焊裝同步工程在汽車制造中的作用

于子秋，于躍

1.北京汽車研究院 北京 100300

2.瑪斯特輕量化科技（天津）有限公司 天津 300000

在汽車開發過程中，在產品設計環節，基本能保證產品的合理性。工藝分析工作經常出現各專業工藝工程師單獨與產品部門提出同步工程提案，同步工程中缺少各專業的統一協調，出現提出的提案水平參差不齊，有時還出現各專業提案內容相悖現象。在制造開發階段，各專業工藝制定階段，各專業之間的工藝交流具有隨意性，缺乏系統的統籌協調，容易對后期階段造成不必要的質量事故，嚴重影響汽車的質量、精度和生產效率，同時也會增加后期工裝改進、生產組織與服務等方面的成本。

同步工程就是根據車身開發工作具體情況，制定適合自己的工藝同步工程平臺，把工藝同步工程制度化、流程化及細節標準化，階段性地對各專業同步工程內容統一評審達成一致后再提報設計部門，這樣才能保證工藝同步工程工作有效、系統地進行。

同步工程就是將產品存在的制造相關的問題提前提報給設計部門，將工藝設計內容也提前提報給設計部門。在開發數據未凍結時，做到產品數據滿足工藝要求。

焊裝同步工程就是焊裝工藝工程師的在車身數據開發整個周期，與車身開發同步，完成對車身數據工藝適應性校核，完成對車身數據的工藝輸入，避免生產線工裝設備制造階段成本的增加和生產線匹配周期的延長。

焊裝同步工程

焊裝同步工程就是產品開發過程中，車身設計和工藝、工裝的開發，產品和質量目標同步進行，產品開發從造型開始到車身數據設計完成的整個設計過程中，都要考慮后序工藝和工裝的水平和能力，考慮質量目標的實現要求，即產品開發時就要考慮到整個產品生命周期的所有因素（質量、成本、周期和客戶要求）的一種系統方法。

焊裝同步工程主要包含以下內容：車身結構合理性分析、裝配可行性分析、車身定位合理性分析、焊鉗的通過性分析、涂膠（點焊膠、結構膠、減振膠及折邊膠）的合理設計、包邊工藝合理性及焊接工藝流程圖制作等七個方面。通過同步工程工程師對車身初版數據的制造可行性分析，避免凍結數據后出現大量的工程有關的改變，避免制造周期的增加和制造成本的增加，滿足產品質量要求。車身同步工程的輸入和輸出見表1。

表1 車身同步工程的輸入和輸出

1.車身結構合理性分析

1）板材料厚比≤3:1。在焊接兩種板材料厚焊接時，兩種材料厚度比＞3:1時，形成的焊接熔核更多的集中到了板材較厚的一側，且形成的焊接熔核過小，造成了焊接強度的不足（見圖1）。因此，通常要求板材料厚比≤3:1 。

圖1 不同板厚焊核斷面

2）避免四層焊，由于四層焊焊接質量不確定性，四層焊在汽車制造中很少采用；

3）總成焊接對沖壓件厚度的要求，兩種或三種焊接板材總厚度≤5.5mm，超過5.5mm時，焊接質量可靠性不能保證。

3）沖壓件結構設計質量直接影響著焊接精度，如沖壓件三角筋設計，避免了沖壓件側面全部接觸，減少了沖壓件匹配工作量（見圖2），提高焊接總成的匹配效率。

圖2 沖壓件三角筋設計

4）U形沖壓件設計結構中，焊接總成五個面均為搭接面通常是不采用的。由于沖壓件回彈不能全部消除，板件回彈會造成兩個板件不能完全貼合，合理的匹配面設計，應保證兩個板件焊接面可以有效地貼合，一般避免五個面搭接（見圖3），通常采用四個面搭接（見圖4）。

圖3 應避免五個面搭接

圖4 采用四個面搭接

5）焊接邊最佳長度尺寸的確定，焊接邊通常為14m m；由于車門導軌外飾膠條裝配的影響，采用φ11mm的電極，車門導軌一般為11mm（見圖5）。

圖5 車門導軌寬度設計

6）考慮到車門裝配飾條和視覺效果的影響，車門門洞位置寬度尺寸為12mm，側圍外板寬度比內板大1mm（見圖6）。

圖6 側門門洞寬度設計

2.裝配的可行性分析

1）首先，裝配過程中，組成件不存在干涉；然后，兩個組件運行過程中件1和件2不干涉，同時應避免運行過程中一直接觸（見圖7）。

圖7 件2運行過程中與件1接觸

2）兩個沖壓件單件公差再加上裝配公差的關系，板件邊緣到另一沖壓件圓角距離定義為≥3mm，否則，就存在干涉風險（見圖8）。

圖8 板件到圓角距離≥3mm

3）為避免干涉，非焊接面應留≥2mm間隙（見圖9）、板件間圓角間隙1mm（見圖10）。

圖9 非焊接間隙9mm

圖10 圓角間隙1mm

3.車身定位的合理性分析

1）一般情況下，沖壓件采用2個圓孔定位，有時考慮到材料較薄（0.6～0.8mm），板件尺寸較大（長×寬≥1000mm×1000mm），定位孔距≥800mm，采用4個孔定位的過定位設計，以克服板件剛性差帶來的尺寸偏差（見圖11），采用4個圓銷。

圖11 過定位孔設計

2）從車身尺寸精度穩定性考慮，前后工序定位保持一致性，沖壓件和焊接總成定位的一致性分析，都有效地降低了數據凍結后設變的費用和制作周期，如前、后工序定位孔、定位面位置不允許變化。

4.焊鉗的通過性

一般根據工程師經驗和通用焊鉗的模擬，確定焊接結構的焊鉗通過性，焊鉗運用分析數據應考慮：

1）減少焊鉗種類和數量，通過減少焊鉗種類和數量分析，可以大大地節約開發成本。

2）采用通用焊鉗，避免特殊焊鉗、特殊電極，也是降低成本的有效途徑。

3）焊鉗干涉應考慮設計結構更改和焊接邊延長、焊點位置的調整（見圖12）。

圖12 焊鉗通過性模擬

4）特殊車身結構或特殊焊接部位采取有效地解決措施，除采用特殊焊鉗、特殊電極外，應考慮采用結構膠粘結和螺栓聯接等手段。

5.涂膠的合理設計

涂膠的設計應分析車身需要采用涂膠的部位和需要涂膠型面的形狀。

1）點焊膠、結構膠涂膠設計基本準則必須規避凸臺、圓角、缺口處（見圖13）等非貼合面，避免涂膠無效設計，浪費多余成本。

圖13 結構膠避讓圓角

2）減振膠涂膠設計如圖14所示，折邊膠涂膠設計如圖15所示。

圖14 減震膠涂膠設計

圖15 這邊膠涂膠設計

6.包邊工藝可行性

1）四門兩蓋（五門一蓋）機器人包邊寬度基本原則一般8mm（見圖16）；專機包邊一般10mm，包邊寬度設計不合理，包邊寬度過大或過小都會直接導致包邊效果不好、包邊強度不夠。

圖16 門蓋滾邊寬度設計

2）拐角和高度差很大時一般不能完全包邊，外板包邊寬度（2.5～3.5）mm±0.5mm過度即可，如圖17所示。

圖17 拐角處包邊設計規范

3）機蓋后部水滴包邊斷面尺寸按照圖18所示要求即可。

圖18 水滴包邊高度和寬度

7.焊接工藝流程圖

焊接工藝流程圖的設計應盡量做到焊裝工序數量最小化，以控制工裝開發成本，直接指導生產線工裝設計制造。結合tecnomatix軟件（或者Delmia、sysweld軟件）進行PD、PS生產線虛擬仿真技術，合理地分配工位和焊點工時平衡，優化焊裝工藝設計。按照生產規劃科學地分解白車身每個工序節拍，滿足生產綱領要求，使制造規劃前移到設計階段，節約了大量的焊裝工藝規劃時間；根據車身數據結構拆分工序，確定焊接方式和工序排布，完成焊裝工藝流程圖（見圖19）。

圖19 焊接工藝流程

焊裝同步工程在某車型上的應用

下面從裝配可行性應用、車身定位合理性應用、車身定位對車身精度的影響、焊接工藝流程圖及車身定位共線方案的選取五個方面進行闡述。

1.裝配的可行性應用

具有初步焊裝知識的工程師都認為裝配的可行性就是看數據是否干涉很簡單，其實不然，裝配干涉不僅僅限于各部件之間數據干涉，而是檢查數據各部件在裝配過程中是否干涉、是否存在干涉的風險（見圖20）件1（側圍）裝配水平運行過程中易與件2（通風室）干涉，為避免干涉，要求通風室 “面3”向上傾斜“7°”，這樣設計就可以避免側圍合拼過程中與通風室干涉。

圖20 側圍裝配時避免與通風室干涉

某車型側圍內板如圖21a所示，B柱和C柱之間沒有連接，側圍內板總成尺寸不穩定，裝配白車身后，側圍內板上各裝配孔位不穩定，影響整車精度。在同步工程分析數據時，在不影響車身結構前提下，增加了1個連接板沖壓件（見圖21b），形成了新的側圍內板總成（見圖21c）。這樣，側圍內板總成運輸、定位比較可靠，裝配時尺寸精度穩定，保證了車身總成的尺寸穩定性。

圖21 側圍內板總成工藝分析案例

2.車身定位的合理性應用

在汽車行業，車身定位設計工程師很多，但能做到車身定位設計合理，成本最低，車身焊接變形最小（不含沖壓件回彈變形）的優秀設計并不多。車身定位除了考慮最基本的3-2-1設計原理外，更多的要考慮車身定位設計中過定位的合理運用。

1）側圍外板一般設計為一圓、一個菱形銷。為防止側圍外板X向尺寸不穩定，側圍外板采用了過定位設計，采用了2個圓銷（見圖22）。

圖22 側圍定位孔過定位應用

2）側圍定位面采用過定位設計，保證了側圍總成焊接過程中焊接變形的最小化（見圖23）。

圖23 側圍過定位應用

3.車身定位對車身精度影響

車身定位對車身精度的影響主要從定位孔和面的一致性闡述車身定位對車身制造的影響：

1）后地板骨架總成工位后縱梁前部采用a處定位；后地板總成工位采用定位面b（見圖24），這樣，兩個工位定位面不一致。

圖24 定位面比較1

2）后地板骨架總成工位后縱梁采用定位面a；白車身測量支架采用定位面b；下車體總成采用了定位面c（見圖25）。

圖25 定位面比較2

白車身總成檢測時，支撐面b與車身存在1mm間隙，由于后縱梁定位面位置一致在變化，不能確定是哪個工位后縱梁產生了焊接變形；利用白車身檢測數據解析問題點時，問題產生的原因就會分析得不準確，影響白車身匹配提高白車身精度的周期。在定位面修改統一后，直接找到后梁架總成工位焊接變形部位，后縱梁超差點，采取模具修整措施，很快解決了問題。該項定位更改造成的模、夾、檢具費用合計至少5萬元，制造周期1個月。如此可見，定位的一致性對工裝制造重要性。

4.車身定位共線共線方案的選取

車身定位共線方案以現有項目四個車型下車身共線定位方案為例，闡述車身定位共線方案對不同車型設計及平臺通用化的作用。

1）首先確定共線定位的原則，考慮到凸輪定位機構限制，每個車型之間定位孔、定位面位置坐標距離≤200mm。

2）然后將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個車型下車體數據裝配在一起，以B車型為基準，下車體主定位孔采用前縱梁后段的基準孔B、副定位孔采用后縱梁定位孔C，輔助基準孔采用前縱梁前段定位孔D；采用前縱梁定位面A1、A2、A3、A4和前地板縱梁A5、A6、后縱梁定位面A7、A8、Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ車型根據Ⅱ車型定位坐標，選取定位孔、面或增加連接支架等結構確定定位孔、面的位置。

本方案規定了下車體主定位銷和主定位面，在開發4個車型時可以實現生產線共線，避免了從Ⅰ到Ⅳ四個車型產品開發時，因共線論證時導致更改設計時成本的增加。共線應用后，在其他生產線設計中進行了推廣。

5.焊接工藝流程圖

1) 某車型根據生產綱領（雙班年產10萬臺）把下車體總成分解每個工序組成件，保證生產節拍滿足生產綱領要求；根據車身數據結構拆分工序，按照現有生產線焊接方式確定工序排布，完成焊裝工藝流程圖，直接指導生產線工裝設計制造。

根據節拍合理分配焊點，平衡每個工位工時，定位焊點確定后，其余焊點分配到補焊工位（見圖28）。節拍的計算，每小時制造臺份（JPH）=年產量臺份（雙班）÷2÷251 天÷0.85設備開動率÷8h，計算得生產節拍2min/臺。

2) 通過焊接流程圖設計，提前發現不合理的設計，如下車體生產線沒有裝配通風室工位，只能將通風室放到機艙梁架總成區域，及時更改車身結構，避免了設變。

結語

焊裝同步工程在汽車制造中的作用主要包含以下內容：

1）減少凍結后數據的設計變更，降低產品開發成本。

2）減少車身凍結后數據的設計變更，避免因產品設計變更造成的制造周期的延長。

3）車身結構優化，保證產品制造的質量。