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汽车车身焊接工艺设计

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2020年4月19日
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浅析汽车车身的焊接工艺设计

在 汽车厂中，焊接生产线相对于涂装线和总装线来说，刚性强，多品种车型的通用性差，每更新换代一种车型，均需要更新车间大量专用设备和生产工艺。焊接工艺设 计能够称得上是焊接生产线的“灵魂”，涉及的专业知识较多，如机械化、电控、非标设备、建筑、结构、水道、暖通、动力、电气、计算机、环保和通讯等，从宏 观上决定车间的工艺水平、物流、投资和预留发展，具体决定着生产线的工艺设备种类和数量、夹具形式、物流工位器具形式、机械化输送方式及控制模式等。因 此，焊接工艺设计在焊接生产线的开发中占有举足轻重的地位，是产生高性价比焊接生产线的关键。
1、车身焊接工艺设计的前提条件
1.1产品资料
a.产品的数学模型（简 称数模）。在汽车制造行业中，一般情况下用UG,Catia,ProE等三维软件均能打开数模（如图1），并在其中获取数据或进行深人的工作。在工艺设计 过程中，将所有数模装配在一起就构成了一个整车数模，从数模中能够获得零部件的结构尺寸、位置关系。由数模还能够生成整车、分总成、冲压件的各种视图（包 括轴测图），以及能够输出剖面图。

b.全套产品图纸。
c.样车、样件（包括整车车身总成、各大总成、分总成和冲压件）。
d.产品零部件明细表包括各部件的名称、编号，冲压件的名称、编号、数量，标准件的规格、数量）。
工艺设计时，业主必须提供上述a、b、c中至少1项，d项能够从前3项中分析出来，正常状态下d项（如图2）早在汽车设计结束时就已经确定了。如果仅提供b项，那么需要增加大量的车身拆解、分析工作。

1.2工厂设计的参数
工厂设计的参数包括以下几方面：
a.生产纲领即年产量；
b.年时基数即生产班次、生产线的利用率等；
c.生产线的自动化程度（机器人＋自动焊钳焊点数／全车身焊点数x 100%=自动化率）；
d.生产线的工艺水平要求（如主要设备选用原则、生产线的输送方式，电气控制水平等）；
e.各种材料外购件的选用原则（如型材、控制元件、气动元件、电机、减速器）；
f.各种公用动力介质的供应方式、能力、品质等参数，建厂所在地的环境状况如温度、湿度等；
g.当生产线布置在原有厂房内时，应收集原有房的土建、公用有关资料，如厂房柱顶标高、屋架承载能力、电力和动力介质的余富程度等。
2、工艺分析
2.1工艺线路分析
根据业主提供的产品资料进行产品工艺线路分析（如业主仅提供样车及样件则需经过样车分析→样车拆解→样车测量→样车再装配过程），完成装焊工艺线路图或爆炸图设计。
2.1.1产品分块
同类型车身的分块基本相 同（一般车身均由地板、侧围、前／后围、门、顶盖等大总成组成），但各总成之间的连接方式及顺序往往有较大区别，合理的分块才能保证车身的装配和焊接。例 如，解放平头驾驶室的装配顺序就比较特殊，先形成侧后围焊接总成（左／右侧围与后围形成焊接总成），而后形成驾驶室总成。
2.1.2确定基准
整个车身的设计、制造、 检验均建立在同一坐标系上，在车身设计时一般已经考虑到装配、焊接、总装配和搬运过程中所需的基准（孔、面），车身装焊的整个过程必须建立在一定的基准上 才能保证整车的几何形状和尺寸，同时这些基准也是夹具设计、制造、调整、检测和维修的基准。确定基准时应注意以下几个方面：
a.基准的统一性，在焊接过程中基准是逐步传递的；
b.基准应便于测量；
c.基准应保证零件的准确定位；
d.基准应考虑便于焊接操作。
2.1.3确定车身装配的几何精度及检测的基准面
几何基准是零件或部件的某个明显部位，用来确定该零部件在X,Y,Z坐标系统内的理论位置；准确的部件基准位置用以保证装配的几何形状的准确性，因此基准位置对装配工作非常重要，在研究焊接过程之前需要仔细分析部件的基准，必须与用户一起完成几何形状的分析，由用户确定其基准位置、或由设计人员确定后再取得用户同意。
为了使这些基准能一直保持准确，在夹具制造与安装调试过程中必须严格控制以下几方面。a.在制造焊装夹具时进行调整（检测）；b.在生产时，对装配好的部件的最后几何尺寸进行校核；C．在维修装焊夹具时进行检测。
2.1.4确定装配顺序
车身的每个冲压件、分总成和总成都是按照严格的顺序进行组装、焊接从而完成整个车身焊接的，每个零件的装配顺序必须保证能完成全部焊接工作且便于焊接。
2.1.5焊点分析
表明焊点的主要参数（焊点的数量、位置、幅度、重要程度）是产品设计时决定的，但当前部分业主仅提供产品数模而没有产品图纸。这时，焊点的主要参数需要工艺设计人员确定。
2.1.5.1定形焊点的确定
相对复杂的工件之间的焊 接，往往需经过组装、补焊的过程完成。在组装工位，由于生产节拍限制、设备数量布置空间需要和夹具有效空间占用等原因，不可能完成全部焊接工作，但必须完 成部分焊点，这些焊点应能保证工件离开夹具时的形状尺寸，这部分焊点称为定形焊点，一般情况下定形焊点占总焊接点数的1/3左右。
2.1.5.2焊点分组
车身每个总成上都要完成许多焊点，在编制工艺时必须对焊点进行分组，即将1把焊钳在1个工作节拍内完成的焊点分为1个焊点组。
2.1.5.3焊钳初步选型
焊点分组工作完成后即可进行焊钳选型，确定焊点组的数量即焊钳的最小数量，根据工件的形状及尺寸确定焊钳的形式（X 形,C形）及喉深、开档、行程、电极形状，焊钳的吊挂形式（横吊、纵吊、转环）根据焊点位置和操作位置确定。焊钳型号的确定要在夹具总图设计完成之后，根 据选定的焊钳制造商提供的型谱进行焊钳型号的选择，对于在型谱中找不到合适焊钳焊接的焊点，需要重新设计焊钳与之匹配。2.2编制工艺过程卡
在具备前提条件下，经过工艺分析，就能够开始编制装焊工艺过程卡。工艺过程卡是装焊线设计、制造和调试整个过程的指导性文件，是装焊线全部工作的基础，装焊工艺过程卡的编制深度和质量对装焊线设计、制造。调试整个过程的质量甚至成败起决定性作用。2.2.1生产节拍
一般生产节拍可按式（1)计算：
T节＝全年工作日x每日班次x每班工时xK1 x
K2/年纲领（1）式中，K1 为工时利用率，一般取 0.9；K2为设备利用率，一般取0.8-0.9。
2.2.2工位设置及工位生产周期
工位是构成生产线的基本 单元，工位生产周期必须小于或等于生产线节拍。工位生产周期是从待焊接零部件上料（装件）开始到完成本工位全部作业并将工件取出的整个过程时间，同时应考 虑工时利用率及设备利用率。工位生产周期与操作工人的熟练程度有很大关系，一般准确的工位生产周期需由实测确定，工艺设计旧寸应使所有工位的工位生产周期 尽可能相等并接近生产节拍。
2.2.3工作密度
工作密度是指一个工位上设置的焊接设备数量及操作工人数量，主要由工件外形尺寸、焊接工艺方法和焊接工作量决定。
a.按工件外形尺寸决定工作密度。
外形尺寸小于1000 mmxl 500 mm，工作密度取1；外形尺寸小于2 000 mmxl 500 mm，工作密度取1-2；外形尺寸小于3 000 mmx 1500 mm，工作密度取2-3；外形尺寸小于6 000 mmx 1 500 mm，工作密度取3-4.
b.按照焊接工作量和生产节拍确定工作密度。
2.2.4工时定额估算
工时定额＝焊接工作时间＋辅助工作时间
每一工位或工序的时间定额一般由装件、夹具动作夹紧、焊接、松开夹具和将工件送至下一工位的时间累计构成，也可用焊接时间放大而得出，即概算定额，工序时间定额（工时）＝焊接工作量÷焊接速度xK。
以下是几种焊接方法焊接速度的一般状况估算值，其焊接速度与焊点及焊缝的间距、分布、焊钳及焊枪的接近性、工人操作难易程度等有一定的关系，故仅供工艺编制参考。a.手工焊钳点焊15点/minb．机械手焊钳点焊20点/min ; c.C02半自动焊300 mm/min ; d.机械手C02自动焊400 mm/min; e.螺柱焊（手工8 个/min; f.凸焊螺母（手工）3个/min; g.铜钎焊100 mm/min 。
2.2:5工艺卡的内容
a.焊件（总成或合件）简图一般为轴测图（立体图），图中：应标出进入装配冲压零件的名称、图号及数量；同时要标出焊点的位置、数量，甚至施焊的顺序；各种标准件如螺母、螺柱、支架等位置、数量及焊接方法。
b二工艺过程描述：从工件（零、合件）的装入、定位夹紧、焊接及焊后将合件送往下工序的整个过程，按先后顺序既简单又全面的描述。
c.工序所采用的夹具、设备、辅具及工具的名称、编号及数量作定性及定量分析。
d.给出工序的时间定额，甚至分每一工步给出，而工时的确定有如下几种方法：凭经验；采用人工模仿，秒表测定；计算机仿真。
2.2.6工艺卡的格式
工艺卡格式见焊接工艺卡附表（如表1）。

2.2.7工艺卡编制的工作量
以三厢轿车为例估算：简图约100张，工艺卡约200张，需要3个有经验的能够独立工作的技术人员花两个月的时间完成。
3、工艺设计
工艺设计是焊接生产线设计的基础，其它专业（机械化、非标设备、土建、公用、电控）设计均以工艺设计文件为指导，工艺设计文件的深度必须满足相关专业的设计需要。工艺设计文件一般包括以下内容。
3.1工艺设备安装图
标明工艺设备安装位置、设备外形、编号，原材料、半成品、成品存放地及通道，工人操作位置，预留面积（如果有），起重设备质量、跨度、轨道线，机械化运输悬链、单轨等的范围轨迹，水、电、气供应点及局部通风位置的坐标等。
3.2设备明细表
3.3焊机、时控箱布置图
表示焊机、时控箱及相关设备的型号、数量、安装位置、安装方式、接管尺寸等内容，供公用各专业设计支管线和焊机、时控箱安装时使用。简单的装焊线可直接在车间工艺设备安装图中表示。
3.4焊钳、平衡器布置图
表示焊钳、平衡器的型号、数量、安装位置、吊挂方式，供焊钳安装使用。简单的装焊线可直接在车间工艺平面图中表示

3.5滑轨、滑车布置图
表示滑轨型号、长度位置，滑车形式、尺寸、位置、数量，供机械化专业设计滑轨、滑车安装图使用。简单的装焊线可直接在车间工艺设备安装图中表示。
3.6标准设备订货任务书
3.7非标设备设计任务书
说明对机械化运输方式的要求，与机械化相关的吊挂要求，设备长、宽、高及其技术要求，工艺参数，最大工件尺寸、面积和质量等。
3.8夹具设计任务书
夹具设计任务书（如图3）是夹具设计的指导文件，也是夹具最终验收的依据，因此夹具任务书一定要得到甲方的认可并签字。
3.8.1编制的前提条件
a.已编好的工艺卡，认为确实可行并得到用户的认可。
b.按合同与业主商定的技术条件，如手动或气动，外购件的来源等。
3.8.2编制步骤
a.根据工艺卡了解装配顺序、焊接顺序、焊钳类型、操作位置来确定工件的位置，以及工作台面的高度，同时确定台面是固定或是可旋转（水平或垂直），是否需要带举升取件的装置。
b.确定进人装配的零部件定位及夹紧点，并表示出来，给出序号。
c.确定定位销及支承夹紧器的形式，并将断面图画出。
d.确定测量点及计算出其数据（理论数据）。
3.9检具设计任务书
3.10工位器具设计任务书
工位器具设计任务书是工位器具设计的指导文件，也是工位器具最终验收的依据；工位器具任务书必须符合设计深度要求，必须经业主签字确认后方可进行工位器具设计。说明放置工件的名称、编号、数量，工件放置形式、运输形式，必要时画出简图及注明尺寸。
3.11公用管道司令图
用以指导厂房管线设计的管线总体布置：规划图，避免管线之间或管线与建筑物／构筑物之间直接相碰或不满足规定的安全距离要求。
3.12车间土建资料
3.13 车间公用资料
4、工艺设计的主要注意事项
a.汽车车身在装焊过程中，合理分块非常重要，而车身总成的分块大致相同，但往往对头接缝处有所变化，要认真分析。分块决定夹具的套数、工艺流程，是工艺设计的第一步。
b.工艺设计不能只顾眼前，应该远近结合、滚动发展，做到近期合理、远期可行。
c.要充分考虑混线生产的可能性，在夹具设计任务书和工艺设备选型上尽可能柔性化。
d.生产方式尽可能精益，尽量减少在制品存放，大型外覆盖件的物流尽量短；灵活布局车间内的各条生产线，使各生产线之间工件输送及与其它车间的衔接尽量短捷、顺畅，提高生产效率。
e.生产线的布置要考虑空中机械化运输设备和水、电、气管线布置流畅。
f.小件生产尽量集中布置，提高设备利用率。按照工艺流程在线旁布置小件的模式，从节约成本的角度看是不可取的。
g.焊钳的选型不容易做好，在焊接生产线调试过程中更换5%的焊钳是比较低的，故需要进行三维焊钳与夹具的焊接过程动态模拟，提高选型准确性。
h.有条件的项目建议应用数字化工厂软件虚拟焊接车间，将以往设计中不宜发现的问题经过计算机仿真，较早地被发现和解决，提高设计方案、图纸的准确性和节拍平衡。
i: 工艺设计不能脱离生产管理系统，计算机系统在那些工位取得生产信息，就要求在设备定货技术任务书明确功能及接口条件。
5、结束语
焊接工艺设计涉及的知识 领域宽，受到制约同样比较多，比如产品系列、用户观念、工艺水平、质量精度要求、周边物流状况、投资限制、原有厂房及厂区等，因此要求工艺设计人员见多识 广。生产线技术水平和自动化率不是越高越好，也不是生产线投资越低越好，在保证产品质量的前提下，高性价比的焊接生产线是工艺设计永恒的追求目标。随着我 国汽车行业自主品牌的不断增加，焊接工艺设计也必实现由国外设计多而转变成国内设计多，将会有更多的自主品牌焊接生产线得到广泛应用。

——四川绵阳理工学院