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。焊接工艺设计可以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，从数模中可以获得零部件的结构尺寸、位置关系。由数模还可以生成整车、分总成、冲压件的各种视图（包括轴测图），以及可以输出剖面图。

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项可以从前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，但目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，就可以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/min;b．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，其他专业（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，所以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体相同，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他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。