輕量化車身用鋁合金焊接工裝夾具的應用

于欣

摘要：汽車輕量化能夠有效節(jié)約油耗和減少廢氣排量，鋁及鋁合金材料的特點及性能優(yōu)勢使其成為當今社會汽車輕量化的首選材料?，F(xiàn)階段鋁及鋁合金材料的連接方式主要為熔化焊，焊接過程中需使用大量的工裝夾具輔助生產(chǎn)。焊接工裝夾具的設計要符合鋁及鋁合金熔化焊的工藝特點;夾具定位要簡單，最大化實現(xiàn)鋁合金焊接的可操作性;同時避免過定位，方便工件裝卸。介紹了鋁及鋁合金的幾種典型焊接結構用工裝夾具的設計形式，以及終驗收時焊接工裝夾具可行性試驗驗證方法。

關鍵詞：焊接工裝夾具;輕量化;熔化焊

中圖分類號：TG 146.2⁺1文獻標志碼：A

近年來，汽車產(chǎn)銷和保有量出現(xiàn)井噴式增長，降低汽車燃油消耗量及廢氣排放量成為了世界各汽車制造商追求的目標之一。研究表明，汽車燃油消耗量與整車的質量密切相關，因此節(jié)能減排的一項有效措施就是降低汽車的質量。一般情況下，汽車質量每減輕1kg，就能節(jié)省汽油0.7L。同時，也減少了大氣中CO₂的排放量，車身質量減少50%，CO₂的排放量就會減少13%，同時也減少了其他有害物質如氮化物、硫化物等的排放，對改善環(huán)境起到了很大的作用。

車身開發(fā)主要分為設計和制造兩個階段，工裝夾具設計和制造是車身制造的關鍵技術。在車身設計時綜合考慮車身制造過程中的各種工藝因素，同時考慮工裝夾具制造的可行性，可避免在工裝夾具制造和車身制造過程中出現(xiàn)大量工藝問題。汽車車身骨架的焊接工藝和焊接工裝夾具設計是汽車制造與加工過程中的關鍵步驟，只有把握焊接和制備工裝夾具的關鍵技術才能實現(xiàn)車身骨架的穩(wěn)固和美觀。

1輕量化轎車白車身

1.1 轎車白車身的定義

車身是指未涂裝前的焊接車身總成。因為焊接車身總成一般都是一些鋁合金擠壓型材和鑄鋁，而且很多覆蓋件都是銀白色的鋁壓延材，所以稱為輕量化轎車白車身。

1.2 車身焊接工裝夾具的定位原則

車身零件在定位時，焊接工裝夾具一般要準確地給其進行定位以保證兩個或兩個以上車身零件之間的相互位置關系?；径ㄎ辉瓌t要符合3-2-1規(guī)則，即零件在空間中有6個自由度，沿3個坐標軸的移動和繞3個坐標軸的轉動，用符號x（旋轉），y（旋轉），Z（旋轉）表示。如果限制了零件的6個自由度，則其在空間就有一個完全準確的位置。采用6個按一定規(guī)則布置的約束點可以限制零件的6個自由度，實現(xiàn)完全定位，稱為6點定位原理，圖2為3-2-1規(guī)則示意圖。

定位裝置有定位和夾緊的作用，分為手動和氣動兩種夾緊方式。定位裝置的設計布置要科學，保證焊槍的順利進入和焊縫的可焊性良好。在滿足上述條件的前提下，盡量用少的定位裝置來完成定位夾緊的功能。

1.3 全球尺寸和公差

全球尺寸和公差（global dimensioning and toler-ancing，GD&T）包含尺寸標注方法和幾何公差兩大部分。

尺寸標注僅是一種表達方式，而幾何公差是GD&T文件的主要內容，它是設計思路（定位方式）的表達，工裝夾具設計的依據(jù)，零件重要特征的粗略定義。通常的車身零件基準需將6個自由度完全約束，一般為3個基準點確定一個面，進而約束3個自由度，一個雙向定位銷約束2個自由度，一個單向定位銷約束1個自由度，因此工裝夾具設計時需要將產(chǎn)品的GD&T信息準確輸入。

2 鋁合金連接技術

2.1 車身連接技術

車身材料及車身位置不同，相應的連接技術也有所不同。目前比較常用的輕量化連接技術為熔化焊、激光焊、自沖鉚、鋁點焊及粘接技術。各種連接技術的簡單示意圖如圖3所示。其中，熔化焊是應用最廣泛的鋁合金連接方法。

2.2 過渡連接方式

鋁型材腔內可植入高強度內螺紋鋁套筒，如圖4所示。該套筒采用熔化焊的方式連接型材上下兩個端面，使型材兩個端面共同承受載荷，同時在型材腔內有加強筋的作用。

3 焊接工裝夾具設計應用與驗收

3.1 工裝夾具基本結構

工裝夾具的基本結構如圖5所示。其中，伺服電機帶動基板360°翻轉，基板承接控制單元的定位裝置，氣缸帶動壓塊壓緊零件，控制按鈕控制整個設備，定位銷定位零件，接近開關檢測零件是否裝配到位。

3.2 典型鋁合金焊接結構工裝設計介紹

3.2.1套筒類定位工裝

鋁合金車身套筒連接結構現(xiàn)已被應用于車身，受到操作空間和結構的限制，套筒焊接需采用鎢極氬弧焊，但套筒材料較厚，與型材焊接時需要較大的熱輸入，熱量會導致零件變形，所以需選擇CKZ3T63以上壓緊力的氣缸，確保有足夠的壓緊力，套筒定位單元示意圖如圖6所示。本設計添加二次開啟功能和異形壓緊塊，壓緊塊選用Cu-Cr-Zr合金，增強散熱。

3.2.2梁與柱封板類結構定位工裝

在梁與柱類結構端部增加封板類結構，可有效地提高型材工件的抗扭強度和密封性。為了保證密封效果，不能在封板上設計定位孔，需設計Z向可調的定位抓手類定位單元來定位封板，同時采用兩個較長的托塊托舉封板，并用可調壓塊壓緊封板，可采用滑動的手持伸縮氣缸來控制封板定位抓手，封板定位單元示意圖如圖7所示。

3.2.3加強斜梁支撐類結構定位工裝

圖8為斜梁支撐定位單元示意圖。斜梁支撐結構顯著提高了鋁合金結構的強度，一般銳角的斜支撐內部不滿足焊接操作空間，無法完成高質量焊縫焊接，由于定位不能采用死定位，選擇“『”型定位塊推緊零件，方便零件裝卸，側面選擇滑動氣缸和活動定位塊。

整體工裝夾具需要增加防錯、防漏功能，手持氣缸需有壓緊到位傳感器，部分難卸下零件的工裝夾具需有舉升裝置，方便卸下零件。設置“導電刷”，避免焊機R線的電流直接通過翻轉伺服電機和軸承而導致電流短路損壞電機和軸承。制定焊接工藝流程時，盡量選擇在工裝夾具上完成焊縫焊接。

3.3 夾具設計時應注意的問題

夾具體是工裝夾具的基本單元，即將夾具的各種元件、機構和裝置連接成一個整體。夾具體的形狀和尺寸主要取決于夾具各組成件的分布位置、被定位工件的外形輪廓尺寸以及加工條件等。在設計夾具體時應滿足以下基本要求：

（1）具有足夠的強度和剛度，穩(wěn)定牢靠;

（2）結構簡單、輕便，在保證強度和剛度的前提下，結構盡可能簡單緊湊，體積小、質量輕和便于工件裝卸;

（3）結構的工藝性好，便于制造、裝配和檢驗;

（4）尺寸更穩(wěn)定且具有一定精度;

（5）清理方便。

3.4 工裝夾具主要驗證方式

3.4.1工裝定位剛性負載驗證

預驗收時需對活動機構、懸臂結構的定位銷和活動定位基準面進行重復定位精度測量。按照對定位銷和定位基準面分別施加10和20kg負載的標準，進行每個方向各10次的重復性測量，其中活動機構每次運動都要測量，施加負載后的偏差值控制在±0.3mm為合格。

3.4.2定位一致性驗證

活動定位部件在夾具上反復動作定位10次，利用三坐標進行檢測工件或夾具的特征點位置（根據(jù)實際情況選取，數(shù)量不低于5個），對每個點的偏差進行數(shù)據(jù)記錄，每點變化量<0.2mm時，夾具定位一致性滿足要求，具體包含定位抓手和大型翻轉定位部件（CKZ3T80及以上氣缸驅動）。

相互配合的零件定位完成后，在相互配合面的位置打若干個共用孔（位置根據(jù)實際情況選取，數(shù)量不低于5個），夾具反復工作5次，分別測量共用孔的變化，每次測量孔徑偏差≤0.5mm為合格。

3.4.3產(chǎn)品驗證試驗

批量生產(chǎn)前每套工裝夾具需焊接10套工件作為試驗件，焊后需對試驗件進行焊縫編號，對焊縫進行低倍檢測，如圖9所示，滿足焊接熔深要求方可證明焊接用工裝的可行性。

4 總結

鋁合金作為輕量化新能源汽車的主要材料，廣泛應用到車身的各個位置。由于車身構件多以擠壓型材為主，而擠壓型材經(jīng)過折彎、機加工、沖壓等工藝加工后會影響材料尺寸的一致性，同時鋁合金焊接時的專用設備操作空間要遠遠大于鋼件焊接的空間，所以在鋁合金焊接工裝的設計上應避免過定位，少用“死”定位，盡量選擇“活”定位，可以多選用二次壓緊和二次開啟命令。工藝拆分要更精細合理，工裝終驗收時要做充分試驗驗證。