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生殘余應力，導致副車架焊縫出現斷裂等質量問題。如果在產品設計和夾具設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 現狀

1.1 副車架結構概況

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構和整體式開放結構。框架式封閉結構的副車架總體剛度要優于整體式開放結構，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 副車架數據設計不合理

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

2.1.2 CO2焊縫數量和位置布置不合理

CO2焊縫數量越多，其焊接變形越大。在副車架產品設計中，如果采用較多數量的焊縫連接，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，會產生較大的扭曲變形。

2.2 焊接工藝設計不合理

2.2.1 焊接主體規劃不合理

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燒焊參數設置不合理

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，連續燒焊變形量較大，斷續燒焊變形量較小。

2.2.4 焊接工裝設計不合理

在實際生產過程中，一般會利用焊接工裝來控制后副車架的焊接變形量，如果焊接工裝設計不合理，那么會產生如下問題：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 副車架產品設計方面

3.1.1 設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，尺寸長度可以根據燒焊技術規范設計。關鍵位置的焊縫，需要根據零件材料種類、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 優化焊縫數量和位置

在滿足性能的前提下應盡可能的優化焊縫數量，尤其應避免出現2條或者多條焊縫垂直交叉，如圖5所示。在規劃焊縫位置時，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 規劃合理的施焊順序

最優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域的金屬延展減少或者消除焊縫區域的塑性變形，達到矯正變形的目的。在實際操作過程中必須通過經驗積累和嚴格的檢驗手段來保證矯正的精度[1]61。

4 結論

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域控制焊接變形提供理論依據。