CMT焊工艺在天窗顶盖薄板上的应用与研究

2022-03-21张文朋程康康邵金金

汽车工艺师 2022年3期

张文朋，程康康，邵金金

奇瑞汽车股份有限公司安徽芜湖 277410

随着汽车在普通家庭中的普及，消费者对产品的质量要求越来越高，不仅仅局限于动力和空间，而且对外观质量要求也越来越苛刻。由于车身表面的平整度及光顺度直接影响消费者的审美选择，所以控制并减轻车身表面变形，提升车身外观质量，对于当前汽车制造企业来说至关重要。

白车身上的天窗顶盖由顶盖本体和天窗加强板连接组成，其连接工艺主要有点焊、滚边、压合及CO2焊等。由于顶盖本体较薄（0.7mm），焊接过程中易变形，进而影响外观质量，所以选用CMT焊。CMT焊是一种全新的MIG/MAG焊接工艺，其热输入量比普通的MIG/MAG焊要低。

现状调查

公司某车型的天窗顶盖本体（厚0.7mm、材料DC04）和天窗加强板（厚1.5mm、材料DC06）连接设计为CMT焊工艺，通过收集统计2021年4月份5个批次的顶盖机器人CMT焊问题，发现单个总成零件的焊缝不合格率平均为56.7%，见表1。

表1 2021年4月份顶盖机器人CMT焊问题统计

调查发现，天窗顶盖CMT焊焊缝主要缺陷有：咬边、未熔合、焊瘤、烧穿、气孔以及CMT焊顶盖表面变形等。

统计缺陷占比情况，发现CMT焊顶盖表面变形占总问题的70.15%（见表2），占比较大。这些数据分析表明，即使应用了热输入量更低的CMT焊设备，在薄板焊接过程中仍然出现了很多变形问题，所以需要进一步排查变形的原因，解决CMT焊工艺外造成变形的其他因素。

表2 2021年4月份顶盖机器人CMT焊问题各类缺陷占比统计

变形过程理论分析

分析研究变形位置焊缝的实物状态，由如图1、图2所示的现场实际焊缝正面图及反面热影响区，可以看出焊接后的热影响区很大，零件的R角根部位置已经发黑。由此可见，焊缝热量一部分传递到了外板表面，导致表面发热发黑。

图1 焊缝正面

图2 焊缝反面热影响区

为了更好地了解变形过程，将该车型天窗顶盖总成焊接位置剖切进行展示，如图3所示。蓝色为0.7mm厚的顶盖外板本体，青色为1.5mm厚的加强板，红色圆圈为弧焊焊缝，红色细虚线为弧焊热量散热路线趋势，弧焊后一部分热量空冷散掉，一部分热量传递至顶盖外板本体表面，导致出现如红色粗虚线所示的变形。

图3 天窗顶盖总成焊接位置剖切示意及焊缝散热示意

制定对策及实施

经过变形过程理论分析得知，造成弧焊后顶盖表面变形的主要原因是变形位置热量大，只要降低变形位置的热量即可减轻变形。

为了降低变形位置的热量，主要从产品设计、工装设计、焊接参数及机器人轨迹等几个方面制定了对策，来开展验证工作。

1.产品设计

移动焊缝位置，使焊接热源远离外板表面。设计初始阶段，考虑可由人工操作进行CMT焊接，在天窗加强板焊缝位置开了缺口（见图4），作为焊接标识，指导员工焊接位置。开缺口后导致天窗加强板翻边变短，焊缝距离变形的顶盖本体更近了，导致焊接后热量传递到顶盖本体更多，出现变形。经与产品部门对接，将焊缝从缺口位置重新定义在了旁边的非缺口位置（见图5），将焊缝到变形表面的距离从4mm增大到了6.5mm（见图6）。

图4 焊缝布置在非缺口位置

图5 焊缝布置在非缺口旁边位置

图6 焊缝布置在缺口位置及非缺口位置到变形表面的距离剖切示意

2.工装设计

焊缝位置增加夹紧散热机构，加快变形位置焊接后的散热。工装改造增加铜块作为散热机构（见图7），焊接后手触铜块，明显感觉到热量，说明焊缝一部分热量通过铜块散掉（见图8），这样既减少了顶盖本体上的热量，又减轻弧焊后反面变形。此外，散热定位机构对焊缝位置进行了夹紧，可有效保证弧焊焊缝位置的尺寸及位置度，有利于机器人弧焊焊接。

图7 焊缝位置散热机构

图8 焊缝在无铜块散热及有铜块散热情况下散热示意

3.焊接参数

由于焊接参数过大会导致热量大、变形大；反之，焊接参数过小会导致热量小，存在未焊透的问题，所以需要选择合理的焊接参数。

通过调整弧焊电流进行了调试验证，为规避板件搭接间隙波动的影响，验证过程中板件间隙控制在0～1mm，最终得出适用此板材（0.7+1.5）mm焊接的最佳参数，具体如下。

电流为83A，焊接后出现反面变形；电流为78A，焊接后反面变形减轻；电流为72A，焊接后反面变形减轻，但熔核直径低于5mm，不能满足质量要求（产品CAE计算，要求熔核直径＞5mm）；电流为65A，焊接出现未熔合。针对上述验证结果，建议针对（0.7+1.5）mm搭接形式板材的CMT焊，焊接电流设置为78A。

4.板件搭接间隙

弧焊对板件搭接间隙要求一直较高，尤其是机器人弧焊，对板件搭接间隙及位置度有更高的要求。上述工装设计方案增加的铜块散热机构有效保证了板件焊缝位置的尺寸及位置度，有利于机器人焊接。产品设计上针对不同板件厚度和搭接形式对间隙定义不同，本次定义为0.5mm，实际调试过程中板件搭接间隙对焊接后变形的影响仍然需要验证评估。

验证过程发现，板件搭接间隙对弧焊后反面变形存在间接影响。板件搭接间隙在0～1.5mm，可采用弧焊焊点形式，焊接时间短，热量低；板件搭接间隙超过1.5mm后，弧焊焊点形式的熔核不足以填充板件间隙，存在弧焊后咬边或未熔合缺陷，故需采用弧焊焊缝形式，选择外板-内板编程轨迹，但此方式焊接时间长，焊接过程热量大，易造成弧焊后零件变形。

综上，调试过程中需要控制单件尺寸及板件搭接间隙在0～1.5mm，可满足机器人弧焊要求。

5.机器人轨迹调试

除了合理的焊接参数，机器人轨迹调试同样重要。验证过程中发现，焊丝在搭接板件的位置（见图9和图10）与板件配合间隙需要合理配合，才能保证焊缝熔核质量。

图9 焊丝位置

图10 焊丝在搭接板件的位置剖切示意

验证过程发现：板件搭接间隙为0时，焊接后熔核受重力作用，会自然下流，调整机器人轨迹，使焊丝高出搭接理论位置0.5～1.0mm，焊缝成形更好；板件搭接间隙为1.0mm时，调整机器人轨迹，使焊丝在搭接理论位置，焊缝成形更好；板件搭接间隙为1.5mm时，调整机器人轨迹，使焊丝低于搭接理论位置-0.5～0mm，焊缝成形更好。为了更好地指导后续车型现场调试，整理了焊丝距离板件搭接理论距离与板件搭接间隙建议区间（见图11），建议按照图示虚线框区域开展调试工作。