結構設計和好的工藝、工裝路線來保證，最終才能呈現給顧客滿意的產品。

參考文獻：

[1]陳彥賓.現代激光焊接技術[M]北京：科學技術出版社，2005：119-128.

[2]陳曉東，張紀珠.影響激光釬焊焊縫質量的因素探析[J].上海汽車，2012，（10）：58-62.

[3]王仁虎，王摘，姜峻嶺.車頂激光釬焊連接結構設計方法研究[J].汽車與配件，2015， （2）

：80-84.

[4]李成整，施連青，歐楊陽.影響白車身頂蓋激光釬焊焊接成型質量的關鍵因素[J].時代汽車，2017，（18）：78-80.

[5]馮振，坡國莉.轎車頂蓋激光釬焊焊縫缺陷原因分析[J].汽車工藝與材料，2014，（2）：45-48.