浅析仪表板支架组件的设计要点及焊接工艺.pdf

汽车技术 Automotive Technology 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 36 浅析仪表板支架组件的设计要点及焊接工艺 黄剑(上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州 545000)摘 要a 本文介绍了汽车仪表板支架组件的设计要点及其焊接工艺，结合某车型仪表板支架组件的设计实例进行了阐述，对于仪表板支架结构优化、焊接质量提升等具有参考价值。关键词仪表板支架；转向管柱支架；结构设计；焊接工艺 引言 仪表板支架组件，也即仪表板横梁支架（Cross Car Beam，简称 CCB），在整车中不仅是方向盘、转向管柱、仪表线束、车身控制模块（BCM）、低频天线、乘员侧安全气囊（PAB）、收放机、组合仪表、空调箱等零件的主要安装和支撑结构件，同时也是仪表板上本体、杂物箱、膝部挡板等 IP 内饰件的定位支承件。CCB 的结构强度和焊接工艺会直接影响座舱外观件的匹配质量（间隙、面差等），从而影响乘客的感官体验。另外，CCB 直接与车身前围钣金、左右侧围钣金、前地板钣金相连固定，承受和传递来自转向系统、前地板传递的动态载荷，是驾驶舱车身强度和刚度的强化结构，CCB 的结构强度和焊接质量直接关系到乘员的安全和整车 NVH。本文基于某车型仪表板支架组件的结构以及焊接工艺展开阐述，为今后的 CCB 开发设计提供技术参考。一、设计要点 1、结构简介 所述车型仪表板支架组件（CCB）的结构如图 1 所示，包括仪表板横梁（管梁）、与前围钣金固定的前隔板支架、与车身侧围钣金固定的左右端板支架、转向管柱安装支架、空调箱支架、保险丝盒支架、乘员侧气囊模块（PAB）安装支架、连接前地板钣金的仪表板横梁总成连接支架以及用于定位和固定仪表板本体及杂物箱、（副）驾驶侧膝部挡板等 IP 内饰件的各类安装支架。（见图 1）2、设计要求 仪表板支架的设计需满足以下几点原则：（1）满足仪表板的固定和支撑，可有效加强仪表板的刚度；图 1 某车型仪表板支架组件示意（2）满足刚度要求，加强前围和侧围钣金刚度，在正面碰撞时可吸收和传导冲击能量，保护乘员安全；（3）满足座舱模块（Cockpit）上仪表线束、空调箱和空电模块的装配和模态；（4）为 PAB 的安装和爆破提供支撑；（5）为转向管柱提供紧固支撑，低阶固有模态频率应高于发动机怠速激振频率，即一阶横向模态频率35Hz;（6）CCB 整体 NVH 模态要求：一阶横向模态频率100Hz;（7）在满足 CCB 整体 NVH 及强度要求的前提下，应尽可能减重，降低成本。3、材料选择 仪表板支架组件根据材料不同主要分为以下几种。（1）低碳钢支架，主要有 Q215、DC01、SPCC 等，采用型材冲压和焊接成型；（2）镁、铝合金支架，主要有 AZ41、6061、6063 等，采用铝合金焊接成型、镁合金压铸成型；（3）塑料支架，采用玻纤和碳纤维混合材料注塑成型。该车型仪表板支架组件的管梁材料选用 Q215，其余支架材料选用 DC01，材料的力学性要求满足表 1。汽车技术 Automotive Technology 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 37 表 1 CCB 的材料力学性能 标准 项目 性能要求 Q215 材 料力学性能 断后伸长率 A31%；屈服强度 ReH215N/mm2;抗拉强度Rm335450N/mm2 GB/T 700-2009 Q215 材 料化学成份检测 C0.15%，Si0.35%，Mn1.2%，P0.045%，S0.045%DC01 力 学性能 断后伸长率 A34%；屈服强度 ReH140280Mpa;抗拉强度 Rm270Mpa Q/BQB 403-2018 DC01 原 材料化学成份检测 C0.1%，Mn0.5%，P0.035%，S0.025%，Alt0.015%4、工艺选择 根据制造工艺不同可分为：冲压焊接型支架、铸造焊接型支架、注塑焊接型支架；综合考虑制造成本、工艺成熟度、生产效率等因素，市面上主要使用冲压焊接型的仪表板支架，所述车型也属此类型。5、管梁的设计 首先，确定管梁的走向形状。CCB 管梁可分为直管型和折弯管两类。直管成型工艺相对简单，尺寸精度易控制，成本相对较低，但易受到 IP 造型和空调箱风管、出风口布置的限制。折弯管相对灵活，但由于增加了管梁折弯工序，成本也相对较高。受折弯机折弯半径限制，折弯位置应力较大，尺寸精度和稳定性也相对较差，易影响 IP 的匹配。在不影响座舱零件布置的前提下，应尽可能选用直管型支架。其次，确定管梁外径尺寸。管梁分为标准管梁和非标准管梁，标准管梁可直接采购；非标准管梁需要定制，会增加一定的成本，应优先选择标准管梁。常见标准管梁管径有：35mm、40mm、45mm、50mm、54mm、60mm，应根据具体开发车型来选择。所述车型 CCB 需避让中部空调前风管、收放机等零件，故采用折弯管梁结构。折弯工艺需满足折弯半径应大于管梁外径的 1.5 倍，中心线最小高差应大于 40mm。6、支架壁厚的选择 根据所述车型模态和重量要求，CCB 支架分为 2.5mm、2.0mm、1.8mm、1.5mm、1.2mm 五种壁厚，详见表 2。表 2 CCB 支架壁厚 支架名称 管梁 左右端板 转向管柱支架 IP、空电支架 空调箱支架 壁厚（mm）1.8 2.0 2.5 1.2/1.5 1.5 7、安装方式 7.1 与车身的装配 CCB 通过焊接在左、右端板上的 X 向定位销来预定位，一般我们把主驾侧定位销作为主定位销，另一侧为辅定位销。这两个定位销在座舱装配之前插入车身对应限位孔，起到限位和预挂支撑作用，方便紧固螺栓，在座舱装配结束后不再承力。定位销与车身孔采用间隙配合，销的加工走下公差，主定位孔为圆孔，配合孔为腰型孔，可吸收焊接变形量。CCB 与车身一般使用 5 颗 M8 螺栓（侧围 4 颗，前围 1颗）和 4 颗 M6 螺栓（位于地板中通道）紧固连接。7.2 空电模块的安装 安装在仪表板支架上的模块较多，其装配方式主要有螺栓和螺母装配两种。螺栓装配即在支架背面焊接方螺母，通过打紧螺栓固定模块；螺母装配即在支架上焊接螺杆，预挂模块后通过螺母固定模块。模块的装配一般要求预挂后再打紧提升装配效率，可降低返工率，因此螺母装配既能满足装配又能满足预挂，无需额外焊限位螺杆。二、焊接工艺及变形控制 CCB 上的支架一般通过机器人焊接连接固定，焊接工艺的优劣直接影响焊后尺寸精度，对整车或是座舱装配造成影响。目前，CCB 的焊接工艺分为二氧化碳气体保护焊和激光焊接两类，由于二氧化碳气体保护焊具备成本低、生产效率高、操作性能好、抗裂性能好、易于实现自动化生产等优势，国内主流车型 CCB 以 CO2气保焊为主。另外，支架上用于装配空电模块的焊接螺栓、焊接螺母采用凸焊工艺。二氧化碳气保焊是一种以 CO2为保护气体的电弧焊。它用焊丝作电极，靠焊丝和焊件之间产生的电弧熔化焊丝和两个焊件的金属，形成熔池，熔池凝固后形成焊缝，焊丝由送丝机送入软导管，再经导电嘴送出，CO2气体从焊炬喷嘴中均匀喷出，覆盖焊丝端部以及熔池形成保护，以免空气对高温焊件造成侵蚀。经分析，该车型仪表板支架组件焊接变形的影响因素汽车技术 Automotive Technology 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 38 及控制措施如下：1、单件尺寸：单件的整形模、冲压模、焊接定位孔落料模的尺寸精度需满足设计要求，公差范围0.75mm；2、焊接工装、定位夹具：（1）工装设计需满足焊接定位尺寸精度要求，公差0.75（2）收班后清理工装和设备上的焊渣；定期对工装和设备进行点检和维护工作；尤是保证定位柱尺寸；（3）零件的定位尽量全部采用双孔定位，以免放置窜动，定位销做满销定位；（4）工装不能与总成取件路径干涉。3、零件清洁；在焊接前增加单件表面油污清洁工序，加强仓储物流管理，保证白件表面清洁度。4、焊接设备：采用某品牌焊接机器人，可实现自动焊接，有效保证焊缝质量稳定性。5、焊接参数：主要有焊接电流、焊接电压。焊接电流、焊接电压过小会导致电弧稳性差，焊缝熔深不足甚至离空，焊缝易出现缺陷，使用易出现裂缝；焊接电流、焊接电压过大会造成局部过热，熔深过深，金属熔融飞溅物增多，冷却后应力过大易导致裂缝，同时也浪费焊丝，增加成本。6、焊接顺序；在生产设计时，根据支架的数量和复杂程度设计焊接工序，一般可分为 46 序。由于焊接工装结构复杂，焊枪空间受限，在焊接机器人够不到的位置还需要人工补焊。合理的焊接顺序可减少焊接变形量。对称焊可以抵消或减少由于先焊的焊缝造成的变形，比如支架的左右端板和管梁的焊接。选择焊接顺序的原则为1：先焊短的焊缝，然后焊长的焊缝；采用对称焊接；对于一个焊缝不对称的零件，先焊焊缝少的一侧，然后焊焊缝多的一侧；先焊薄焊缝再焊厚焊缝；先焊对接焊缝再焊角焊缝。7、焊丝选择；CCB 的焊丝根据熔渣的酸碱性可分为酸性焊丝（熔渣含 SiO2、TiO2、Fe2O3较多）和碱性焊丝（熔渣含 CaO、FeO、MnO、Na2O 较多）。综合考虑成本、操作性能、电弧稳定性等因素，CCB 焊丝选用一般为酸性焊丝。优先选用含 C、Si、Mn 元素较高的合金钢焊丝，以延缓氧原子对这三种元素的消耗。但转向管柱支架和左右端板位置的焊接要求冲击韧性好、焊缝强度高，应优先选用碱性焊丝。焊丝直径与焊接电流的一般适用范围见表 3。8、过程管控：做好收件、抽检、终检的过程质量管控工作；表 3 焊丝直径与电流的适用范围 焊丝直径/mm 电流适用范围/A 支架厚度/mm 0.6 40100 0.61.6 0.8 50150 0.82.3 1.0 90250 1.26.0 1.2 120350 2.010 1.4 130430 3.015 1.6 140500 6.0 9、焊缝长度、熔深要求：（1）所有焊缝的有效焊缝长度大于或等于设计规定的焊缝长度，单条焊缝有效长度大于等于 15mm，由于空间限制无法做到 15mm 的应改为分段焊缝，总长度大于等于 25mm；（2）所有焊缝焊脚尺寸大于或等于 1.5 倍的薄板厚度；（3）所有焊缝的焊缝计算厚度大于或等于 1 倍的薄板厚度；（4）要求所有焊缝的熔深大于或等于 0.2 倍的薄板厚度。10、焊缝的布置：管梁上相邻的两个小支架的焊缝间距应大于 5mm，可有效避免因局部过热引起的管梁变形。11、焊接后校正：在产品开发阶段，尽管通过焊接参数对焊接变形进行控制，但支架可能还会有或多或少的变形存在，这是焊接热传导的复杂性决定的。解决的办法主要有两个，一是可在常温下通过机械校正对变形量进行回位，对校正工装上的支架向变形的反方向用锤子捶击，使支架产生新的冷塑性变形，直至做合检具尺寸，此方法效率较低，难以满足批量生产质量要求；二是进行单件支架焊接实配，通常情况下圆管梁与单件会预留 0.5mm 焊接变形余量，若焊接后支架仍出现变形难以机械调整的情况，可通过调整工装（增减垫片等方式）改变此数值来达到支架尺寸设计要求。为确保仪表板支架的焊接质量，在焊接作业前须对焊接工艺进行评审，参照上述控制方法可提升仪表板支架的焊接质量以及尺寸精度。三、结语 本文着重介绍了仪表板支架组件的结构设计和焊接工艺的相关设计要点，为仪表板支架组件的开发设计和质量控制提供技术参考，具有指导意义。参考文献：1石玫.仪表板横梁焊接总成检具设计及总成质量控制J.机电产品开发与创新，2013,7.2潜红明等.仪表板横梁总成的焊接变形及预防措施探讨J.农业装备与车辆工程，2011,8