整体式车架变形矫正控制研究

许立国 李小荣 阮宏福

摘 要：采用CO2焊接的整体式车架的焊接变形矫正控制，目前在国内尚属较为陌生的领域。本文从自身车型实际出发，以一款CO2焊接为主要焊接工艺的车架为例，探讨了影响整体式车架焊接变形的因素，并从夹具设计、工序拆分、焊接顺序、矫正工位、反变形等方面介绍了如何进行整体式车架单件变形及焊接变形的矫正控制。以其成功的案例，为整体式车架的应用探索迈出了坚实了一大步。

关键词：整体式车架；焊接变形控制；矫正；CO2焊接变形

我公司开发的某款越野车，独立车架为整体式结构。此种形式的车架有材料利用率高、焊缝少，生产成本较低，车架质量轻、抗扭转和抗弯曲强度好的优点。但是由于整体式纵梁成形差、CO2焊接变形大等因素，导致车架各安装点尺寸不稳定，从而出现总装件装配困难、四轮参数不合格等质量问题。

针对上述质量问题，我们采用多方面的优化措施，最终有效控制了车架安装点的精度要求，以满足总装装配及整车性能要求。

一、前言

车架是非承载式车身车型的重要组成部分。汽车各总成都直接或间接地安装在车架上，车架是承受载荷的基础件，它既承受汽车的静载荷，还要承受汽车行驶中的动载荷。

整体式独立车架的基本参数为4450mm×1380mm×420mm，主体由左右两根整体式纵梁和七根横梁组成。对于重要安装点（上下摆臂、发动机、转向机、前后桥安装点），精度公差为±1.5mm，一般的安装点精度公差控制在±2.0mm。

二、影响整体式车架精度因素分析

2.1 冲压件精度

由于车架纵梁本体是非等截面梁，且存在很多的横弯和纵弯，整体式纵梁冲压制件成形的工艺性差，在制件成型后存在严重的扭曲、反弹现象。根据我们对冲压件成品检具检测的结果，其回弹角只能控制到1°-2.5°，反弹为3-5mm，扭曲达到10-20mm。而纵梁又是车架最关键的冲压件，从整个车架结构上看其他定位小件均依附于纵梁，纵梁的不稳定将直接导致其上焊接的小件的不稳定，因而纵梁的不稳定直接决定车架的精度的控制难度。因此要想控制整体式车架的精度，首先要控制整体式纵梁的精度和稳定性。

2.2 工艺原因

前期SE分析包括工艺拆分的工作，直接影响到焊接车架最终的尺寸精度和调整的可能性。在工艺分析阶段必须充分考虑整体式车架的特殊要求，CO2焊接的工艺特性，在满足节拍的前提下，尽量遵守将组成主体的纵梁和横梁工序OP10完成焊接，对于功能尺寸要求的冲压件必须拆分在同一工位的原则。

为了有效控制CO2焊接变形，必须选择合理的焊接参数和焊接顺序。车架厚板件焊接参数为焊丝直径1.2mm，焊接电压为16-21V，焊接电流为150-180A。焊接顺序应尽量采用对称焊接，以使焊缝引起的变形相互抵消；焊缝不对称的，应先焊焊缝少的一侧。对于较长的焊缝，尽量采用分段跳跃式焊接。

2.3 夹具设计因素（矫正工位、反变形控制）

整体式车架冲压件料厚在2-4mm之间，采用CO2焊接，其功能尺寸和工艺要求对夹具的结构和形式提出了不同于薄板点焊夹具的要求。在夹具设计时，优先考虑实际工件的尺寸精度以及车架安装点的功能尺寸要求，且针对焊接变形大，取件困难等问题确定预防措施。

三、整体式车架精度矫正控制方法

整体式车架由于其特殊自身尺寸和工艺要求，需要在以下几个方面加以控制，以达到车架精度满足总装装配需要和整车性能要求的目的。

3.1 针对纵梁单件的矫正控制：

从上文所述，整体式纵梁的反弹和扭曲将严重影响整体式车架的Y向和Z向精度，但从冲压件及模具本身完全消除整体式纵梁的反弹和扭曲无法实现，故从夹具上如何减少整体式纵梁的反弹扭曲影响成整体式车架的精度矫正控制的重点。这就决定了对于整体式车架的夹具，它已经不单单是对工件进行定位的工具，同时它要担负起控制冲压件变形，甚至对其进行校正的作用。

3.1.1 针对纵梁单件反弹的控制：

车架纵梁结构剖面如上图（图2）所示，其为一个大U型的纵梁外板和带翻边的纵梁内板扣在一起构成闭合的盒装结构。纵梁本体受结构的影响其开口反弹如图2所示，对此焊装在纵梁外板与内板搭接处增加随型液压夹具（图3）对纵梁外板开口尺寸进行校正后再焊接可以消除纵梁外板的反弹对纵梁总成精度的影响。

3.1.2 针对纵梁单件扭曲的控制：

整体式纵梁受其长度及其结构形状的影响，引起形状在Y、Z方向均有弯曲型面，且型面较多，所以冲压制件在Y、Z方向上均有较大程度的扭曲，除在冲压工艺上进行控制外，焊装也需采用反变形的控制手段进行控制。

反变形控制需要工程师们根据经验与变形的规律，在现场试验和模拟试验，焊接前预先将焊接制件向着与焊接变形相反的方向变形或移动在纵梁单件内部形成一定的预应力，在焊接过程中，工件受CO2焊接热量的影响形成热变形，在应力的作用下，使工件预应力与焊接应力抵消达到焊接变形的目的。根据CO2焊接变形量，对于车架的CO2焊接夹具，调整垫片厚度总和为H1，原则上要求厚度为8mm（如图3所示），对于规制块H1=5mm+0.5mm×2+1mm×2，对于定位销H1=5mm +0.2mm×1+0.3mm×1+0.5mm×1+1mm×2，个别位置根据实际状况进行调整。

3.2 纵梁总成的矫正控制：

对于一个4.5m长的整体式纵梁，纵梁内外板的整个CO2气体保护焊的焊接长度约为9m，按照正常CO2气体保护焊的焊接速度为25m/h计算，等于车架持续受热约0.36h，同时受热部位遍及纵梁的每一个地方。如果热量得不到很好的释放与散发，则会对纵梁造成较大的热变形。

3.2.1 焊接顺序控制：

因为弧焊量太大，整个纵梁受热太多，导致纵梁的变化量较大，因此在焊接工艺及焊接顺序上需要进行控制。我们采用的方法是跳跃式分段焊接，避免焊接热量集中，减少焊接热量对纵梁造成的变形，同时又可以使其焊接应力达到相互抵消。

如图5所示（黑色部分为第一序焊缝，白色部分为第二序焊缝），在每一序均采用跳跃式焊接方法可有效减少CO2焊接变形量。

3.2.2 车架总成利用横梁进行反变形控制

考虑焊接变形的无法消除，在车架OP10工位利用各横梁对纵梁总成Y向和Z向进行定位控制，如图6所示，此处控制可有效消除纵梁总成Y向的扭曲及CO2焊接变形。

从图6我们可以看出，此工位为纵梁总成与5个横梁总成焊接的工位，在此工位焊接前先通过夹具对纵梁Y向和Z向进行液压夹紧校正，然后再與横梁焊接，可起到对纵梁总成的校正作用。

3.3 车架总成的矫正控制

通过上述分析，在纵梁焊接的时候，经过分段跳跃式焊接和横梁定位的方法，纵梁总成的Y向变形得到了有效控制，但Z向变形方面仍无法有效控制。为此车架总成仍需进行Z方向的矫正控制，校正工位的工序顺序选择对车架总成Z向精度控制至关重要。

通过分析，对于功能尺寸要求较高的件，我们安排在同一工序焊接，虽能保证部分精度控制点的绝对准确，但因纵梁总成的反弹扭曲，导致纵梁与各焊接小件的相对位置不准确，故导致车架Z向尺寸不稳定，故确定在车架OP10工位后增加校正工位对车架整体Z向进行校正。

校正工位采用液压电控系统，以车架中部结构最稳定部分为固定夹持，分别利用液压缸机械校正车架前后两段，以纵梁Z向基准为基准点进行校正车架两端Z向尺寸。校正前对车架状态进行测量取样，经过试验得出校正工位的参数，并且校正工位参数可以根据车架取样状态对每个车架选择不同的参数进行校正。达到对不同状态的车架均能校正合格的效果。

四、结论

由于整体式纵梁的扭曲、反弹量大，大大增加了整体式车架的精度控制难度。本文从自身车型实际出发，探讨了影响整体式车架精度校正的因素，并从如何控制纵梁单件、纵梁总成和车架总成的焊接变形等方面介绍了如何进行整体式车架的精度矫正控制。关于如何使用夹具进行校正，目前在国内还属于较为陌生的领域，业内也一直众说纷纭，但就自身项目来看，获得了较为良好的效果，故浅显的提出来与大家共享。

（作者单位：奇瑞汽车股份有限公司制造工程院）