一種微卡車門內板總成的焊接工藝方案研究

李清州，周月花，白勇全

1.山東銳鈴汽車有限公司，山東 臨沂 276600 2.山東五征集團有限公司，山東 日照 276800 3.成都順泰焊接設備有限公司，四川 成都 610200

0 前言

車門作為車身主要的外觀A面，外觀要求高，用戶感觀度高，其制造精度直接影響車身的造型效果及外觀匹配［1］。微卡車門總成（見圖1）主要由薄板沖壓件組成，主要構件為車門內板總成和車門外板，車門內板總成及其零部件構成分別如圖2、圖3所示，其制造工藝流程簡圖如圖4所示。

圖1 車門總成Fig.1 Door assembly

圖2 車門內板總成Fig.2 Door inner panel assembly

圖3 車門內板總成零部件構成Fig.3 Compositinon of the inner panel assembl of the dor

圖4 車門總成制造工藝流程Fig.4 Door assembly manufacturing process

多零件、多工藝、多工序是車門總成的生產特點，制件的穩定性和一致性是車門總成生產制造的重點和難點，車門內板總成精度則直接影響車門的精度［2-4］。目前很多車門內板焊接采用弧焊，易產生熱變形，文中探討的微卡車門內板采用電阻焊連接方式，避免了弧焊，從而減少了熱變形。

本文采用觀察法、實證研究法及經驗總結法從焊接工序分析、夾具設計、焊接工藝驗證三個方面對內板總成電阻焊焊接工藝進行分析闡述。

1 車門內板總成焊接工序分析

車門內板總成焊接流程為：裝件→夾具定位夾緊→焊接→夾具松開→卸件。根據其結構特點及工序節拍要求進行工序劃分，主要分析各工序裝件數量及各工序總時間能否滿足節拍要求。

車門內板總成零部件焊接工序劃分主要根據零部件搭接關系并結合產線規劃節拍進行分解。零部件的搭接關系取決于零部件的裝配順序和焊接順序，通過分析車門內板總成的數模搭接結構及零部件裝配、焊接順序，得出零部件的層級結構如圖5所示。

圖5 車門內板總成層級Fig.5 Door inner panel assembly

工序節拍則根據生產綱領的要求，并結合焊接過程各動作經驗時間進行分析。該微卡車門內板焊接規劃為人工焊接，車門內板總成各零部件采用電阻焊進行連接，焊接過程中通過夾具定位實現各零部件的焊接。焊接節拍為216 s，主要由裝件、夾具動作、焊接、卸件等過程時間組成，參照經驗總結標準時間理論計算的各個過程的動作耗時如表1所示。

表1 焊裝過程各動作耗時標準Table 1 Dynamic action time standard of welding process

根據節拍要求，依照焊接過程的動作經驗總結標準時間，結合車門內板總成層級結構，將車門內板總成焊接過程分為三個工序，如圖6所示。

圖6 車門內板總成焊接工序劃分Fig.6 Welding procedure division of door inner panel assembly

2 車門內板總成夾具設計分析

2.1 夾具設計原則

為了保證產品模、夾、檢具生產過程中基準的統一，焊裝夾具的定位系統依據零部件的定位基準系統（RPS）來設計［5］。零部件定位基準的布置要遵循3-2-1原則：一個剛體在空間中運動可以有6個自由度，即沿著3個坐標軸的移動和繞著3個坐標軸的轉動。因此要確定零部件的位置，必須限制其自由度。為保證物體在三維空間絕對定位，必須在6個方向上限制物體運動，其分配原則為：最大投影面3個支承點，次大投影面2個支承點，最小投影面1個支承點，如圖7所示。

圖7 自由度限制示意Fig.7 Schematic diagram of degree of freedom restriction

夾具主、輔助定位基準，定位孔及銷的圓菱性必須與RPS一致，定位面可在RPS同一基準面上進行適當調整（50 mm以內，不可切換定位型面；型面變化較大的位置移動控制在20 mm以內），且必須保證前后工序定位基準統一。夾具定位方案設計時需充分考慮夾具的作業性以及結構設計的合理性，符合人機工程需求，可設計如平面旋轉、軸向旋轉等，且旋轉應有方向定位裝置和安全防護裝置。

設計夾具定位方案時，需充分考慮每套夾具上鈑金件防錯、防漏措施，防止左右件、類似件裝錯。

根據以上原則，內板總成焊接工序的夾具結構如圖8所示。工序一為車門內板加強板工序，其特點為定位機構簡單、焊接操作性好。工序二為車門內板分總成板工序，其特點是增加旋轉機構，焊接操作人員無需走動。工序三為車門內板加總成板工序，其特點是設計旋轉機構，且工件定位銷采用翻轉銷的結構。

圖8 內板總成夾具結構Fig.8 Fixture structure of inner plate assembly

2.2 焊接設備選型原則

車門內板焊接采用電阻點焊，通常點焊鉗按形狀可分為X型焊鉗和C型焊鉗。夾具設計時必須進行焊鉗三維模擬選型。在充分考慮焊接作業性和夾具結構的情況下選擇合適的焊鉗規格型號。焊鉗選型原則為：

（1）根據工序要求及生產節拍設計確定點焊鉗的數量，合理劃分每臺點焊鉗作業的內容，然后依據產品結構、夾具結構、作業位置等確定合理的點焊鉗型式：X型點焊鉗用于點焊水平及接近水平位置的焊點，電極的運動軌跡為圓弧線；C型點焊鉗用于點焊垂直及接近垂直的焊點，電極作直線運動。一般情況下，焊點距離制件邊緣超過350 mm時選擇X型焊鉗，焊點距離制件邊緣小于350 mm時，X、C型焊鉗均可。

（2）選擇電阻焊鉗臂尺寸時，為避免鉗臂與制件的干涉，減少焊接分流，鉗臂到制件之間的距離保持在20 mm以上。在滿足各個焊接部位工藝要求的前提下，遵循焊臂尺寸盡可能小的原則，減輕焊鉗自重，方便作業，降低勞動強度。

（3）通過仿真軟件，將設計的點焊鉗三維結構、產品數模、夾具三維結構等進行作業方位和作業內容的模擬，確認以下主要項目：①點焊鉗能否進入焊接部位實現焊接；②點焊鉗及附件作業時是否與產品數模、夾具等發生干涉；③焊鉗進出及作業是否方便；④點焊鉗取放路線、翻轉次數是否合理。

（4）在進行焊鉗三維模擬時，需保證在夾具夾緊狀態下焊接各工位關鍵焊點，關鍵點不允許打開或頂起補焊，原則上每點都必須進行三維模擬（同一面的連續點允許只模擬有風險的點）。

根據以上原則進行模擬選型，主要模擬過程為：在夾具三維結構中導入焊鉗數模，將靜電極移動至焊點處，并調整角度確保電極與工件垂直，并檢查是否與工件及夾具干涉，其過程如圖9所示，選型結果如表2所示。

表2 車門內板總成各工序焊機選型配置Table 2 Selection and matching of welding machine for each process of door inner panel assembly

圖9 車門內板總成工序焊機模擬Fig.9 Welding process simulation of door inner panel assembly

2.3 工序時序模擬驗證

根據前面提到的工序劃分、焊接過程各動作計算標準時間進行夾具工作過程的時序模擬，確保各工序在規劃節拍內完成。工序時序編制流程如圖10所示。

圖10 工序時序圖編制流程Fig.10 Procedure sequence diagram compilation process

以內板總成工序三為例介紹時序圖具體編制過程。第一步編制工序零部件清單圖，并根據零部件上件順序進行編號；第二步編制焊點分布圖，并根據焊機模擬選擇的型號進行焊鉗配置；第三步繪制時序圖，將工序內容分解到各個工步，并根據表一中的各個動作的標準時間、順序進行時間疊加。繪制完成的時序圖如圖11～圖13所示。

圖11 零部件上件順序Fig.11 Sequence of parts

圖12 零部件焊點分配順序Fig.12 Component solder joint assignment sequence

圖13 工序順序及各工步用時Fig.13 Process sequence and time of each work step

3 內板總成工藝方案驗證

從焊接設備驗證、夾具通過性驗證、工件焊點鑿檢驗證三個方面驗證內板總成焊接工藝方案。

3.1 焊接設備驗證

焊接設備的驗證主要通過焊接參數和焊點強度來體現。通常采用與工件等料厚的試片進行焊后拉伸撕裂試驗。通過選取試片，根據焊接手冊及企業焊接標準規范設置焊接參數進行焊接，對試片進行拉力撕裂，觀察焊點熔核處母材是否撕裂，若母材撕裂則說明焊點合格［6］。

參數設置主要根據搭接的料厚進行設置（見表3）。不同厚度的零件點焊時，規范參數可先按薄件選取，再按板件厚度的平均值通過試片剝離試驗修正。通常選用大電流、短時間的硬規范來改善熔核偏移；不同材料的零件點焊時，按可焊性差的零件選取規范參數；多層板焊接時，先按外層較薄零件厚度選取規范參數，再按板件厚度的平均值通過試片剝離試驗修正，先選用最佳規范，再嘗試選用中等規范，在生產中可根據實際情況調整焊接規范參數，調整量不超過±15%。

表3 車門內板總成各工序焊機焊接參數Table 3 Welding parameters of welding machine in each procedure of door inner panel assembly

部分試片撕裂結果如圖14所示，可以觀察到焊接試片斷裂處為母材，焊點處均未脫落，說明焊點強度不低于母材，焊點合格。

圖14 部分試片撕裂結果示意Fig.14 Sketch of tearing results of some test pieces

3.2 夾具通過性驗證

夾具通過性驗證［7］是檢驗設計制造的夾具能否完成零部件焊接工藝規劃的工序內容、夾具設計是否合理，是否滿足質量目標。主要驗證內容為夾具基準核查、夾具重復定位精度驗證、焊接操作合理性驗證、節拍驗證等方面。主要驗證過程如下：RPS基準信息統一性核查，主定位基準是否與設計一致；夾具重復定位精度驗證，分總成焊接完成后的拿出、放進的干涉情況（驗證拿放5次的偏差情況）。

各焊點要有焊鉗的操作空間，焊鉗操作不與夾具、零件干涉（安全距離>10 mm），避免分流。根據夾具工藝驗證的過程，對各工序的主副定位、面支撐根據圖紙要求核對；重復定位精度驗證，需根據連續5次取放件測量偏差進行分析；焊接操作性驗證要求在焊接過程中查看焊鉗與夾具及零部件是否存在干涉或間隙過小，如圖15所示。

圖15 各工序驗證過程Fig.15 Welding process of each procedure

節拍滿足性驗證是通過實測焊接時間，與理論節拍進行分析確認。車門內板焊接過程中，分別對三個工序連續測量10套車門的焊接時間。通過統計分析，三個工序焊接節拍均低于目標節拍，符合規劃設計要求，驗證結果如圖16所示。

圖16 內板總成焊接工序節拍驗證分析Fig.16 Verification and analysis of inner plate assembly welding process takt time

3.3 工件焊點鑿檢驗證

評價焊接過程是否滿足工藝要求，重要的指標之一就是焊接強度指標。對于點焊工藝，焊接強度主要是通過對焊點進行鑿檢驗證。其工作原理為用錘擊將鑿子在距焊點3～10 mm處插入兩板之間至一定深度（與被檢焊點內端平齊），上下扳動鑿子（不大于±10°）以檢查焊點是否松動，對焊點間距小于10 mm的，可對著焊點鑿至離焊點3～5 mm，如圖17所示。焊點未松動為合格，板件沒有熔核或者焊點分開順利則為不合格［8-10］。

圖17 焊點鑿檢Fig.17 Weld site chisel

選取破壞試驗樣本焊點的基本原則：一般零件分流容易產生的部位、焊接前后間隙大的部位；不同板厚、不同規范必須分別取樣，大于5個焊點取起點、中間點、終點。

根據焊點鑿檢試驗的要求，對車門內板總成焊接各工序的焊點進行驗證，驗證的焊點均未出現剝離、松動現象，因此說明各工序的焊點強度合格，如圖18所示。

圖18 車門焊點強度鑿檢實驗驗證Fig.18 Chisel test verification of door solder joint strength

4 結論

文中通過微卡車門內板焊接工藝設計，總結出車身點焊類工件的焊接工藝設計的方法及步驟，并給出了焊接各作業動作的用時參考值，同時對夾具設計原則、焊接設備選型原則進行了詳細闡述。

如何對焊接工藝設計進行評價，是工藝人員飽受困擾的難題，本文從焊接設備、夾具通過性、焊接強度三方面進行分析總結，梳理出了工藝驗證的具體實施方案，為此類工藝設計項目提供了參考依據。