客車車身焊裝工藝問題及優化

黃斐榮, 宋海泉, 胡 玲, 胡 理, 趙 猛

(比亞迪汽車工業有限公司, 廣東 深圳 518118)

客車車身作為整車的重要組成部分,不僅承擔著支撐內外飾件和承載載荷的功能,還對整車的性能和品質有重要影響。根據承載形式的不同,客車車身可分為全承載式、半承載式和非承載式結構[1]。為實現主動減重和提高被動安全性,目前國內外中大型客車(車身長度超過7 m)普遍采用全承載式車身結構[2]。全承載式車身結構通過焊裝工藝實現,主要包括骨架合裝、蒙皮固定等工序,焊裝工藝的水平直接影響到客車的整體質量。本文分析客車車身焊裝工藝目前存在的問題,并提出優化措施。

1 客車車身焊裝工藝

1.1 客車骨架合裝工藝

客車骨架合裝是通過將客車車身骨架六大片合攏并主要通過焊接技術連接來完成。目前,客車車身骨架合裝采用具有三維可調式定位夾緊裝置的立體合攏技術。合裝自動化在提升客車車身質量穩定性,保證客車制造的專業化水平方面發揮著重要作用。

國內大多客車生產企業的鋼車身骨架的焊接采用MAG焊,而全鋁車身骨架采用MIG焊,并配置鵝頸焊槍等工具進行焊接作業。骨架焊接作業的關鍵是盡量控制車身結構焊接質量,避免在焊接部位形成焊接缺陷。

1.2 客車蒙皮固定工藝

蒙皮與車身骨架的固定方式有焊接、鉚接和粘接。焊接工藝生產效率高,但常會導致蒙皮變形而產生波浪紋;鉚接工藝成本低,但操作繁瑣,生產效率低,還會在蒙皮表面留下鉚接頭,增加涂裝作業的難度;粘接工藝讓蒙皮具有減震、降噪的優點,可保證蒙皮平整度,但由于蒙皮與車身骨架易發生剪切問題,蒙皮的直線度相對較難控制,而且由于目前使用的聚氨酯彈性膠的固化時間長(一般為24～48 h),生產效率偏低。

為了降低高空作業的難度和風險,頂圍蒙皮采用低位作業方式與頂圍骨架總成固定。側圍蒙皮為保證整體的平整度,通常采用先漲拉、再通過焊接或鉚接的方式固定在側圍骨架上。漲拉可分為冷漲拉和熱漲拉,目前國內大型客車廠大都采用冷漲拉工藝[3]。冷漲拉工藝使用漲拉機對蒙皮進行拉伸,通過調整漲拉力的大小來達到控制蒙皮直線度的目的,這種工藝不需要加熱,具有節能環保和效率高的優點。

2 客車車身焊裝工藝存在的問題及優化方法

2.1 車身骨架焊接變形

2.1.1 車身骨架焊接變形原因分析

客車車身骨架焊接變形的原因主要有裝配間隙引起的焊接變形、工裝定位拘束引起的焊接變形和焊接工藝設計和操作引起的焊接變形。

1) 裝配間隙過大引起焊接變形。為了獲得良好的焊接接頭,在客車車身骨架焊接過程中,工件與工件之間的裝配間隙一般要求在1.5 mm以下。如果間隙過大,不僅施焊困難,而且會因固態金屬對熔化金屬的表面張力不足而導致熔池脫落,產生焊穿等焊接缺陷[4]。同時,裝配間隙對焊接的工作量和熱輸入量影響很大,間隙越大焊接所需的時間就越長,工件的熱輸入量也越大,焊接變形也越嚴重[5]。

2) 工裝定位拘束不良引起焊接變形。如果工裝定位裝置剛性不好或夾持位置不合適,工件將承受局部外載而發生拘束不良,彈性變形將留在車架結構中,當溫度恢復到原始狀態或局部外載被去除后,弱變形會釋放出來,導致焊接變形。

3) 焊接工藝設計和操作不當引起焊接變形。車架總成焊縫較長,且分布密集,因此焊接順序和焊縫分布對焊接質量有很大影響。當焊接順序不當或焊縫布置不對稱時,不僅會產生收縮變形,而且會產生彎曲變形。特別在焊縫截面重心偏離接頭截面重心時,還會產生角變形。此外,焊接電流過大和焊接速度過慢也會造成焊接變形加劇,因為這些情況都會增大焊接熱輸入量,擴大焊接熔區,導致大的焊接變形[6]。焊接工藝設計和操作不當導致骨架產生焊接變形,形變的積累使得車架總成的尺寸精度超出允許的公差尺寸,從而影響了整車的質量和品質。

2.1.2 車身骨架焊接變形的控制方法

1) 優化焊接工藝參數和流程。為了控制焊接變形的風險,需要合理設置焊接順序和參數。將車架總成焊縫分成幾個分總成分別焊接,然后再進行總裝焊接,使不對稱的或收縮力較大的焊縫自由收縮。同時,盡可能讓焊縫對稱或靠近截面中心軸,以減少結構總體的彎曲變形。焊縫橫向收縮量比縱向收縮量大,因此應將焊縫布置在平行于要求焊接變形小的方向。為減小熱量的集中輸入,長焊縫應采用分段退焊或分段跳焊法。此外,應盡可能減少焊縫數量,避免焊縫過分集中或焊縫垂直交叉。同時,在保證結構有足夠承載能力的前提下,應盡量減小焊縫尺寸。對于受力較小的T型焊接接頭,應選取最小的焊縫尺寸;對于受力較大的T型接頭或十字接頭,應采用開坡口角焊縫來減小焊接變形[7]。

2) 采用反變形和剛性固定方法。反變形法是控制焊接變形的一種有效方法,在組合點焊時給予一個相反方向的變形來抵消焊接變形。焊接變形受多種因素影響,盡管焊接手冊可查到標準反變形量,但實際反變形量仍需通過試驗來確定[8]。當不便采用反變形時,可采用剛性固定法來控制焊接變形。剛性固定是利用外加剛性拘束來減小焊件焊后變形的方法[2],對角變形和波浪變形較為有效,適用于厚度小于10 mm的焊件。客車車身骨架型材的壁厚通常為1.5～6 mm,所以采用剛性固定可達到控制焊接變形的目的。在車架生產中,通常使用焊接夾具定位和緊固,當加固位置合適時,裝夾剛度越大,焊接殘余應力越小,焊接變形量也越小[9]。

3) 采用自動化焊接技術。在車身骨架合裝中應用自動化焊接技術不僅可以提升操作效率和質量,還可以減少由于人為操作不當導致的焊接變形。為了滿足高綱領、高節拍、高柔性的客車車身焊裝生產需求,以及客車行業多品種、小批量、定制化的訂單生產模式,解決客車焊裝總成的柔性制造和自動化混流生產尤為重要。客車焊裝柔性制造系統的建成將推動客車企業由勞動密集型向柔性化、自動化、智能化轉型。憑借自動化焊接控制系統,可更好地進行焊接工藝選擇、焊接參數設置和焊接過程控制,同時借助同步工程[10]評審,有效減小焊接變形和保證焊接質量。同步工程評審可在設計層面對焊接結構和工藝進行分析和評估,預測焊接過程中可能發生的應力集中和焊接變形情況,并根據材料、結構和工藝情況給出優化方案。國內某公司率先開發了焊裝柔性制造系統,其中機器人+激光掃描系統的應用,實現了焊縫狀態自動識別,焊接參數智能選擇,焊縫軌跡自動差補,在提升焊接設備的容差性能和保證焊接質量上發揮了重要作用。同時,冷弧焊、脈沖焊、多層多道焊等焊接方法的綜合應用,有效地解決了客車骨架結構焊縫間隙不均勻、焊接余高偏差大等問題。

2.2 車身外圍蒙皮平整度差

2.2.1 車身外圍蒙皮平整度差的原因分析

外圍蒙皮采用薄板件制成,剛度較低且難以抵抗外部熱和力的沖擊作用,因此外圍蒙皮平整度差是當前客車生產過程中最為普遍的問題,主要表現為以下兩個方面:

1) 側圍蒙皮鼓包現象。大范圍的鼓包主要與蒙皮漲拉不充分有關,尤其在采用一次冷漲拉工藝時較為常見。蒙皮冷漲拉時,其一端與骨架固定,但骨架自身的剛度有限,實際允許的漲拉力較小,導致蒙皮漲拉不夠充分。當側圍蒙皮是部分貼合和固定在車身骨架上時,其整體約束性較差,在外部沖擊和車身振動過程中出現局部鼓包現象。

2) 外圍蒙皮邊緣波浪紋。電弧焊的熱影響區域較大,在采用該方法固定外圍蒙皮時,焊點位置會出現焊接變形,導致外圍蒙皮邊緣出現波浪紋。由于蒙皮是薄板材料(厚度為0.8～2 mm),采用電弧焊存在失穩變形的風險,焊點位置出現波浪變形。波浪變形是一種壓曲變形,由于焊縫產生的壓應力使板材邊緣失穩,發生縱橫收縮,從而形成多重彎曲變形,通常發生在焊接構件的邊緣上[11]。波浪變形的程度與板材厚度直接相關,隨著板材厚度的減小,波浪變形加劇。此外,由于焊接位置處的焊接殘余應力集中,如果這些殘余應力在后續的熱作用過程(如電泳烘烤過程)中被釋放出來,將導致更為復雜的變形[12]。

2.2.2 車身外圍蒙皮平整度改善方法

1) 優化側圍蒙皮漲拉工藝。在客車焊裝工藝中,側圍蒙皮的漲拉是一個重要的環節,但是一次冷漲拉往往無法實現完美的漲緊狀態。為此,可以采用二次冷漲拉進行優化。具體而言,首先將蒙皮用定位夾固定,對蒙皮進行一次漲拉,要求超過其屈服極限,產生一定的塑性變形,然后將蒙皮一端與立柱塞焊固定,一端緊固到漲拉機上進行二次漲拉,漲拉完后再將蒙皮與骨架焊接固定。經過兩次冷漲拉后,蒙皮發生了“形變強化”[13-14],其屈服極限提高,抵抗變形的能力也增強。

2) 優化外圍蒙皮的安裝工藝。在外圍蒙皮的安裝過程中,電弧焊產生不可忽略的熱影響,會導致焊接變形。為了改善外圍蒙皮平整度,可從安裝工藝方面考慮采取以下幾種方法:一是使用熱影響較小的電阻點焊或激光焊來代替電弧焊,由于這兩種焊接方法的熱輸入量較小,可有效減小焊接變形[15]。還可以采用工裝對焊接頭進行加持固定,使待焊處蒙皮內外側均受壓應力,避免預緊力過大造成的修配翹曲,同時通過控制反變形量、夾緊力、過盈量來獲得最佳加緊狀態,以及通過采用合適的漲拉量獲得最佳拉緊狀態,有效消除由于蒙皮受熱軟化、屈服強度下降而導致的壓痕缺陷和波浪紋[16-17]。二是使用雙組份聚氨酯膠粘接+邊緣分段鉚釘工藝。采用鉚釘+粘接工藝可以避免蒙皮邊緣焊接變形,同時解決了粘接工藝效率低的問題[18]。由于新材料和新技術的發展和廣泛應用,現在客車車身覆蓋件已大量使用鋁合金材料和玻璃鋼復合材料。因此,粘接工藝將是未來蒙皮固定的主流方法,研究蒙皮粘接工藝將成為焊裝工藝前沿技術的重要方向。

3 結束語

本文針對目前客車制造過程中焊裝工藝存在的問題,從工藝和技術層面,深入分析和討論了骨架焊接變形和蒙皮平整度差的原因,并基于焊接變形控制最新研究成果和客車焊裝技術進展,提出了優化措施,為分析和解決在客車焊裝工藝中出現的類似問題提供理論支持和借鑒,并為進一步提升焊裝工藝水平、保證客車車身質量提供了創新思路和方案。