A柱熱成形補丁板點焊夾具設(shè)計與工藝開發(fā)

徐永吉，王利波

1.屹豐汽車科技集團(tuán)有限公司 上海 200949

2.凱里學(xué)院理學(xué)院 貴州凱里 556011

1 序言

隨著汽車輕量化的提出，材質(zhì)22MnB5的熱成形超高強鋼零件在車身上的使用比例逐步增大，且作為輕量化車身的優(yōu)選鋼種，如寶馬X5車型使用的熱成形鋼在白車身重量占比已達(dá)55%。在汽車行業(yè)中，為提升車輛正面碰撞能力，A柱內(nèi)板通常由兩塊熱成形鋼板組合，稱為Patch Work（中文名：補丁板）[1]。制作補丁板，需在料片狀態(tài)下進(jìn)行點焊，由于其長寬尺寸比例大，導(dǎo)致剛性較差，所以在實際焊接生產(chǎn)過程中存在技術(shù)難點。

因此，本文結(jié)合汽車零部件的焊接夾具和工藝開發(fā)流程經(jīng)驗，主要闡述某車型A柱熱成形補丁板點焊所用的夾具設(shè)計和生產(chǎn)過程中點焊工藝的開發(fā)。

2 A柱補丁板生產(chǎn)工藝流程

汽車行業(yè)所謂的補丁板，一般是由兩塊板在料片狀態(tài)下使用點焊機連接成一體，然后再通過熱壓成形，滿足產(chǎn)品強度設(shè)計需求，其工藝流程如圖1所示。若采用兩塊鋼板在熱成形后再進(jìn)行組合焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計，則會有以下缺點：①與補丁板結(jié)構(gòu)相比，會多使用一套制造加強板的沖壓模具，既增加物料成本，又增加零件成形制造節(jié)拍。②從焊接方面講，鋼板在熱成形前，焊接性優(yōu)于成形后狀態(tài)，且零件熱成形后，因內(nèi)外板存在制造誤差，如間隙超差，則會造成零件焊接困難，所以容易產(chǎn)生焊接質(zhì)量缺陷，如虛焊、熔核小等問題。

圖1 補丁板生產(chǎn)工藝流程

某車型A柱使用鋼板材料牌號為HS1300T/950YAS60，其主板料厚1.2mm，加強板料厚1.4mm，板材均為鋁硅鍍層鋼板，外形如圖2所示。主板料片長度達(dá)到1273mm，寬度僅127mm。主板件表面積大于加強板，且其主定位孔為圓孔，副定位孔為長圓孔。在補丁板材料使用中，一般不使用無鍍層鋼板，主要原因是兩塊無鍍層鋼板貼合點焊后，需經(jīng)過960℃左右高溫輥體爐加熱，在模具中冷卻保壓后，零件表面會出現(xiàn)大量氧化皮，并且夾雜在兩個料片中間，即使后續(xù)增加拋丸工序處理，但也無法徹底清除氧化皮。另外，零件長時間存放會使零件生銹，且內(nèi)部氧化皮也影響零件后續(xù)焊接質(zhì)量。

圖2 補丁板料片

3 補丁板點焊夾具開發(fā)

點焊夾具開發(fā)過程要綜合考慮零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)、夾具設(shè)計原則及人機工程等因素[2]，才能得到一套符合高效生產(chǎn)要求的工藝裝備。

3.1 產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)

該車型年產(chǎn)能要求11萬臺，使用機器人自動化點焊方式，按照每年工作250天，每天雙班生產(chǎn)，每班工作10h，設(shè)備開動率85%計算，工作站規(guī)劃節(jié)拍139s/套。該車型的A柱補丁板分為左右件，每個零件各27個焊點，每個焊點完成節(jié)拍為2.5s（考慮機器人空走時間），分配1臺機器人，左右件各分配1臺點焊夾具，需要135s，低于工作站規(guī)劃節(jié)拍，符合前期規(guī)劃要求。

3.2 夾具設(shè)計原則

在夾具設(shè)計階段，要結(jié)合以往類似零件項目經(jīng)驗、設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并考慮零件焊接過程控制、防錯防漏、人機工程等因素，進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理和風(fēng)險管控[3]。

（1）項目經(jīng)驗 以往開發(fā)另一車型A柱補丁板時，該補丁板由1個主板、3個加強板構(gòu)成，采用常規(guī)具有L形支座結(jié)構(gòu)夾具（見圖3）。在實際焊接生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，因零件剛性差，彈性形變大，導(dǎo)致焊接過程焊鉗和料片抖動幅度大，且焊點數(shù)量為90個，位置比較密集，焊后應(yīng)力難以釋放，所以下料難以從定位銷取出。根據(jù)以往項目經(jīng)驗，此次補丁板點焊夾具更改L形支座結(jié)構(gòu)為料片，放置在BASE板上面直接焊接。BASE板根據(jù)加強板外形尺寸做挖空處理，保證焊鉗可達(dá)性。

圖3 L形支座結(jié)構(gòu)夾具

（2）設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 基于原有歐式設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在B A S E板上增加料片限位塊，作為上料導(dǎo)向功能，提升上料到位成功率，同時考慮在夾具上增加左右件防錯功能、上料無遺漏功能，以及焊接完成后方便取料功能。

（3）防錯防漏 由于加強板料片尺寸小，左右件主副定位距離一致，所以采取人工上料時，容易放反；且人工容易出現(xiàn)漏上料現(xiàn)象，導(dǎo)致焊鉗無法有效焊接。因此，克服上述兩個問題要做到：首先，夾具定位銷在設(shè)計時，主定位孔（圓孔）、副定位孔（長圓孔）均使用圓銷定位，但要區(qū)分二者尺寸大小，使用主定位銷規(guī)格為φ8mm，副定位銷規(guī)格為φ6mm，且料片定位孔按照主副定位銷尺寸公差設(shè)計。若料片定位孔大小一致，則可申請設(shè)計變更，以區(qū)分定位孔大小，實現(xiàn)機械式防錯。其次，在夾具框架上和搖臂上設(shè)置兩個感應(yīng)器，分別感應(yīng)主板料片和加強板，且加強板感應(yīng)器位置應(yīng)進(jìn)行左右上件空間位置模擬，以設(shè)置在左右件非交叉位置，只對單側(cè)零件進(jìn)行感應(yīng)，實現(xiàn)電信號防錯防漏。最后，在夾具框架側(cè)邊設(shè)置料片仿形器，若上件完全正確，感應(yīng)器各指示燈均為綠色，焊鉗方可正常焊接，若上件錯誤，任何一個感應(yīng)器指示燈為紅色，則焊鉗無法工作，實現(xiàn)可視化操作。

（4）人機工程 由于夾具設(shè)計是料片緊貼BASE板，所以手工直接取料費時費力。另外，又針對補丁板焊后應(yīng)力集中導(dǎo)致板件變形，料片不方便從定位銷取出等問題，在夾具框架中增加一套自動翻轉(zhuǎn)下料機構(gòu)，實現(xiàn)焊后料片自動從BASE板脫落功能。

3.3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上信息進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保實現(xiàn)各項功能。使用CATIA軟件對夾具各模塊進(jìn)行設(shè)計，使用ROBCAD軟件進(jìn)行系統(tǒng)模擬分析，確保焊點可達(dá)性。該車型A柱補丁板點焊夾具如圖4所示。該夾具共使用2個氣缸，所連接搖臂用于壓緊零件，保證焊接過程料片不會向上大幅度抖動。由于料片整體貼合BASE板，焊接過程中料片向下位置被限制，因此不會向下抖動。下料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)處于整個BASE支架空間內(nèi)部，設(shè)計巧妙，動力源由翻轉(zhuǎn)氣缸提供。在BASE板靠近機器人側(cè)，設(shè)置4個限位塊，實現(xiàn)上件粗導(dǎo)向，方便員工快速上件。夾具高度為866mm，符合人機工程。

圖4 A柱補丁板點焊夾具

4 點焊工藝開發(fā)

因熱成形補丁板零件的工藝流程復(fù)雜，沖壓后容易出現(xiàn)虛焊、鍍層擠出及焊點拉裂等質(zhì)量缺陷[4，5]，故在補丁板點焊時需對其焊接設(shè)備、焊接參數(shù)與焊接順序等進(jìn)行工藝開發(fā)管控。

4.1 焊接設(shè)備管控

選擇阿賽洛生產(chǎn)的Usibor-AS60/60鋼板，厚度分別為1.4mm、1.2mm，對原材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。受其表面鋁硅鍍層和淬硬性的影響，選擇電動伺服焊鉗（公稱壓力：5kN）、中頻直流焊機。

表1 Usibor-AS60/60主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

4.2 焊接參數(shù)確定

針對補丁板兩種厚度的材料進(jìn)行點焊試片抗剪試驗，以確定合理的焊接參數(shù)，試片長度100mm，寬度30mm，搭接寬度30mm，外形如圖5所示。通過焊后結(jié)果可查看焊點外觀是否存在質(zhì)量缺陷，通過剪切試驗可查看焊點破壞狀態(tài)、焊點尺寸及剪切強度等。

圖5 抗剪試驗試片

通過一系列點焊試驗，結(jié)合正交試驗，得到該補丁板料片點焊最優(yōu)焊接參數(shù)，見表2。

表2 點焊最優(yōu)焊接參數(shù)

4.3 焊接順序管控

由于補丁板焊點較多且密集，若焊點順序分配不合理，則造成零件內(nèi)部有較大應(yīng)力無法釋放，后序在加熱爐內(nèi)會因受熱而導(dǎo)致零件變形，如零件焊后進(jìn)入輥體爐，受熱過程中出現(xiàn)兩端翹起，形成“弓”形，出現(xiàn)卡住輥體爐輥道問題，無法進(jìn)行生產(chǎn)。因此，要根據(jù)補丁板焊點具體分布、焊接節(jié)拍和焊鉗數(shù)量合理分配焊點順序。此焊接工作站配置1把焊鉗，最優(yōu)焊點順序是先點固加強板周邊4個焊點，再從中間向兩邊交替焊接（見圖6），零件實體焊點焊后狀態(tài)如圖7所示。

圖6 焊點順序

圖7 焊后狀態(tài)

5 結(jié)束語

通過對補丁板焊接夾具設(shè)計與點焊工藝開發(fā)進(jìn)行闡述，得出補丁板夾具設(shè)計關(guān)鍵在于料片緊貼BASE板、BASE板挖空處理、定位孔一大一小防錯及感應(yīng)器防漏設(shè)置等因素，而焊接參數(shù)與順序能有效釋放焊后應(yīng)力，降低后序加熱變形帶來的質(zhì)量問題。