国内客车顶盖骨架焊装技术现状研究

2020-01-21喻红梅钟月红刘海琼王焱盛魏燕红陆艳红张小山

成都工业学院学报 2020年4期

喻红梅钟月红刘海琼王焱盛魏燕红陆艳红张小山

摘要：车身焊接工艺及装备水平影响客车整体质量和生产效率，其中骨架制造过程中，焊接方法、焊接顺序、焊胎设计的选择是保证焊接质量的主要措施。结合国内大型客车车身焊装技术装备现况，典型的客车顶盖骨架，由5大片或6大片组成，客车顶盖的骨架材料逐渐采用低合金高强高，以及铝合金材料。为了解决应力和变形问题，焊接方法广泛采用低飞溅、高效的MAG焊以及脉冲焊。在焊接工艺装备方面逐步发展为通用化、模块化、柔性化。初步探析客车车身焊装技术装备的发展趋势。

关键词：客车;骨架;焊接技术;工艺装备

中图分类号：TG441文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2020）04-0013-04

A Summary of Current Status of Welding Technology for the

Roof Frame of Domestic Passenger Cars

YU Hongmei1， ZHONG Yuehong2，LIU Haiqiong1，WANG Yansheng2，

WEI Yanhong1， LU Yanhong1， ZHANG Xiaoshan1

（1. School of Materials and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China;

2. Chengdu Bus Co. Ltd.， Chengdu 611730， China）

Abstract： Body welding technology and equipment level affect the overall quality and production efficiency of passenger cars. Inthe frame manufacturing process， the selection of welding method， welding sequence and welding tire design are the main measures to ensure welding quality. By analyzing the current status of welding technology and equipment for domestic large passenger car bodies， it can be seen that a typical passenger car roof frame is composed of 5 large pieces or 6 large pieces， and the frame material generally uses low-alloy and high-strength materials and aluminum alloy materials. In order to solve the problem of stress and deformation， low-spatter， high-efficiency MAG welding and pulse welding are widely used in welding methods. The welding process equipment has gradually developed into generalization， modularization and flexibility.Finally， the development trend of welding technology and equipment for passenger car body was analyzed.

Keywords：

bus; body; welding technology; craft equipment

我國的客车制造技术与国外还有相当大的差距。国外的知名客车企业，如德国的奔驰、曼·凯斯鲍尔、尼奥普兰、法国的雷诺、意大利的依维柯、瑞典的沃尔沃和斯堪尼亚等企业的生产技术已经非常成熟，基本已经达到全电子化[1-2]，而我国的大部分客车企业仍然是机械式的管理系统，自动化水平都不是很高。客车行业小批量、多样化的特点，使得客车车身骨架在制造过程中，尤其是顶盖骨架工序复杂，工装多、杂、乱，不仅占用场地，而且存在维护管理困难、利用率低、成本高、精度低等问题[3-5]。本文比较了目前国内客车骨架结构类型、装配制造的焊接工艺及装备现状，并总结了目前顶盖骨架工胎夹具等柔性化、通用化、模块化等方面的发展趋势。

1 客车顶盖骨架结构分析

1.1 客车顶盖骨架结构分析

客车骨架主要承载车身负荷，且用于连接车身覆盖件及各种车身附件。客车车体结构分为全承载式、半承载式及非承载式3种类型。客车骨架生产制作中必须保证客车骨架的强度、关键位置的尺寸和形状精度。客车骨架是一般为由型材矩形钢管组成的整体框架，常见的由5大片或6大片部分组合而成。5大片包括前/后围、顶盖、左/右侧围。6大片包括前/后围、顶盖、左/右侧围和底架。顶盖骨架由顶横梁和短纵梁形成网状结构，矩形管拼焊而成，一般长7～11 m。清洁能源、新能源客车以及低入口城市客车的推广，使得顶盖骨架除了布置有空调、天窗外，还布置有天然气瓶组、燃料电池车型的氢气瓶组、动力电池组等，极大地增加了顶盖骨架的结构复杂度，骨架结构三维如图1所示。

1.2 客车顶盖骨架的材料

国内客车的选材包括无镀层的低合金结构钢、铝合金、不锈钢，低合金结构钢骨架客车一般选用1.5～2.5 mm厚的Q235作为骨架的主要材料，选用Q195作为预埋件钢板，Q345作为纵梁、STE700TM底部纵杆和长棚杆，因为其强度高且各方面条件都比较适合。其主要的力学性能和用途如表1所示。

随着轻量化技术在客车上应用的推广，铝合金由于具有耐腐蚀性好，平整度好等优点，客车车身骨架材料应用越来越广泛。国内公司参考国外相关技术工作及实验研究，现已能逐步开发出铝合金车身的公交车。2008年宇通公司与国外公司共同开发研究的一款新能源客车，因整车采用减重铝合金材料是整车质量减轻1.4t，拉开了国内铝合金客车生产制造的序幕。由于全铝合金客车优秀的节能性能，国内的东风、申通客车、蜀都客车等客车制造企业都逐步对其开展了创新研究探索[6-8]。2015年起，逐步形成了客车铝合金骨架的完整产业链，如中旺、奥杰、爱普等均是优秀的铝合金型材及客车骨架零部件的供应商。铝合金骨架一般为特定断面的铝合金挤压型材，材料基本都采用形变铝合金6061-T6，其材料性能如表2所示。不锈钢具有较好的焊接性、撞击性、耐腐蚀性，国内某企业已开发制造了不锈钢全承载式车身结构，主要材料为SUS 301L、SUS 304。[9]

2 客车顶盖骨架的焊接工艺现状

2.1 客车顶盖骨架焊接工艺特点

客车顶盖骨架焊缝接头主要是T形接头，焊缝由对接和角接两种形式，整体结构以YO线对称，焊缝多，且分布不均匀，顶盖中后部因布置气瓶组、动力电池组及其外饰罩，使得这些位置焊缝比较集中。焊接过程中，热源的不均匀加热，在焊接热循环的作用下，整体结构会产生较大的残余变形和内应力，导致了焊接收缩的累积效应，顶盖焊接完成后，总长收缩量可以达到6～18 mm不等[10-11]，不均匀的收缩导致焊后出现较大的弯曲变形，如图2所示。

2.2 客车顶盖骨架焊接工艺现状

2.2.1焊接方法的选择

1）低飞溅、高效的MAG焊逐步推广

客车顶盖骨架可用的焊接方法众多，其中应用较多的为焊条电弧焊、CO2焊和熔化极MAG（80%Ar+20% CO2）焊3种，如表3所示。MAG焊熔滴过渡稳定，主要以射滴和射流过渡为主，过渡频率达到100～200次/s，焊接飞溅小、其最大飞溅颗粒直径小于CO2焊，并且焊缝成形美观，熔敷效率高，但其成本相对较高。常见顶盖骨架MAG焊焊接工艺参数如表4所示。

2）脉冲MIG焊提升焊接质量

铝合金和不锈钢顶盖骨架主要采用铆接、螺栓连接及焊接的混合模式，焊接方法主要是TIG、MIG焊。铝合金焊接技术难度比碳钢大，焊后强度损失大，变形大。全数字IGBT逆变控制直流脉冲MIG焊，可有效控制热输入，改善接头性能，有利于消除气孔、裂纹等问题，保证铝合金、不锈钢骨架的焊接质量。

2.2.2 焊接应力及变形研究现状

焊接变形是客车顶盖骨架制造过程中常见的一个问题。目前国内外学者、工程技术人员针对焊接过程中产生的焊接变形及焊接残余应力做了大量研究。Salerno等[12]对厚板焊接残余应力进行了数值和实验研究，可以预测残余应力的大小和位置、延长寿命。许庆华等[13]探讨了不同客车骨架焊接方法及其对客车性能的影响。那景新等[14-17]结合有限元分析软件，研究了焊接工艺对客车骨架T形接头强度的影响、焊角形状及尺寸参数对客车接头强度的影响、焊缝间距与杆件壁厚匹配特性研究并对客车骨架接头焊缝焊接顺序进行了优化。通过制定合理的焊接工艺，可以有效地降低了焊接接头应力值，减少了焊接变形。刘凯[18]针对当前车身骨架焊接技术存在的不足之处，提出了改善车身骨架整体焊接质量的措施，包括从原材料加工、装配顺序等方面，严格控制每一个环节，保证加工质量。雷其会等[19-20]研究了焊接电流、电弧电压及焊接速度对全承載式客车骨架中T形接头焊接变形的影响，并对全承载式客车骨架焊接中的T型接头建模和数值模拟，为焊接电流、电弧电压等工艺参数的选择提供参考。

3 客车顶盖骨架焊接工艺装备现状及趋势

与小轿车的大批量生产方式相比较，客车生产是劳动比较密集的产业，人工作业量很大，而且客车市场竞争激烈性，车型变化快，有旅游客车、公交系列客车、加长型城市快速公交客车等。传统的顶盖骨架胎夹具如图3所示，主要由定位块组成，对焊接变形比较大的位置进行刚性约束，这种骨架工装制作量大，成本高，灵活性小。目前，国内大型客车厂的焊接胎夹具向模块化、通用化发展。

石成义等[21-22]根据产品的共性，对传统的合装胎进行改进，通过模块化设计，实现合装工装兼容多系列多品种车型，构建了通用化模板，减少客车骨架工装种类及数量，提高工装设计质量及效率，缩短客车骨架工装制作周期，减少工装投入，降低了生产成本。崔勇等[23]提出顶盖低位作业的焊装胎夹具，避免了工人操作不方便、工作负荷大、存在安全隐患的问题。尹会华等[24]设计了新型的滑动机构和曲线设计顶盖纵向，横向和流线形的外观造型的通用工装，通过对滑槽内螺栓的调节，可以实现工件长度、宽度和高度3个方向的调整，通用性好，基本能目前客车顶盖的所有结构。顾扬等[25]从骨架焊胎的设计理念进行了改进，提出应该先完成了对单片骨架的应力分析和工艺设计后，才进入焊胎实质性设计阶段。其中，最重要的工作是定位点的设计，他认为弹性约束定位和无约束定位应成为定位块的主体。

铝合金骨架制作与低合金钢骨架不同，要求精度高，完成后不可进行敲击校正，骨架工装还在探索中[26-29]。

4 结语

目前客车顶盖骨架的焊接方法逐渐向先进的低飞溅、高效率的MAG焊方向发展，目前几乎稍大的客车企业均采取的是集中供气，气体主要是80% Ar+20% CO2或者75% Ar+25% CO2。随着铝合金材料的应用，脉冲MIG焊可以减小铝合金焊缝中的气孔、裂纹等问题。从焊角形状、焊接间距、焊接工艺参数等设计，结合有限元数值模拟等技术，优化焊接工艺，降低顶盖焊接残余应力，减小顶盖骨架焊接变形量大的问题。通过设计通用型焊接胎夹具，焊装夹具逐渐向高精度、模块化、可变位方向发展。通过改善焊接方法、焊接工艺、焊装夹具设计等措施，国内客车企业的顶盖骨架制造技术正在缩短与国外先进客车制造企业的差距。

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