白車身試制點(diǎn)焊工藝及焊鉗選型研究

楊闖，趙洲洋，呂鋒，任建新

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白車身試制點(diǎn)焊工藝及焊鉗選型研究

楊闖，趙洲洋，呂鋒，任建新

（華晨汽車工程研究院車身試制車間，遼寧 沈陽 110141）

電阻點(diǎn)焊被廣泛應(yīng)用于白車身焊接試制中，其焊接質(zhì)量直接影響白車身的尺寸精度，從而對汽車的整個試制及研發(fā)過程產(chǎn)生影響。因此文章基于白車身試制，對電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行了簡要介紹，分析了手動點(diǎn)焊鉗的基本結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合實(shí)例對手動點(diǎn)焊鉗的選型進(jìn)行詳細(xì)闡述。

白車身試制；電阻點(diǎn)焊；焊鉗選型

前言

近些年，隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，我國汽車的保有量也逐年增加，人們對汽車的質(zhì)量越來越關(guān)注，這就導(dǎo)致汽車研發(fā)及制造過程中的試制工作也就顯得尤為重要。白車身焊接試制作為車身精度控制的關(guān)鍵一環(huán)，需要不斷改進(jìn)焊接的工藝和方法。同時在項(xiàng)目開始前如果能夠選擇合適的焊鉗庫，對焊點(diǎn)進(jìn)行合理的分配，對焊鉗壓力及焊接參數(shù)進(jìn)行精確的計算，對特殊焊點(diǎn)提前進(jìn)行有效的控制和分析，可以使焊鉗種類大大減少，減少焊鉗及零部件備件，降低投資成本，提高效率以及提升車身質(zhì)量?；诖耍疚闹饕榻B了當(dāng)前市場上白車身試制過程中的點(diǎn)焊工藝，結(jié)合點(diǎn)焊實(shí)際情況對手動點(diǎn)焊鉗的選型進(jìn)行研究分析。

1 白車身點(diǎn)焊工藝

1.1 點(diǎn)焊工藝簡介

點(diǎn)焊是通過焊鉗上下兩電極通電后瞬間產(chǎn)生的高壓，利用電流產(chǎn)生的巨大熱量，瞬時加熱焊接區(qū)域，使其局部高溫熔化，然后綜合上下兩電極夾緊力作用形成焊接熔核，將兩層或多層工件連接在一起。

1.2 點(diǎn)焊焊接的循環(huán)過程

電阻點(diǎn)焊焊接是一個循環(huán)過程，主要分為預(yù)壓階段、通電焊接階段、維持階段及休止階段。

1.2.1預(yù)壓階段

電極兩端壓力逐漸加大，工件受到外力擠壓產(chǎn)生塑性變形，工件之間點(diǎn)接觸，電阻減少，導(dǎo)電截面增大。

1.2.2 通電焊接階段

在電阻熱能和機(jī)械力的綜合作用下形成塑性環(huán)和熔核，直到熔核達(dá)到所需尺寸。

1.2.3維持階段

電極兩端持續(xù)加壓，電流被切斷，機(jī)械力持續(xù)作用，熔核逐漸冷卻結(jié)晶。

1.2.4休止階段

電極停止施壓，為下一個焊接循環(huán)做準(zhǔn)備。[1]

1.3 點(diǎn)焊焊接的優(yōu)點(diǎn)及運(yùn)用

點(diǎn)焊焊接是一種常用的焊接方式，具有焊接變形小、低成本、高效率等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)工件可以采用搭接方法連接，并且接頭對于氣密性的要求不高時，均可采用點(diǎn)焊工藝焊接。點(diǎn)焊技術(shù)要求金屬具有高塑性[2]，因此點(diǎn)焊就成為多數(shù)主機(jī)廠白車身焊接試制中最主要的焊接形式，即使一些氣密性要求較高的總成，也可以采用涂抹密封膠的形式，增強(qiáng)其氣密性。

2 手動點(diǎn)焊鉗的選型方法

在白車身試制生產(chǎn)中，點(diǎn)焊是白車身焊接的主要形式，手動點(diǎn)焊鉗則是焊接中最為重要的工具。因此正確合理的選擇焊鉗型號，不但可以提高操作工人的焊接效率、總成的焊接質(zhì)量以及白車身的焊接尺寸精度，而且還可以合理的配備設(shè)備及操作工人的數(shù)量，從而有效地降低操作工人的勞動強(qiáng)度。

2.1 手動點(diǎn)焊鉗的分類

手動點(diǎn)焊鉗按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為X型焊鉗、C型焊鉗及異型焊鉗三種，而異型焊鉗又分為X型焊鉗和C型焊鉗[3]。但是由于異型焊鉗需要特殊定制加工并且很難用于其他總成的焊接，因此除了一些極特殊需求的分總成外，一般焊鉗選型時盡量不考慮選擇異型焊鉗焊接。

X型焊鉗：

如圖1所示為X型焊鉗，上下兩電極都可以移動，一端電極連接主氣缸，另一端電極連接平衡氣缸，兩極可以同時移動，電極呈現(xiàn)出圓弧線形的運(yùn)動軌跡，提高焊接范圍，可以進(jìn)行跨越式焊接。當(dāng)焊鉗與鈑金件具有一定傾斜角度時，X型焊鉗也能較好的完成焊接要求，保證焊接質(zhì)量，其對鈑金件的位置要求較低。

圖1 X型焊鉗

C型焊鉗：

圖2為C型焊鉗，其中一端電極固定，另一端電極與伺服氣缸連接致使電極可以前后移動，電極呈現(xiàn)出直線線形的運(yùn)動軌跡完成焊接。由于C型焊鉗僅一端電極運(yùn)動，并且結(jié)構(gòu)簡單，因此焊接時能較為穩(wěn)定的保證焊接質(zhì)量。但是其焊接范圍有限，很難進(jìn)行跨越式焊接，一般只能垂直于鈑金件焊接，對鈑金件的位置要求較高。

圖2 C型焊鉗

2.2 焊鉗選型的基本流程

2.2.1確定焊鉗數(shù)量

參照焊接工藝卡、工位及人員布局圖、數(shù)據(jù)模型中焊點(diǎn)的信息，充分了解本焊接工位具體的焊點(diǎn)位置及數(shù)量、焊接板厚及焊接層數(shù)要求，考慮人員站位，分析出所需焊鉗及焊機(jī)的數(shù)量。合理規(guī)劃設(shè)備及人員的工作量，達(dá)到滿足焊接質(zhì)量的要求下，使焊鉗數(shù)量達(dá)到最少。

2.2.2選擇焊鉗類型

焊鉗類型的選擇是焊鉗選型中最為重要的一環(huán)，主要是從操作性、焊接復(fù)雜性及難易度等方面考慮選擇X型焊鉗還是C型焊鉗。在選擇焊鉗的結(jié)構(gòu)形式時盡量使用焊鉗結(jié)構(gòu)簡單、最少數(shù)量的焊鉗完成焊接工作。

C型焊鉗的特點(diǎn)是電極壓力大并且焊接穩(wěn)定，因此鈑金件邊緣以及斜面焊點(diǎn)一般選用C型焊鉗。X型焊鉗從電極臂的長短分類主要有長臂、中長臂、短臂三種型號，分別應(yīng)用在鈑金件中間部位的焊點(diǎn)、一些豎立的焊點(diǎn)、空間有限位置及鈑金件料厚較大的焊點(diǎn)。

2.2.3確定焊鉗臂尺寸

確定焊鉗臂的尺寸主要集中在確定焊鉗的喉深尺寸A和喉寬尺寸B。如圖3和圖4所示。在確定A和B的過程中主要遵循以下原則：

圖3 X型焊鉗臂尺寸

圖4 C型焊鉗臂尺寸

①為了避免焊鉗臂與工裝夾具產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致焊接分流，應(yīng)保證焊鉗臂與夾具的距離保持在30mm以上。

②滿足各焊接工位的工藝及人機(jī)工程要求的同時，應(yīng)使喉深A(yù)及喉寬B的尺寸盡量小，從而減輕焊鉗的重量，降低操作工人的勞動負(fù)荷，保護(hù)操作工人。

2.2.4氣缸型號的確定

氣缸型號的確定就是對焊鉗電極壓力的計算，焊接壓力選擇不當(dāng)時，焊接質(zhì)量則得不到滿足。當(dāng)焊接壓力不足時，電極兩端電阻增大，致使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低，焊接時容易產(chǎn)生飛濺物，焊點(diǎn)氣孔等缺陷，如圖5所示為焊點(diǎn)檢測儀檢測出由于焊接壓力不足時焊點(diǎn)的情況。焊接壓力過大時，電極兩端電阻過小，將會致使焊點(diǎn)壓痕過深，如圖6所示為焊點(diǎn)檢測儀檢測出由于焊接壓力過大時焊點(diǎn)的情況。

圖5 焊點(diǎn)虛焊

圖6 焊點(diǎn)壓痕過深

因此在焊鉗選型時，氣缸的選擇是否合理對焊點(diǎn)質(zhì)量顯得尤為重要。計算電極壓力F的公式為：

式中兩層板焊接時d為較薄板的厚度，多層板焊接時d為多層板總厚度的1/2。

計算得出電極壓力后，根據(jù)上一步驟中確定的焊鉗尺寸計算出氣缸所需的輸出壓力，進(jìn)而確定氣缸的型號。對于C型焊鉗來說F電極等于F輸出。對于X型焊鉗則需利用力矩相等的原理計算出氣缸的輸出壓力[4]，公式如下：

式中L1和L2分別為電極壓力及氣缸壓力的力臂，如圖7所示。

2.2.5確定吊具類型

手動點(diǎn)焊鉗重量在30kg到60kg之間，因此為了提高其操作流暢性，需要選擇合適的吊具吊掛焊鉗，并且需要搭配平衡器來使用。平衡器的作用是，當(dāng)操作焊鉗時，平衡器可以使焊鉗在任意高度懸停，減少操作工人體力的浪費(fèi)。目前手工點(diǎn)焊鉗的吊具主要有固定吊具、轉(zhuǎn)盤吊具、半圓吊具三種[5]。

2.2.6三維模擬

由前五步驟就確定了焊鉗的型號，這時需要將焊鉗的三維模型導(dǎo)入到包含夾具及車身數(shù)模的模型中。首先模擬焊鉗的真實(shí)動作，確認(rèn)焊鉗、電纜、水氣管是否與夾具及鈑金件干涉，如果發(fā)生干涉則需要重新對焊鉗型號進(jìn)行選擇。其次考慮焊鉗的長度及操作的難易度是否滿足人機(jī)工程學(xué)的要求，是否達(dá)到節(jié)省操作工人的體力，減少對他們的損傷的目標(biāo)。如圖8為下車身焊鉗選型的三維模擬圖。

圖8 下車身總成焊鉗選型模擬

3 焊鉗選型實(shí)例

3.1 前縱梁焊鉗選型實(shí)例

如圖9所示為白車身前縱梁分總成，此處加強(qiáng)件需要與下方前縱梁外板焊接在一起，它的焊點(diǎn)的難度在于側(cè)面的焊點(diǎn)。由于加強(qiáng)件為了達(dá)到更好的強(qiáng)度加強(qiáng)的作用，上下左右四周均進(jìn)行折邊處理，但是上面的折邊會對焊接側(cè)面焊點(diǎn)的焊鉗干涉，因此在焊接側(cè)面的焊點(diǎn)時，不能采用完全垂直工件的方式焊接。

圖9 白車身前縱梁分總成

因此前縱梁分總成的焊鉗選型詳細(xì)步驟如下：

①在滿足焊接要求的條件下，考慮到節(jié)省成本、減少更換焊鉗所浪費(fèi)的時間及減輕焊鉗重量，使用盡量少的焊鉗數(shù)量，因此暫時確定焊鉗數(shù)量為1把。

②由于是加強(qiáng)件，鈑金材料較厚，焊點(diǎn)分布在鈑金件的邊緣，考慮到C型焊鉗電極的壓力較大且穩(wěn)定，因此優(yōu)先考慮采用C型焊鉗焊接。但是在焊接加強(qiáng)件下方的一排焊點(diǎn)時，加強(qiáng)件上方的折邊會對焊鉗產(chǎn)生干涉，于是可以采用短喉深的X型焊鉗。

③由3D數(shù)模中測量得到，加強(qiáng)件下排焊點(diǎn)到上縱梁外板下邊緣的最大距離為270mm，加強(qiáng)件的上下邊緣垂直距離為75mm，因此為了達(dá)到降低焊鉗重量，適當(dāng)減少工人勞動強(qiáng)度的目的，我們選用喉深為150mm，喉寬為300-400mm的焊鉗就能達(dá)到我們的焊接要求。焊接加強(qiáng)件側(cè)面焊點(diǎn)時，前面得到的焊鉗喉深及喉寬尺寸均能達(dá)到焊接側(cè)面焊點(diǎn)的要求，但是考慮到焊接夾具L座的高度較低，工人在焊接過程中通常會在標(biāo)準(zhǔn)平臺上進(jìn)行焊接操作，當(dāng)焊鉗長度較小時，工人往往不能直著腰來進(jìn)行操作，對操作人員的身體會有一定程度的損傷。從人機(jī)工程方面考慮，盡量選擇喉寬較大的焊鉗，滿足較少對操作人員的損傷。

④已知前縱梁外板料厚為1.2mm，加強(qiáng)件料厚為1.5mm，加強(qiáng)件上的焊點(diǎn)均為兩層焊，因此d=1.2mm，電極壓力F電極=2400。由測量得L1=600mm，L2=200mm，計算得到F輸出= 7200。

⑤選擇固定吊具搭配100-120kg彈簧平衡器來吊掛焊鉗，在選擇平衡器型號時，除了要考慮焊鉗本身的重量外，還需要考慮水管，風(fēng)管，電氣信號管，電纜等對平衡器的綜合作用力。

⑥將焊鉗、工裝夾具、車身數(shù)模一起導(dǎo)入CATIA軟件中，如圖10所示為三維模擬圖。模擬焊鉗的焊接及進(jìn)出焊鉗的真實(shí)動作時，未發(fā)生焊鉗與車身及夾具干涉的現(xiàn)象。與操作者溝通，反饋得到焊鉗能滿足焊接及人機(jī)工程要求，達(dá)到既能保證優(yōu)質(zhì)焊點(diǎn)又能保護(hù)操作者的目的。

圖10 前縱梁分總成焊鉗模擬

4 結(jié)論

電阻點(diǎn)焊的質(zhì)量對試驗(yàn)車的試驗(yàn)結(jié)果起著關(guān)鍵的作用，對整個研發(fā)周期也將產(chǎn)生影響。了解電阻點(diǎn)焊的焊接工藝、手動點(diǎn)焊鉗的作用原理及結(jié)構(gòu)，選擇合適的焊鉗有助于提高焊點(diǎn)質(zhì)量、提升人員及設(shè)備的合理化水平、提高焊接效率、降低投入成本。

[1] 李連濤.汽車白車身電阻點(diǎn)焊工藝及常見故障模式分析.內(nèi)燃機(jī)與配件,2018.

[2] 袁振江.關(guān)于汽車點(diǎn)焊工藝及焊鉗研究.山東工業(yè)技術(shù),2017.

[3] 程春霞.汽車點(diǎn)焊工藝及焊鉗分析.科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2016.

[4] 周陽.淺析車身開發(fā)過程中焊鉗選型方法.汽車零部件,2015.

[5] 鄭宏良.白車身手動點(diǎn)焊鉗選型的探討.裝備制造技術(shù),2014.

Research on Spot Welding Technology and Electrode Holder Selection for Body in White of Trial Production

Yang Chuang, Zhao Zhouyang, Lv Feng, Ren Jianxin

( Brilliance Auto R&D Center (BARC) Body Prototype Shop, Liaoning Shenyang 110141 )

Resistance spot welding is widely used in BIW welding trial production. Its welding quality directly affects the dimensional accuracy. It has an impact on the whole trial production and research and development process of automobiles. Therefore, based on BIW trial production, the resistance spot welding process is briefly introduced. Then the basic structure of the manual electrode holder is analyzed, and the selection of the electrode holder is described in detail with examples.

BIW Prototype;Spot welding; Electrode holder selection

A

1671-7988(2019)03-183-04

U466

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1671-7988(2019)03-183-04

U466

楊闖，就職于華晨汽車工程研究院車身試制車間。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.061