A柱熱成形補丁板點焊夾具設計與工藝開發

徐永吉，王利波

1.屹豐汽車科技集團有限公司 上海 200949

2.凱里學院理學院 貴州凱里 556011

1 序言

隨著汽車輕量化的提出，材質22MnB5的熱成形超高強鋼零件在車身上的使用比例逐步增大，且作為輕量化車身的優選鋼種，如寶馬X5車型使用的熱成形鋼在白車身重量占比已達55%。在汽車行業中，為提升車輛正面碰撞能力，A柱內板通常由兩塊熱成形鋼板組合，稱為Patch Work（中文名：補丁板）[1]。制作補丁板，需在料片狀態下進行點焊，由于其長寬尺寸比例大，導致剛性較差，所以在實際焊接生產過程中存在技術難點。

因此，本文結合汽車零部件的焊接夾具和工藝開發流程經驗，主要闡述某車型A柱熱成形補丁板點焊所用的夾具設計和生產過程中點焊工藝的開發。

2 A柱補丁板生產工藝流程

汽車行業所謂的補丁板，一般是由兩塊板在料片狀態下使用點焊機連接成一體，然后再通過熱壓成形，滿足產品強度設計需求，其工藝流程如圖1所示。若采用兩塊鋼板在熱成形后再進行組合焊接的結構設計，則會有以下缺點：①與補丁板結構相比，會多使用一套制造加強板的沖壓模具，既增加物料成本，又增加零件成形制造節拍。②從焊接方面講，鋼板在熱成形前，焊接性優于成形后狀態，且零件熱成形后，因內外板存在制造誤差，如間隙超差，則會造成零件焊接困難，所以容易產生焊接質量缺陷，如虛焊、熔核小等問題。

圖1 補丁板生產工藝流程

某車型A柱使用鋼板材料牌號為HS1300T/950YAS60，其主板料厚1.2mm，加強板料厚1.4mm，板材均為鋁硅鍍層鋼板，外形如圖2所示。主板料片長度達到1273mm，寬度僅127mm。主板件表面積大于加強板，且其主定位孔為圓孔，副定位孔為長圓孔。在補丁板材料使用中，一般不使用無鍍層鋼板，主要原因是兩塊無鍍層鋼板貼合點焊后，需經過960℃左右高溫輥體爐加熱，在模具中冷卻保壓后，零件表面會出現大量氧化皮，并且夾雜在兩個料片中間，即使后續增加拋丸工序處理，但也無法徹底清除氧化皮。另外，零件長時間存放會使零件生銹，且內部氧化皮也影響零件后續焊接質量。

圖2 補丁板料片

3 補丁板點焊夾具開發

點焊夾具開發過程要綜合考慮零件的生產綱領、夾具設計原則及人機工程等因素[2]，才能得到一套符合高效生產要求的工藝裝備。

3.1 產品生產綱領

該車型年產能要求11萬臺，使用機器人自動化點焊方式，按照每年工作250天，每天雙班生產，每班工作10h，設備開動率85%計算，工作站規劃節拍139s/套。該車型的A柱補丁板分為左右件，每個零件各27個焊點，每個焊點完成節拍為2.5s（考慮機器人空走時間），分配1臺機器人，左右件各分配1臺點焊夾具，需要135s，低于工作站規劃節拍，符合前期規劃要求。

3.2 夾具設計原則

在夾具設計階段，要結合以往類似零件項目經驗、設計技術標準，并考慮零件焊接過程控制、防錯防漏、人機工程等因素，進行夾具結構優化處理和風險管控[3]。

（1）項目經驗 以往開發另一車型A柱補丁板時，該補丁板由1個主板、3個加強板構成，采用常規具有L形支座結構夾具（見圖3）。在實際焊接生產中發現，因零件剛性差，彈性形變大，導致焊接過程焊鉗和料片抖動幅度大，且焊點數量為90個，位置比較密集，焊后應力難以釋放，所以下料難以從定位銷取出。根據以往項目經驗，此次補丁板點焊夾具更改L形支座結構為料片，放置在BASE板上面直接焊接。BASE板根據加強板外形尺寸做挖空處理，保證焊鉗可達性。

圖3 L形支座結構夾具

（2）設計技術標準 基于原有歐式設計標準，在B A S E板上增加料片限位塊，作為上料導向功能，提升上料到位成功率，同時考慮在夾具上增加左右件防錯功能、上料無遺漏功能，以及焊接完成后方便取料功能。

（3）防錯防漏 由于加強板料片尺寸小，左右件主副定位距離一致，所以采取人工上料時，容易放反；且人工容易出現漏上料現象，導致焊鉗無法有效焊接。因此，克服上述兩個問題要做到：首先，夾具定位銷在設計時，主定位孔（圓孔）、副定位孔（長圓孔）均使用圓銷定位，但要區分二者尺寸大小，使用主定位銷規格為φ8mm，副定位銷規格為φ6mm，且料片定位孔按照主副定位銷尺寸公差設計。若料片定位孔大小一致，則可申請設計變更，以區分定位孔大小，實現機械式防錯。其次，在夾具框架上和搖臂上設置兩個感應器，分別感應主板料片和加強板，且加強板感應器位置應進行左右上件空間位置模擬，以設置在左右件非交叉位置，只對單側零件進行感應，實現電信號防錯防漏。最后，在夾具框架側邊設置料片仿形器，若上件完全正確，感應器各指示燈均為綠色，焊鉗方可正常焊接，若上件錯誤，任何一個感應器指示燈為紅色，則焊鉗無法工作，實現可視化操作。

（4）人機工程 由于夾具設計是料片緊貼BASE板，所以手工直接取料費時費力。另外，又針對補丁板焊后應力集中導致板件變形，料片不方便從定位銷取出等問題，在夾具框架中增加一套自動翻轉下料機構，實現焊后料片自動從BASE板脫落功能。

3.3 夾具結構設計

根據以上信息進行夾具結構設計，以確保實現各項功能。使用CATIA軟件對夾具各模塊進行設計，使用ROBCAD軟件進行系統模擬分析，確保焊點可達性。該車型A柱補丁板點焊夾具如圖4所示。該夾具共使用2個氣缸，所連接搖臂用于壓緊零件，保證焊接過程料片不會向上大幅度抖動。由于料片整體貼合BASE板，焊接過程中料片向下位置被限制，因此不會向下抖動。下料翻轉機構處于整個BASE支架空間內部，設計巧妙，動力源由翻轉氣缸提供。在BASE板靠近機器人側，設置4個限位塊，實現上件粗導向，方便員工快速上件。夾具高度為866mm，符合人機工程。

圖4 A柱補丁板點焊夾具

4 點焊工藝開發

因熱成形補丁板零件的工藝流程復雜，沖壓后容易出現虛焊、鍍層擠出及焊點拉裂等質量缺陷[4，5]，故在補丁板點焊時需對其焊接設備、焊接參數與焊接順序等進行工藝開發管控。

4.1 焊接設備管控

選擇阿賽洛生產的Usibor-AS60/60鋼板，厚度分別為1.4mm、1.2mm，對原材料進行化學成分分析，結果見表1。受其表面鋁硅鍍層和淬硬性的影響，選擇電動伺服焊鉗（公稱壓力：5kN）、中頻直流焊機。

表1 Usibor-AS60/60主要化學成分（質量分數）（%）

4.2 焊接參數確定

針對補丁板兩種厚度的材料進行點焊試片抗剪試驗，以確定合理的焊接參數，試片長度100mm，寬度30mm，搭接寬度30mm，外形如圖5所示。通過焊后結果可查看焊點外觀是否存在質量缺陷，通過剪切試驗可查看焊點破壞狀態、焊點尺寸及剪切強度等。

圖5 抗剪試驗試片

通過一系列點焊試驗，結合正交試驗，得到該補丁板料片點焊最優焊接參數，見表2。

表2 點焊最優焊接參數

4.3 焊接順序管控

由于補丁板焊點較多且密集，若焊點順序分配不合理，則造成零件內部有較大應力無法釋放，后序在加熱爐內會因受熱而導致零件變形，如零件焊后進入輥體爐，受熱過程中出現兩端翹起，形成“弓”形，出現卡住輥體爐輥道問題，無法進行生產。因此，要根據補丁板焊點具體分布、焊接節拍和焊鉗數量合理分配焊點順序。此焊接工作站配置1把焊鉗，最優焊點順序是先點固加強板周邊4個焊點，再從中間向兩邊交替焊接（見圖6），零件實體焊點焊后狀態如圖7所示。

圖6 焊點順序

圖7 焊后狀態

5 結束語

通過對補丁板焊接夾具設計與點焊工藝開發進行闡述，得出補丁板夾具設計關鍵在于料片緊貼BASE板、BASE板挖空處理、定位孔一大一小防錯及感應器防漏設置等因素，而焊接參數與順序能有效釋放焊后應力，降低后序加熱變形帶來的質量問題。