汽车副车架弧焊夹具设计

2018-07-12耿滏王浩名李钊文李银波

汽车工程师 2018年4期

耿滏王浩名李钊文李银波

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

车身质量中，焊接质量是汽车生产制造的关键点，也是主机厂技术水平的体现。在汽车焊接过程中，夹具是保证焊接质量的主要设备。众多焊接工艺中，点焊应用最多，目前点焊夹具应用也十分成熟、质量稳定；弧焊主要应用于汽车副车架、座椅骨架、仪表台骨架、前后防撞梁等位置，在车身领域应用比例较少，目前弧焊夹具技术还不够完善，存在产品焊接变形大、精度难控制、设备损耗严重等问题。文章从汽车副车架弧焊夹具的设计方面进行阐述，为弧焊夹具质量水平的改善提供参考，从而进一步提升整车的质量。

1　副车架概况

副车架主要起集成悬挂零部件总成、连接及支撑车身的作用，作为车身与悬挂之间的缓冲体，对车辆舒适性和操纵性的配比起调控作用。

副车架有前副车架、后副车架之分。关键尺寸位置度要求较高，一般和车身有4个或者6个安装点。由于承载和传递车身主要负荷，零件一般由高强度的材料制成，常由冲压板件或型材通过弧焊、点焊等工艺组合而成。同时，由于钣金及型材较厚、弧焊热输入量大、焊道长且集中，焊接冷却过程中形变、应力集中等致使尺寸精度较难控制。

2　副车架弧焊夹具设计

目前，主机厂及零部件供应商生产副车架，一般采用机器人自动化工作站，组成生产线，可高效稳定生产，同时可集中除尘排气，降低焊接对人体产生的危害。工作站包括：机器人及焊接系统、夹具定位系统、外围辅助及安全系统、电气控制系统。

2.1　副车架弧焊夹具构成

夹具定位系统中，副车架弧焊夹具主要由变位机机构和夹具底板、若干夹具单元组合构成，如图1所示。

图1　弧焊夹具

变位机机构的应用可带动夹具及副车架进行±180°任意角度转动，适应焊道在空间上分布，增大焊接可达性，调整合理焊接姿态，从而提高焊接质量[1]。该变位机的翻转轴为机器人外部轴，目前主流机器人厂商都有成熟配套的变位机产品。

弧焊夹具中，零件（机构）的定义与常规点焊焊接夹具的定义一致，个别定义为弧焊专有,例如：

1）焊渣防护机构：用于防止焊渣粘附在副车架及设备有精度要求的部位（配合面、精度孔、螺栓、螺母等），由薄铜板及其支架组合构成。

2）地线转接块：用于连接焊机和焊接区域，由铜块和绝缘材料构成，靠近焊道安装。

3）冷却装置：主要用于焊道集中区域，加快副车架焊接热量发散，提升焊接质量，通过在夹具零件中通入冷却水实现。目前，副车架弧焊夹具较少使用。

2.2　副车架夹具设计

2.2.1副车架定位设计

一般与常规白车身夹具定位一致，按六点定位原则，采用主定位孔、副定位孔及若干定位面控制副车架。选择定位面时优先选平面为主要定位基准，保证加工检测的精度[2]。副车架多由厚板冲压件、管状型材、套筒、小型支架类等多种类型零件组合而成，对以上零件，尤其要注意对焊接变形风险的控制。

管状型材类零件，如图2所示。夹具上要增加辅助防转、防呆限位机构；U形类零件（如图3所示）多用于和控制臂零件安装匹配，因此U形两侧的安装孔有同轴度的要求，且中间止口要保证合理的尺寸公差，夹具定位设计要考虑以上特点；一般副车架和白车身由4个套筒零件（如图4所示）连接，且套筒和副车架连接处焊道分布集中，精度难于控制，目前主流做法将套筒放到同一序定位、焊接，减少累计误差，采用台阶销进行定位，同时防止焊渣飞溅进入套筒端面和内部。对于带螺母、螺钉支架零件（如图5所示），若无定位孔，则采用螺母、螺钉进行定位，防止焊渣粘附螺纹及安装面。

图2　管状零件

图3　U形零件

图4　套筒

图5　螺钉支架

2.2.2夹具单元设计

由于副车架零件厚度大部分在2 mm以上，且形状复杂，因此，一般压头夹紧力要达到≥60 kg（点焊时，一般压力夹紧力为30 kg），这就要求摇臂要控制合理的力臂比例，设计开始选用更大输出力的气缸。目前，夹紧单元样式主要有2种，以气缸种类进行区分：1）圆缸单元，如图6所示。该结构灵活，可用于定位结构复杂、空间紧张的副车架。弧焊环境中，普通气缸活塞杆会因焊渣的破坏致使表面凹凸不平，影响使用效果及寿命，因此，弧焊中圆缸需要选用活塞杆经过特殊表面处理并增加刮圈的类型；2）一体缸单元，如图7所示。该结构简洁，目前应用较多，与常规夹具无差异。气缸缸体为封闭式机构，不受焊接环境的影响。

图6　圆缸单元

图7　一体缸单元

夹具单元中定位块一般距离焊道＞30 mm，对于无法满足此距离或焊接飞溅较多区域，定位块优先采用铍铜（具有一定硬度和良好的机加工性能），减少焊渣的粘附。

副车架焊接后的变形会对夹具产生反向作用力，尤其会出现副车架脱离定位销时卡滞现象，造成取件操作困难，甚至品质缺陷，因此，弧焊夹具定位销单元采用PIN SHIFT结构，焊接后，通过气动方式将定位销脱离副车架，避免人工取件用力不足等情况，尤其在台阶销定位2层板时，焊后会出现钣金错位，更容易造成无法脱销取件问题。

如图8所示，举升单元作为辅助取件装置，结合PINSHIFT定位销单元，可实现副车架顺利脱离夹具。焊接后，副车架短期内温度较高，举升单元也可降低高温对操作者的影响。举升单元一般选用一个气缸带动几组U型零件，将副车架脱离夹具并有效地限制在U型零件内，配合变位机将副车架转到合适角度，方便人工取件。

除了以上常见单元，针对副车架典型结构，例如止口部位，如图9所示，需用专门夹具进行尺寸控制。该夹具结构采用双向支撑，定位止口内部安装面之间的距离，可以有效地避免焊接收缩对止口尺寸的影响，保证副车架和控制臂的有效装配。

2.2.3夹具底板及附属机构设计

弧焊夹具底板一般采用方管型材和面板焊接组合，在没有单元的位置进行去材料处理，如图10所示。目的：1）可大幅减轻夹具质量，减小减速机载荷，提升设备寿命及使用效率；2）可增加副车架焊接时机器人和焊钳的可达姿态，降低示教、生产难度，提高产品成型质量。

图10　底板去材料形式

夹具底板上分布的气管、电缆、地线等都需要做好防护，一般用布置在夹具底板下合适尺寸的线槽进行保护。

弧焊夹具底板上设置地线时，地线搭接位置要靠近焊接区域；当存在多个焊接位置时，要将一个主地线分出几根，分别搭接到对应焊接位置，通过地线转接块实现，铜块连接地线端子，要做到和夹具底板的绝缘，防止焊接时分流，如图11所示。

图11　地线转接块

弧焊焊接中，高温飞溅容易烧坏气管，对此，夹具气路中：1）选用铜管代替气管，铜管具有较好的折弯成型性能，但需要按气动元件摆放位置，夹具结构进行现场定制，操作存在一定困难；2）选用3层结构的气管，中间为铝制层，可有效防止焊渣烧穿内层气管，具备良好的柔性，可按常规布置走线。

2.2.4副车架焊接工艺

对机器人、焊枪、结合夹具对产品焊道焊接可达性进行仿真模拟。焊接过程中，变位机配合机器人将副车架转至焊道最佳焊接位置，由机器人带动焊枪以最佳的焊接姿态对副车架进行焊接。在模拟中采用平焊、横焊及立焊，不采用仰焊姿态。在焊道起收弧的位置前后至少预留10 mm焊钳移动空间。

为减小焊接变形，工艺上可行方法：1）副车架形状基本对称，可从两侧同步对称位置进行焊接；2）对于长焊道，采用先点定，再分段、间隔焊接的方法；3）增加冷却时间。保证副车架安装精度的方法还有：采用专机压入衬套。

3　副车架夹具设计注意事项

考虑到副车架厚板弧焊形变，在设计夹具时，垫片厚度在3 mm的基础上适当增加。工件检测接近开关要具备耐热、防飞溅性能，以提高使用寿命。为防止焊渣在夹具上积累，弧焊夹具零件之间的连接，原则上采用六角头螺栓紧固，对于需要调整的零件，采用内六角圆柱头螺钉及保护盖紧固；对于内螺纹圆柱销，采用对应小号六角头螺栓来防护内螺纹区域。