黃 興，黃仁果，覃建弄，韋樂俠，肖 翔

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

目前國內(nèi)皮卡進城路權(quán)逐步解禁，皮卡成為高預期的下一個藍海市場，目前行業(yè)現(xiàn)存者以及新興造車勢力都在紛紛布局。隨著國民生活水平不斷提升，皮卡產(chǎn)品全面高端化、乘用化，以長城汽車為首掀起了獨特的皮卡越野文化。主流皮卡目前均采用非承載式車身的車架，擁有整套完整的獨立縱梁，具備超高的結(jié)構(gòu)強度。本文主要通過試驗研究，采用統(tǒng)計學對非承載式車架縱梁的焊接變形進行多個維度的分析和控制手段的總結(jié)，目的在于為類似結(jié)構(gòu)的皮卡車架的縱梁開發(fā)提供新的開發(fā)思路和有效的解決方案。

1 縱梁結(jié)構(gòu)分析

某款皮卡車的縱梁總長5m，焊接工藝過程將該縱梁劃分為前段縱梁焊接，中后段縱梁焊接，本文主要分析前段縱梁焊接。其中前段內(nèi)板、前段外板、吸能板直接沖壓成型，內(nèi)、外板對扣進行合拼焊接，焊縫為對接焊縫，焊縫總長約3.6m，該縱梁如圖1所示。

圖1 前段縱梁結(jié)構(gòu)簡圖

2 焊接變形趨勢預判

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，內(nèi)、外板水平放置時存在高低差，外板板厚3.5mm，內(nèi)板板厚3.0mm，屬于厚板板料沖壓，會存在殘余應力，沖壓出來之后內(nèi)、外板會存在一定的扭曲跟翹曲現(xiàn)象。另外一方面利用產(chǎn)品數(shù)模進行CAE分析得出，焊接完成后，縱梁的后端變形量比前端嚴重，如圖2、圖3所示。

圖2 縱梁CAE變形量分析報告

圖3 縱梁CAE變形量分析報告

3 縱梁焊接夾具設計

傳統(tǒng)的車身點焊夾具通常比較輕便，重量輕、用料少、氣缸小，base板較薄，支基較高等特點，但是對于5m多長的非承載式車架來講，以往的這些規(guī)格顯然無法抑制強大的焊接變形及產(chǎn)生的應力。所以在夾具設計時要將base板做得足夠強壯，支基不能過高，某些情況使用雙層支基強度會得到更好的保證。于此同時，氣缸的夾緊力也顯得尤為重要，在焊接過程中會產(chǎn)生比較大的焊接變形，氣缸夾緊力不足會導致縱梁扭曲、翹曲。

該縱梁的夾具設計上有兩點與傳統(tǒng)的弧焊夾具截然不同，第一個是氣缸的選用。夾具安裝有7個SMC車架夾緊缸，采用全包圍的形式將前縱梁內(nèi)、外板扣合面緊緊壓住。采用這個氣缸有以下幾個優(yōu)點：

（1）重復定位精度高，可采用利用夾持器的標準裝備，可高精度地再現(xiàn)夾持時夾臂的停止位置。

（2）抑制前縱梁蛇形變形，壓緊狀態(tài)單點可調(diào)，與此同時氣缸輸出壓緊力達到20000N，能夠壓彎個別位置，焊接前起到反變形作用，夾緊力如圖4所示。

圖4 氣缸夾緊力曲線圖

（3）焊接過程中死點機構(gòu)自鎖效應，能夠限制變形，減小變形量。

（4）最終回歸到產(chǎn)品本身，工藝規(guī)劃前縱梁采用機器人焊接，對于零件的搭接間隙要求很高，產(chǎn)品理論設計0.5mm間隙，但是鑒于前縱梁S型并且?guī)в懈叩筒畹慕Y(jié)構(gòu)導致沖壓成型比較困難，但是車架夾緊缸有足夠大的夾緊力可以使得搭接間隙較大的部位仍然可以被壓貼合，可以有效的保證焊接的焊縫質(zhì)量，焊接夾緊如圖5所示。

圖5 焊接夾緊示意圖

第二個是具有自動反變形功能。車架焊接相比較于車身點焊件，弧焊焊接會產(chǎn)生巨大的焊接變形，焊接變形無法消除只能想辦法進行控制，縱梁是整個車架關鍵的搭接框架，如果不能控制住縱梁變形就無法達到車架總成要求的尺寸精度。

自動反變形夾具結(jié)構(gòu)見圖6所示，base板上帶有四個浮動機構(gòu)，每一個浮動機構(gòu)由一個伺服電機跟頂升機組成，夾具的基準及壓緊隨著模塊浮動而浮動。內(nèi)、外板裝件扣合后，平面跟側(cè)面全包圍全部夾緊到位，機器人進行點定點固，使得工件變成一個具有一定整體結(jié)構(gòu)的剛性體。點定之后通過PLC程序控制私服電機進行Z軸運動，從而實現(xiàn)自動化反變形。人工只需在控制屏幕輸入對應私服電機的位移方向跟行程即可，操作方便、快捷。于此同時，在頂升機運動時的行程精度主要由絲桿傳動精度決定，然而絲桿傳動精度是由絲桿與渦輪螺母和渦輪蝸桿的背隙決定，精度在0.15mm～0.2mm之間，比起人工調(diào)節(jié)墊片的傳統(tǒng)方式，精度得到極大的提升。

圖6 自動反變形夾具簡圖

4 縱梁焊接工藝

在布置縱梁焊縫的工藝時要遵循一些原則：對稱加熱，力求分散；均勻分布，切勿集中；先主后次，先短后長[1]?，F(xiàn)場進行多輪的焊縫順序調(diào)整然后試焊，該縱梁焊完后進行CMM測量，在縱梁上取13個測量點，發(fā)現(xiàn)縱梁的焊接后變形仍然較大，最大變形有5.5mm，連續(xù)測量2臺數(shù)據(jù)表明變形量穩(wěn)定，如圖7所示。

圖7 兩臺CMM數(shù)據(jù)曲線圖

為了能夠保證該縱梁尺寸在公差范圍，滿足下一序整個車架的搭接匹配及其裝配尺寸，決定使用自動反變形工裝對縱梁進行焊后校型，第一次驗證讓分布在測點1-6之間的1、2#私服電機垂直往下運動5mm，校型后測量發(fā)現(xiàn)變形量變化很小，之后分別輸入位移量10mm、15mm、20mm進行驗證，結(jié)果數(shù)據(jù)表明：焊后校型有作用，但是校型量與輸入量呈正相關性很小，當輸入5mm時帶來的變化量只有1mm左右，當輸入量為20mm時帶來的變化達到4mm，但是很多測點無變化，無法有效達到目標，焊后校型變化量見表格1所示，曲線如圖8所示。

表1 焊后校型的縱梁變形量

圖8 焊后校型的縱梁變形量曲線圖

通過數(shù)據(jù)分析得出，焊接完成后的縱梁剛性體太強，通過私服電機往下驅(qū)動的拉力可以有輕微的校型效果，但是縱梁長度較長，私服電機的外力無法使已經(jīng)完全結(jié)合為一體的剛性框架再發(fā)生大的變化。于是吸取經(jīng)驗，利用自動反變形夾具對該縱梁進行焊前反變形。在工件裝夾以后機器人進行焊接點定，通過縱梁的變形數(shù)據(jù)來輸入不同的變形量并進行焊接驗證，經(jīng)過大量的實際驗證得出，當1、2#伺服電機分別垂直往下運動7mm和10mm時，焊接出來的前縱梁變形量可以控制在1mm以內(nèi)，可以滿足下一序的零件匹配及車架的裝配要求。采用該方法進行驗證，連續(xù)采集了4臺縱梁的CMM數(shù)據(jù)樣本，變形量數(shù)值見表2所示，焊前預變形后，縱梁焊接變形量曲線如圖9所示，滿足尺寸要求，變形量控制在1mm以內(nèi)。

表2 焊前預變形之后的縱梁變形量

圖9 焊前預變形之后的縱梁變形量曲線圖

5 焊接變形原因分析

通常，將焊接變形分為兩類：總體變形與局部變形。在實際結(jié)構(gòu)中的這兩類變形是同時存在的[2]。

（1）縱梁受外力作用就會在其中產(chǎn)生內(nèi)力，其大小與外力相等，而方向相反。本身縱梁的板厚3.5mm，板料在經(jīng)過沖壓成型之后本身帶有一定的變形，所以說縱梁在焊接前的沖壓單件狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變形。

（2）縱梁焊接時受熱膨脹，引起金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，特別是受熱不均勻時變形會更大，同時變形程度受單位時間內(nèi)的熱輸量影響較大，短時間內(nèi)縱梁的熱輸入量大即產(chǎn)生的焊接變形也會相應的變大。

（3）縱梁在夾具上被車架夾緊缸全部夾緊合抱住，此時再均勻受熱時縱梁是不能夠自由的膨脹和變形，但是在實際生產(chǎn)中焊接完成后將工件取出，此時的工件不受外界條件的任何約束，冷卻過程也不均勻，根據(jù)金屬材料的熱脹冷縮的物理性能，此時的縱梁的外部尺寸會不斷的發(fā)生變化。

（4）縱梁在夾具上受力不均勻，垂直平面跟水平面的氣缸壓緊力大小不一，受力不均勻，當3米多的焊縫在焊接時產(chǎn)生的橫向收縮跟縱向收縮不同且沒有規(guī)律。

（5）縱梁由內(nèi)、外板搭接扣合，沖壓件之間存在間隙，理論設計存在0.5mm，但是沖壓件很難做到所有的搭接邊間隙都是0.5mm，當間隙值越大，焊接填充金屬就更多，產(chǎn)生的變形就越大，搭接間隙與變形量呈正相關性。

6 結(jié)束語

縱梁是整個車架的重要框架，所有橫梁及其他附屬支架都跟縱梁有直接的搭接匹配關系，縱梁的尺寸精度符合要求及穩(wěn)定性極其重要。

經(jīng)過對該縱梁的研究分析，總結(jié)出以下幾點：（1）縱梁是整個車架的一部分，需要加深對整個產(chǎn)品的理解，了解清楚匹配關系，主次關系，對結(jié)構(gòu)仔細分析；（2）縱梁夾具設計的氣缸選用、反變形方案尤為重要，自動反變形夾具取代傳動的調(diào)節(jié)墊片夾具能夠更精準、更快速調(diào)試，大大地減少了人工調(diào)試時間；（3）焊接預變形的效果要明顯好于焊接后校正。