白车身点焊焊点的三维定位数据库

李力强，吕苏华，李友力

(1.长春工程学院，吉林长春130012；2.一汽轿车股份有限公司，吉林长春130012)

白车身点焊焊点的三维定位数据库

李力强1，吕苏华1，李友力2

(1.长春工程学院，吉林长春130012；2.一汽轿车股份有限公司，吉林长春130012)

针对目前国内汽车产品开发过程存在的主要问题，在满足产品性能的前提下进行了产品结构优化，并依据现有的焊钳，通过采用电极结构尺寸仿真法制作了一个白车身点焊焊点的三维定位数据库，实现焊点可焊性识别，为点焊的焊点定位设计和审查提供可靠依据，这将大大缩短产品开发周期，降低成本，加快国内汽车车型更新速度，为汽车早日投入批量生产、抢占市场赢得时间，提高了中国汽车的竞争力。

结构优化；仿真；三维定位数据库

0 前言

随着社会的不断发展，人们对汽车的需求量不断上升，同时对汽车车型的需求也越来越多，这就促使汽车制造商要不断开发新的车型。目前中国汽车行业的车型更新速度比发达国家慢，较慢的车型更新速度在一定程度上降低了中国汽车产业的国际竞争力。新车型的更新速度取决于产品开发周期，开发过程主要包括产品设计、工程设计和试生产调试。其中产品设计是决定开发周期长短的主要因素，产品设计的合理性直接决定了后续工程设计和试生产调试周期的长短。

1 国内现状和存在的主要问题

目前中国汽车业的产品开发过程主要存在两方面的问题：

(1)开发周期很长。产品设计是由产品部门设计，接着由工程设计人员对产品设计合理性进行审核，若发现问题反馈给产品部门。而这两个步骤目前主要依靠设计人员个人的经验，这就导致在工程设计中选择夹具和焊钳时会出现问题，例如，经常发现有些焊点即使采用特种焊接也不能实现，造成产品结构重新设计，整个过程重新开始，大幅度延长了开发周期，使得新车型推迟投产，降低汽车厂商的竞争力。

(2)开发过程采用传统方式。目前国内的汽车厂家大都根据产品结构和焊点位置去选择焊钳和夹具，因此导致夹具和焊钳结构复杂、种类繁多，大幅增加了维护成本。例如，目前一汽轿车股份有限公司生产四种车型，在年产量20万辆时，一共需要大约800种焊钳，购买费用就高达1 600万元，维护和备件费用预计还要高于这个数值。

2 理论和实际应用价值

为了改变目前这种状态，需要在满足产品性能的前提下，进行产品结构优化，并依据现有的焊钳，制作一个三维定位数据库，实现焊点可焊性识别，为点焊的焊点定位设计和审查提供可靠依据，既可缩短开发周期，又可降低维护成本。这对于推动汽车产业的发展，增强企业竞争力，具有极其重要的实际意义，经济效益显著，且潜在的市场需求巨大。

2.1 产品结构优化

着重分析目前影响车身质量、操作效率的结构，尽可能避免在产品设计中出现以下问题：

(1)需要CO2焊接或者其他特殊焊接方法才能实现的结构。

(2)需要特殊角度或多角度焊钳操作才能实现的结构。

(3)避免出现焊接热影响造成表面外观变形的结构。

(4)多层板焊接和厚板焊接结构。

为此，需要总结白车身焊接的典型结构种类和特征，根据常用焊钳结构尺寸确定最合理的产品结构尺寸，在产品设计结构评审阶段对不合理的结构进行优化。

2.2 焊钳三维数据库的建立

在焊钳设计方面，首先应建立基于现有焊装车间采用的焊钳的3D数模数据库，统计已有焊钳、焊辅的规格，列出已有焊钳窗口尺寸的选型必要参数，以此作为焊钳选型的依据。在产品设计阶段，同步运用三维建模软件对设计结构进行焊接操作模拟仿真，以避免出现焊钳难以实现的结构。这样做具有以下意义：

(1)通过建立已有焊钳资料数据库，为焊钳更改设计提供数据基础和选型依据，有利于发现生产中多余的焊钳种类，取消特殊结构的焊钳，减少备件，同时为后续车型的产品设计提供选型基础，减少后续车型所需焊钳种类，减少备件，减少成本投入。

(2)在三维仿真焊接模拟中，引入了电极结构尺寸仿真法，有效提高了仿真效率。

3 典型的搭接结构

3.1 典型的结构

白车身焊接中的几种典型的结构形式如图1～图4所示，这些结构形式的影响有：焊点位置、焊接顺序、焊点排列等，若结构太复杂将会给操作带来困难。

图1 两板皆为平面

图2 其中一板有法兰

图3 法兰外侧有拐角

图4 筒形结构

3.2 常见的缺陷结构类型

在产品各种典型结构中，常见的缺陷结构类型有以下几种。

(1)修边短，造成焊接强度或表面不良。

白车身总成侧围与地板焊接处门槛结构易产生如图5、图6所示的缺陷。

表1列出了在钢板厚度和焊接技术条件相关的法兰几何尺寸。

图6 半点缺陷

表1 与板厚和焊接条件相关的法兰几何尺寸

改进方法：加长修边长度，避免分流或强度不足，修边尺寸如图7所示。

图7 修边尺寸

(2)焊点热变形影响外表面质量。

顶盖总成四周焊点由于热变形，四周修边出现了波浪缺陷，如图8、图9所示。

改进方法：通过产品重新设计，消除此类结构。

(3)需要非点焊类的焊接方法。

白车身总成尾部补焊焊点由于无法点焊，使用CO2补焊和合理的点焊解决方法，如图10、图11所示。

图8 顶盖总成

图9 奥迪顶盖总成(该处无焊点)

图10 CO2补焊

图11 奥迪点焊形式

改进方法：按照其他车型搭接形式重新设计产品，减少此类结构。

(4)特殊角度或多角度焊接。

地板轮罩总成焊接表面为相互垂直的面，且两个面都是斜面，操作困难，如图12所示。

图12 两处焊接表面相互垂直

改进方法：通过产品重新设计，消除此类结构。例如采用整体铝合金铸造结构。

(5)多层板焊接或厚板焊接。

侧围总成与地板总成拼焊的多层板情况如图13所示。

改进方法：通常四层板中都是两两板已经焊好的，只需将四层板中的两层外板做镂空处理，就将四层板转化成了容易焊接的两层板，并仍能保证强度要求。

图13 多层板焊接

4 焊钳三维数据库的建立与仿真

4.1 建立已有焊钳资料数据库

为了更清晰的查看所有焊钳、焊辅的资料情况，制作了焊钳焊辅数据库，数据库中列出了焊钳型号、电极帽型号、电极柄型号、握杆型号、电极接头型号，通过点击图纸链接即可快速的查看每个零件对应的图纸、焊钳对应的图纸，如图14所示。数据库还列出了该焊钳所对应工位和制件信息，方便进行三维仿真分析。

4.2 电极结构尺寸仿真

4.2.1 传统仿真存在的问题

用传统的仿真方法进行焊钳操作性模拟时，通常有以下步骤：(1)焊钳模拟；(2)焊点距离修边线尺寸测量；(3)电极帽与零件间的距离测量；(4)判断以上测量数据，能否满足焊接要求。为此，仿真时需要测量大量的数据，白车身总成包含了6 000多个焊点，对每一个焊点处进行计算、测量，工作量非常大，仿真所消耗的时间也很长。

4.2.2 电极结构尺寸仿真

为了解决这个问题，提出了一种通过增大电极帽尺寸进行快速仿真的方法，称为电极结构尺寸仿真，如图15所示。目前所用的电极帽种类一般只有φ 16和φ 13两种。只需在该尺寸上增加一个量，增大其模型，在仿真过程中，只要保证增大的模型满足与工件不干涉、不越过修边线等条件即可，该模型与工件的干涉情况可以方便的通过CATIA中的干涉检查功能进行观察，直接判断是否干涉即可，从而达到快速仿真的效果。

经过优化后适于仿真的电极帽：

(1)将电极端头(模拟焊点区)半径增大边缘距离V＝3.9 mm，原来端头直径为5.0 mm，增大后的电极端头直径变为12.8 mm。

图14 焊钳模型数据库

(2)将电极帽直径量增大A，A是电极帽与导电体的最小距离，A＝2.0 mm。以φ 16的电极帽为例，优化后直径变为φ 20，如图15所示。将车型、焊钳3D数据导入到CATIA装配设计中，根据工艺文件对焊点进行仿真。

图15 优化后的电极帽

完成电极帽的优化后，对CatiaV5的装配模块进行干涉检查，仿真效果如图16～图18所示。

在图19中的标注处发生了干涉，为干涉区域，干涉量为1.25 mm。

5 结论

通过产品设计的合理性评审，将大大减少焊点设计影响焊接操作和焊接后白车身质量的可能性，缩短产品开发所引起的焊钳种类和焊接方法的增加，减少设备和工装的投入。

图16 白车身焊接总成－主焊线

图17 焊点仿真

通过采用电极结构尺寸仿真法，减少仿真时间，缩短了开发周期，为汽车早日投入量产，抢占市场赢得了时间。

Establishment of welding spots 3D positioning database for BIW

LI Li－qiang1，LV Su－hua1，LI You－li2
(1.Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China；2.Faw Car Co.，Ltd.，Changchun 130012，China)

To resolve the main problems of designing the new products，car structures are optimized on the premise that capability is met，and 3D positioning database of welding spots in BIW is established using simulation electrode's dimension and structure，which depend on existing clamp to ensure weldability of welding spots.This 3D positioning database provides reliable database to design and check up welding spots，which can shorten the time of the design and reduced the cost.These quicken the updating speed of car types and increase competitiveness of China's automobile products in world markets.

optimized structures；simulation；3D positioning database

图18 干涉区域

图19 干涉尺寸

book=6,ebook=38

TG409

B

1001－2303(2012)06－0053－06

2012－05－06

李力强(1963—)，女，吉林长春人，教授，主要从事焊接工艺方面的科研工作。