乘用车仪表板横梁焊接生产工艺.docx

乘用车仪表板横梁总成焊接生产工艺

（主审论文）

摘要：
仪表板横梁是乘用车内饰件的重要组成部分。它的零部件质量直接决定了车身内饰仪表盘的装配稳定性。我公司历年来承接过多款车型的仪表板横梁的生产开发任务。仪表板横梁的特点是自身结构比较复杂，并且汽车许多关键的动力部件和内饰部件包括方向盘，CD播放装置，手套箱，安全气囊等都要以仪表板横梁为安装基准进行装配。因此对于仪表板横梁的尺寸精度普遍要求较高。根据本厂以往的实际生产情况来看，该类型产品在生产过程中具有返修率高，尺寸不稳定等质量缺陷。
笔者通过对名爵7系中级轿车仪表板横梁的工艺分析，给出了仪表板横梁焊接工艺制定的原则和控制质量稳定的方法。并且将其运用于实际生产，大大改善了仪表板横梁的生产效率，降低了不合格率，为企业创造了可观的经济效益。

关键词：
仪表板横梁支架；电流分段线性控制；CO2保护焊

1． 名爵7系仪表板横梁的结构介绍
3
7
9
10
12
11
5
6
1
4
2
13
8

u 零件清单
序号
零件号
零件名称
1
FGV000060
仪表板横梁左支架
2
FGV000070
仪表板横梁右支架
3
400000258
网关支架
4
AHU500900
转向柱支架
5
AHU500890
传感器支架
6
FAD000110
弯管
7
AJF500130
CD左支架
8
FGD000130
CD中央支架
9
AJF500150
CD右支架
10
AHU500970
螺母支架
11
AHU500940
气囊左支架
12
AHU500950
气囊右支架
13
AHU500880
电控单元支架
5
4
名爵7系中级车的仪表板横梁主体件由冷压弯管构成，如图所示
9
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7
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3
1

该弯管具有8个弯角，其中4号和5号弯角半径是R95，其余弯角半径是R71，另外位置9还有一个平面。这使得整个仪表板横梁的结构较为复杂。该弯管采用CNC65TDRE弯管机成形，然后由冷冲模具成形平面生产，管件总长在1400mm左右；
仪表板横梁的车身装配基准设置再两侧横梁支架上，其与弯管的搭接形式采用三个立面翻边，如图
2
2
1

该焊接搭接形式保证了弯管不会产生轴向转动。直接决定了横梁总成在车身上装配的稳定性。
名爵7系的焊接工艺难点在于中央CD播放器安装支架。该支架由两根长530mm，宽度仅35mm的杆件组成，中央配以横杆支架起稳定作用。如图所示：

笔者比较了公司历年生产的同类型仪表板横梁的结构发现，当杆件长宽比在7：1以上时，必须采用可靠的角焊结构才能保证其结构的稳定性。而此仪表板的初始设计在CD支架处仅给出一个宽度为35mm的槽形开口作为焊接接口，在结构上难以保证杆件由于自身的挠度系数太大，而产生偏转。
在OTS工程样件阶段，笔者发现中央CD安装支架由于结构挠度系数太大，难以保证焊接尺寸的稳定性。通过与整车厂工程师的沟通，最终决定在开口处增加翻边，使得焊接接口形式由开口形式变为封闭的“口”字形式。下图为更改前后的区别：
更改后
更改前

2．焊接生产工艺规范的制定。
初始工艺流程
名爵7系仪表板横梁采用安川首钢MOTOMAN弧焊机器人进行自动化MIG焊接，弧焊机器人配合变位系统组成弧焊工作站。
工作站示意图如图所示：

弧焊工序共分两序：
第一序焊接仪表板左安装支架，仪表板右安装支架，弯管，左右安全气囊支架，转向柱支架。待第一序装夹完毕之后，控制器发出信号，变位机转动，机器人开始对第一序焊接。此时工人开始第二序焊接装夹。
第二序焊接CD左右支架，中央支撑板，电控单元支架，传感器支架，网关下支架。待第二序装夹完毕后，控制器发出信号，当机器人完成第一序焊接后，变位机转动，机器人开始第二序焊接。
3．焊接工序的优化
在样件试制阶段，笔者发现安全气囊支架存在一定程度的尺寸不稳定现象。由于安全气囊是汽车重要的安全件，所以控制其尺寸装配性能非常重要。为了找出变差存在的机理，笔者对仪表板横梁进行了分段工序检测，在第一序焊接完成时对安全气囊支架进行检测，发现此时安装孔位是合格的。然而在第二序完成焊接后，往往安全气囊存在孔位不稳定的现象。笔者认为造成尺寸不稳定的原因主要有两条：
1． 安全气囊支架由于承受载荷较高，所以为了保证具有较高的承载强度，支架的两侧都有角焊缝，而初始焊接工艺为了平衡焊接节拍，在第一序中只进行支架的内侧焊缝焊接，而在第二序中进行外侧焊缝焊接。第二序焊接时由于工装定位已经撤离，如此就容易导致热影响变形。使得孔位尺寸难以保证。

初始焊接工序图：
第二序
第二序
第一序
第一序

2． 电控单元支架在初始工艺流程中是安排在第二序焊接的，由于其与安全气囊位置非常近，而其本身的有4条40mm焊缝，在焊接过程中热输入较大，对其周围零件会产生热影响从而造成膨胀变形。
所以，笔者决定更改初始焊接工艺，将安全气囊支架，电控单元支架在第一序中一次完成焊接。并且采用预调整的方法，来抵消焊接过程中的热变形影响。最终实践证明该方法取得了良好的效果。
优化焊接工序，一序完成。
优化焊缝顺序图
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4．电流分段线性控制
在生产阶段，当仪表板以设计产能进行生产时，笔者发现，CD支架，安全气囊支架依然存在一定程度的不稳定现象，那是什么原因呢？笔者追本溯源，通过对零部件的检验发现，由于CD支架与主体管件的搭接部分处于弯管的斜向部分，因此弯管轴向的细微变动会造成焊接搭接间隙的变化。从而造成焊接质量不稳定，或者焊接易错边。而安全气囊支架由于弯边结构造成两侧焊接间隙不一致。以往针对这种情况，往往采用手工MIG焊接返修方法，此方法生产效率低，延长了工序时间，人为因素大，质量不稳定。为了解决这一难题，
笔者对仪表板横梁的焊接间隙变化进行了分析，将其大致归为两种情况：
1． 同一个焊缝的间隙随着焊接的进行不断变化。
2． 不同焊缝间隙不同。

以往公司采用的恒值电流焊接法，当零件空间焊缝曲率较大，并且间隙有线性变化的地方，当间隙变大时，熔池无法形成，焊接将被迫中断。或者是在间隙较小处产生焊接错边，烧穿等缺陷。因此，若想获得良好的焊接质量，必须精确控制热输入。并且根据间隙大小及时调整电流大小。焊接热输入Q与电流存在如下关系：

式中为电弧热效率，U为电弧电压，I为焊接电流，v为焊接速度。
在单条焊缝焊接时，焊件间隙的变化与时间存在一定的规律，因此电流可以根据时间的变化进行调节。
不同焊缝，焊接间隙不同，当间隙变化不大时，可以不作调整或少做调整。但是当焊接间隙变化过大时，焊接工艺参数必须重新调整。
笔者根据名爵7系仪表板横梁的焊接结构，按照不同的板厚设置的初始工艺参数，如下表：
序号
板厚mm
焊接电流I/A
焊接电压U
焊接速度mm/s
焊接间隙mm
1
1.0—2.0
110~130
15~17
20
0.5—1.0
2
1.5—2.0
130~160
16~18
15
0.5—1.0
3
1.5—2.0
130~160
16~18
15
1.0—1.5
4
2.0－2.0
160~190
19~21
10
1.0—1.5
5
2.0－2.0
160~190
19~21
10
1.5—2.5
由图表可以看出，第2，3组和第4，5组参数虽然板厚相同，但是焊接间隙不同，如果采用恒值电流焊接，将会产生咬边，或者未焊透的焊接缺陷。因此，笔者采用分段线性控制法来解决这一难题。
该方法主要通过PLC进行电流的控制。MOTOMAN首钢机器人焊接系统配备PLC中央控制器，调节电流时，电流变化的步长为某一确定值，可以根据实际情况进行干预，PLC可自动调节电流，但有人工干预时，人工干预优先。
在焊接参数优化的过程中，笔者以把间隙变化较大的点作为电流插值点以方便电流的调整。由于电流是随时间变化的，因此插值点与时间之间的对应关系成为电流调整关键点。
弧焊机器人从初始位置到起弧位置的速度与焊接速度是不同的，因此，笔者采用机器人虚拟ARC-ON/OFF信号和PLC电流分段线性控制模块中的计时器配合，（给出变化表格）来获得各分段较高精度的焊接时间。即在实际焊接前，以实际速度空运行机器人，在示教点处发出虚拟ARC-ON/OFF信号，PLC通过该信号进行计时，获得示教点间各分段的运行时间，并给出示教点处的电流。示教点间各处的电流采用线性插值的方法获得，这样就得到了电流-时间的对应关系。从而继续进行焊接。经过调整后焊接参数如下：
序号
板厚mm
焊接电流I/A
焊接电压U
焊接速度mm/s
焊接间隙mm
1
1.0—2.0
110~130
15~17
20
0.5—1.0
2
1.5—2.0
130~160
16~18
15
0.5—1.0
3
1.5—2.0
150~170
18~20
20
1.0—1.5
4
2.0－2.0
160~190
19~21
10
1.0—1.5
5
2.0－2.0
180~200
21~23
8
1.5—2.5

名爵7系仪表板在2007年10月正式投产以后，该方法被证明非常有效，2007年该产品累计生产2363件，废品数11件，PPM值为4655；2008年该产品累计生产3930件，废品数2件，PPM值为509。大大提高了生产效率，降低了废品率。为企业带来了经济效益。
5．结论：
1． 通过对名爵7系仪表板生产失效模式的分析，得出对于仪表板高精度尺寸位置的焊接，为了抵消焊接热输入不均匀带来的影响，应该尽量采用一次工序焊接完成，并且焊缝顺序应采用闭环结构的形式。
2． 应用电流分段线性控制的策略，精确的控制焊接热输入，使得焊接过程顺利进行。有效解决了仪表板生产中由于焊接间隙变化造成焊接中断，易错边，人工返修率高的缺陷，并成功地运用于生产实际。

参考文献：
1．《埋弧焊焊接参数对单面焊双面成形质量的影响》. 焊接质量控制与管理，2007.8
2．《小直径薄壁铝管材焊接工艺》，上海工程技术大学学报，2006.12
3．《实用焊接手册》，2002
4．《焊接件加工处理工艺与质量检测、失效分析技术及金相图谱实用手册》，2006.11