鋁合金框架車身弧焊焊接應(yīng)力變形的控制

張寧寧?黃成成

摘要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，在汽車行業(yè)的發(fā)展，在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接過程中產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因，是不均勻溫度場(chǎng)以及由它引起的局部塑性變形和比熱容不同的組織。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場(chǎng)尚未消失時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形稱為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形;焊接溫度場(chǎng)消失后的應(yīng)力和變形稱為殘余焊接應(yīng)力和變形。在以鋁合金型材為主的鋁合金框架車身的焊接過程中，由于焊接應(yīng)力與變形引起的焊件形狀和尺寸變化，帶來產(chǎn)品的連接質(zhì)量、幾何尺寸精度、功能以及生產(chǎn)效率造成的影響比其他行業(yè)要大的多，因此，焊接應(yīng)力變形是車身及其零部件設(shè)計(jì)和制造中需要重點(diǎn)考慮的問題。

關(guān)鍵詞：鋁合金框架;車身弧焊焊接;應(yīng)力變形;控制

引言

由于鋁合金的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前世界主要車企在鋁合金材料上不斷加大使用量。例如，在全新一代奧迪A8中，鋁合金的使用比例達(dá)到了58%。在國(guó)內(nèi)，蔚來汽車ES8車身用鋁高達(dá)96.4%，使得車身質(zhì)量?jī)H為335kg。然而，鋁合金與傳統(tǒng)的鋼材在晶體結(jié)構(gòu)和物理屬性上存在較大差異。例如，鋼的熔點(diǎn)為1536℃，而鋁合金僅為660℃，鋁合金的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼。這些都導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接工藝難以實(shí)現(xiàn)可靠連接。目前，汽車車身鋁合金焊接與連接技術(shù)主要如下。

一、工裝夾具主要驗(yàn)證方式

（一）工裝定位剛性負(fù)載驗(yàn)證

預(yù)驗(yàn)收時(shí)需對(duì)活動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)的定位銷和活動(dòng)定位基準(zhǔn)面進(jìn)行重復(fù)定位精度測(cè)量。按照對(duì)定位銷和定位基準(zhǔn)面分別施加10和20 kg負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行每個(gè)方向各10次的重復(fù)性測(cè)量，其中活動(dòng)機(jī)構(gòu)每次運(yùn)動(dòng)都要測(cè)量，施加負(fù)載后的偏差值控制在±0.3 mm為合格。

（二）定位一致性驗(yàn)證

活動(dòng)定位部件在夾具上反復(fù)動(dòng)作定位10次，利用三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)工件或夾具的特征點(diǎn)位置（根據(jù)實(shí)際情況選取，數(shù)量不低于5個(gè)），對(duì)每個(gè)點(diǎn)的偏差進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，每點(diǎn)變化量<0.2 mm時(shí)，夾具定位一致性滿足要求，具體包含定位抓手和大型翻轉(zhuǎn)定位部件（CKZ3T80及以上氣缸驅(qū)動(dòng)）。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(gè)共用孔（位置根據(jù)實(shí)際情況選取，數(shù)量不低于5個(gè)），夾具反復(fù)工作5次，分別測(cè)量共用孔的變化，每次測(cè)量孔徑偏差≤0.5 mm為合格。

（三）產(chǎn)品驗(yàn)證試驗(yàn)

批量生產(chǎn)前每套工裝夾具需焊接10套工件作為試驗(yàn)件，焊后需對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行焊縫編號(hào)，對(duì)焊縫進(jìn)行低倍檢測(cè)，滿足焊接熔深要求方可證明焊接用工裝的可行性。

二、車身材料發(fā)展趨勢(shì)

（一）乘用車

本文從典型乘用車奧迪A8、寶馬7系、寶馬i3車型分析乘用車車身用材的發(fā)展方向，具體分析如下：奧迪A8：D3車型采用全鋁結(jié)構(gòu)車身，減重效果非常明顯。D4車型綜合考慮駕駛室性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，在白車身B柱部位使用熱成型高強(qiáng)度鋼，車身選材以鑄造鋁、擠壓鋁、鋁板材為主，局部使用熱成型高強(qiáng)鋼。D5車型選用多種材料，車身選材以鋁合金、合金鋼為主，局部使用碳纖維復(fù)合材料、鎂合金。奧迪A8產(chǎn)品的升級(jí)，白車身用材向復(fù)合型、多元化材料發(fā)展。寶馬7系：將碳纖維復(fù)合材料、鋼材、鋁材及塑料進(jìn)行組合，其中車身B柱、車頂縱梁/前橫梁、門檻梁、中央通道及C柱使用碳纖維復(fù)合材料和高強(qiáng)鋼。寶馬i3車型：白車身選用多種材料進(jìn)行組合，如碳纖維復(fù)合材料、鋁材、鋼材、膠粘劑等。乘用車車身用材向多元化發(fā)展，同時(shí)提高鋁材的應(yīng)用占比，而鋁材對(duì)車身輕量化效果影響明顯。

（二）商用車

目前國(guó)內(nèi)外商用車車身用材以低碳鋼為主，局部使用高強(qiáng)度鋼，如車門、側(cè)圍、前圍、地板部位，高強(qiáng)鋼用量逐漸提高。考慮輕量化因素，部分車型車身或部件已選用鋁合金材料。在車身選材時(shí)需綜合考慮車身性能、輕量化和成本等因素選用合適的材料。鋁合金材料是否為車身用材的發(fā)展趨勢(shì)，需要進(jìn)一步探討，但車身用材的多元化無疑是汽車行業(yè)的發(fā)展方向。

三、優(yōu)化措施分析

（一）通過工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)控制

（1）合理拆序鋁合金框架車身的結(jié)構(gòu)主要是以鋁型材件為主體構(gòu)成框架，外部覆蓋鋁板材件形成完整的車身骨架總成。在工藝設(shè)計(jì)工序拆分階段，在節(jié)拍允許的前提下，將車身骨架上各零件在空間上進(jìn)行分散、對(duì)稱布置;相鄰零件分序間隔布置?？蓽p小局部焊接變形量，也提高了焊接機(jī)器人動(dòng)作的可靠性。同時(shí)，在后期實(shí)際制造過程中，杜絕打開夾具補(bǔ)焊現(xiàn)象，有利于變形的控制，提升車身尺寸穩(wěn)定性和一致性。（2）優(yōu)化焊接順序同一工序的焊縫焊接時(shí)，按照“先弱后強(qiáng)、先里后外、分段交叉”和車身重要功能點(diǎn)后焊等原則編排焊接順序。這樣可以減少單位時(shí)間內(nèi)焊縫接頭區(qū)域的熱輸入量，使焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量得到充分的冷卻，同時(shí)盡量使相互交叉變形量之間形成對(duì)沖效果，最終減小整個(gè)零件的焊接變形量。（3）優(yōu)化焊接參數(shù)通常主機(jī)廠購(gòu)買的焊接設(shè)備均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，其焊接控制系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)庫和控制波形均為制造商在其焊接實(shí)驗(yàn)室按照通用工況得出的優(yōu)選方案。而在具體項(xiàng)目應(yīng)用時(shí)，需要在工藝評(píng)定環(huán)節(jié)，結(jié)合項(xiàng)目產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行適配性微調(diào)（焊機(jī)廠家工藝人員配合）。在保證焊接質(zhì)量的前提下，通過優(yōu)化焊接電壓、焊接電流基值/峰值、脈沖頻率及送絲速度等參數(shù)，選取合適的焊接波形控制策略，將焊縫焊接所需要的線能量?jī)?yōu)化到最小，焊接應(yīng)力變形也相應(yīng)減小。

（二）激光束焊工藝

通過脈沖或者連續(xù)的激光束照射鋁合金表面，把金屬表面的熱量迅速擴(kuò)散到鋁合金內(nèi)部，使鋁合金快速融化形成一條焊縫。激光焊接加熱集中、焊接變形小，焊接過程易于集成自動(dòng)化、柔性化，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

（三）通過焊后保壓冷卻控制

焊接結(jié)束后，利用夾具上的銅支撐和自然風(fēng)冷，將工件冷卻到環(huán)境溫度+20℃范圍內(nèi)，通過夾具上各控制點(diǎn)的溫度傳感器檢測(cè)到板件溫度符合夾具打開要求后，打開夾具。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，車身骨架總成單工位工時(shí)會(huì)增加60～90s（隨環(huán)境溫度變化），車身下部總成增加30～45s，二級(jí)分總成（前艙總成、前地板總成、后地板總成及側(cè)圍總成）增加60～90s，其他三級(jí)小總成增加10～30s。實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，該措施有明顯地提升尺寸穩(wěn)定性的效果（每個(gè)工位的保壓冷卻時(shí)間需要詳細(xì)的試驗(yàn)得出最佳參數(shù)）。驗(yàn)證方法：使用焊后保壓冷卻法和不使用焊后保壓冷卻的零件進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，樣本數(shù)建議每組4件，共五組。

結(jié)語

鋁合金作為輕量化新能源汽車的主要材料，廣泛應(yīng)用到車身的各個(gè)位置。由于車身構(gòu)件多以擠壓型材為主，而擠壓型材經(jīng)過折彎、機(jī)加工、沖壓等工藝加工后會(huì)影響材料尺寸的一致性，同時(shí)鋁合金焊接時(shí)的專用設(shè)備操作空間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼件焊接的空間，所以在鋁合金焊接工裝的設(shè)計(jì)上應(yīng)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(xì)合理，工裝終驗(yàn)收時(shí)要做充分試驗(yàn)驗(yàn)證。目前，能源、環(huán)境、安全等已經(jīng)對(duì)汽車輕量化提出了迫切需求，而鋁合金材料由于優(yōu)良的性能，已經(jīng)成為使用最廣的輕量化材料。由于鋁合金和傳統(tǒng)鋼材在物理屬性等方面存在巨大差異，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)已不是最佳的連接工藝。目前整套匹配測(cè)量控制方式和量產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)一些較為先進(jìn)的主機(jī)廠都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是仍然是其他一些主機(jī)廠努力的方向。正確使用好匹配和量產(chǎn)的測(cè)量監(jiān)控設(shè)備，會(huì)使不良品率大幅度下降。

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