汽車副車架焊接變形的控制方法

王浩名

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

汽車副車架的鈑金厚度一般為2～4 mm，主要采用CO2氣體保護焊連接，與白車身薄鈑電阻點焊相比較，其焊接變形比較大[1]59。同時副車架焊接后非常容易產(chǎn)生殘余應力，導致副車架焊縫出現(xiàn)斷裂等質(zhì)量問題。如果在產(chǎn)品設(shè)計和夾具設(shè)計階段沒有考慮這種情況，將會導致副車架尺寸精度達不到設(shè)計要求，影響副車架總成的精度。因此，分析副車架焊接變形的原因和制定焊接變形的控制措施，在副車架焊接過程中有著非常重要的意義。

1 現(xiàn)狀

1.1 副車架結(jié)構(gòu)概況

某轎車后副車架，如圖1所示。后副車架一般由前圓管橫梁、左右圓管縱梁、后橫梁上下板、車身套管以及加強板組成，這些部件通過120多道CO2氣體保護焊連接。

圖1 某轎車后副車架示意圖

1.2 副車架焊接工藝流程

轎車副車架分為框架式封閉結(jié)構(gòu)和整體式開放結(jié)構(gòu)。框架式封閉結(jié)構(gòu)的副車架總體剛度要優(yōu)于整體式開放結(jié)構(gòu)，其焊接工藝相對簡單，焊接變形也更加容易控制[2]。文章以某轎車后副車架為例，描述其焊接流程。1）焊接后副車架框架和相應的加強板，如圖2所示。2）焊接后副車架框架分總成一和左右前束安裝支架總成，如圖3所示。3）焊接后副車架分總成二，如圖4所示。4）人工補焊。

圖2 焊接后副車架框架和相應的加強板

圖3 焊接后副車架框架分總成一和左右前束安裝支架總成

圖4 焊接后副車架分總成二

2 副車架焊接變形的原因

2.1 副車架數(shù)據(jù)設(shè)計不合理

2.1.1 CO2焊縫尺寸長度設(shè)計不合理焊接變形的大小與焊縫尺寸長度有很大關(guān)系，焊縫尺寸長度越長，其焊接變形量也就越大。

2.1.2 CO2焊縫數(shù)量和位置布置不合理

CO2焊縫數(shù)量越多，其焊接變形越大。在副車架產(chǎn)品設(shè)計中，如果采用較多數(shù)量的焊縫連接，不僅會增加焊接工作量，還會導致焊接變形量增加。同時，相對整個副車架中軸線而言，焊縫位置分布不合理，焊縫之間疏密程度相差很大，會產(chǎn)生較大的扭曲變形。

2.2 焊接工藝設(shè)計不合理

2.2.1 焊接主體規(guī)劃不合理

一般來說，機器人燒焊比人工燒焊受熱更集中，變形量更小，所以機器人燒焊更適合副車架焊接。

2.2.2 CO2燒焊參數(shù)設(shè)置不合理

燒焊變形的影響因素有電弧電壓、焊接電流、引弧速度等。一般而言，電弧電壓和焊接電流越大，焊縫的熔深越大，變形量也越大；引弧速度越快，焊接能量越小，焊縫熔深越小，工件熱變形也減小[3]38。因此，選擇合適的電弧電壓、焊接電流、引弧速度對減少焊接變形尤其重要。

2.2.3 燒焊順序規(guī)劃不合理

燒焊順序不同，其焊接變形量也不同。以汽車后副車架后橫梁上下板為例，連續(xù)燒焊變形量較大，斷續(xù)燒焊變形量較小。

2.2.4 焊接工裝設(shè)計不合理

在實際生產(chǎn)過程中，一般會利用焊接工裝來控制后副車架的焊接變形量，如果焊接工裝設(shè)計不合理，那么會產(chǎn)生如下問題：1）焊接完后工件從夾具上取不下來。2）未按MCP/MCS文件設(shè)計夾具，缺少夾緊點，焊接時零件自由度大，焊接完后尺寸超差嚴重。

3 控制焊接變形的方法

3.1 副車架產(chǎn)品設(shè)計方面

3.1.1 設(shè)計合理的焊縫尺寸長度

在滿足副車架性能的前提下，應盡可能的縮短焊縫尺寸長度，選擇合理的焊縫形式。一般位置的焊縫，尺寸長度可以根據(jù)燒焊技術(shù)規(guī)范設(shè)計。關(guān)鍵位置的焊縫，需要根據(jù)零件材料種類、施焊方法、零件搭接形式等情況對焊縫進行強度校核，最終確定焊縫尺寸長度和形式[3]39。

3.1.2 優(yōu)化焊縫數(shù)量和位置

在滿足性能的前提下應盡可能的優(yōu)化焊縫數(shù)量，尤其應避免出現(xiàn)2條或者多條焊縫垂直交叉，如圖5所示。在規(guī)劃焊縫位置時，應該盡可能將焊縫對稱布置，這樣可以最大程度的減少因焊縫引起的焊接變形。

圖5 焊縫交叉垂直

3.1.3 設(shè)計合理的焊接裝配樹

在眾多影響副車架焊接變形的因素中，焊接裝配樹影響最大。合理的焊接工藝應按照先分焊，再合焊的順序，圖6示出某轎車后副車架的焊接裝配樹。

3.2 工藝設(shè)計方面

3.2.1 反變形法

施焊前使副車架具有一個與施焊后變形方向相反、大小相等的變形，且正好能抵消焊接時的變形，稱為反變形法[4]。反變形法需要通過CAE分析得出焊接后可能出現(xiàn)的焊接變形的大小和方向，在施焊前先將副車架按將要變形的反方向擺放和定位夾緊，以便抵消焊接時產(chǎn)生的變形，如圖7所示。

圖6 某轎車后副車架焊接裝配樹

圖7 反變形法應用實例

3.2.2 規(guī)劃合理的施焊順序

最優(yōu)的施焊順序可以有效減小焊接變形量。最大限度減小焊接變形量，采用對稱焊接的方法，可以使因施焊順序引起的焊接變形相互抵消。圖8示出某轎車后副車架在同一套焊接工裝中，對7道焊縫采取不同的施焊順序產(chǎn)生的不同變形效果。

圖8 副車架焊縫示意圖

1）焊接順序按照圖8中4→3→2→1，5→6→7，焊接順序為2個員工從中間往兩邊焊接。2）焊接順序按照圖8中1→2→3→4，7→6→5，焊接順序為2個員工從兩邊往中間焊接。3）焊接順序按照圖13中1→3→5→7→2→4→6，焊接順序為從一端到另一端間隔跳躍式焊接。焊接后，在檢具上測量副車架與檢具的離空量大小，3個焊接順序的焊接變形量分別為1.5，2.6，2.1 mm，得出施焊順序1）為最優(yōu)焊接順序。

3.2.3 剛性固定法

當無法采用反向變形法來控制焊接變形時，可以利用大力氣缸將零件夾緊，使其在焊接過程中減少竄動，減小焊接變形，如圖9所示。

圖9 剛性固定法

3.2.4 機械矯正法

機械矯正法一般在室溫條件下，以副車架中部軸線為基準放置在矯正夾具上，對副車架4個安裝點施加向上或者向下的外力，使副車架總成壓縮變形區(qū)域的金屬延展減少或者消除焊縫區(qū)域的塑性變形，達到矯正變形的目的。在實際操作過程中必須通過經(jīng)驗積累和嚴格的檢驗手段來保證矯正的精度[1]61。

4 結(jié)論

副車架在焊接過程中變形是不能避免的，但是可以運用合理的方法減小變形量。除了文章中提到的方法外，控制副車架焊接變形的方法還有火焰矯正法、熱處理法、預留焊接收縮余量法，在實際生產(chǎn)中，只有對焊接過程進行全程控制，再配合各種控制焊接變形方法，才能有效地保證副車架的尺寸精度和裝配要求。文章闡述的各種控制焊接變形方法不僅適用于汽車副車架，還可以為汽車其它區(qū)域控制焊接變形提供理論依據(jù)。