仪表台管梁焊接精度提升要点浅析

赵小霞　张栩涛　孙金生　蒙日亮

摘 要：论述当前汽车仪表台管梁焊接精度的现状，结合实际项目开发经验，从管梁焊接夹具方案设计、焊接变形仿真分析、工艺验证及固化等方面总结了管梁焊接精度提升的正向开发流程及管控要点。结果显示，通过正向开发流程管控，管梁关键点的焊接精度由传统的±1.5mm提升至±0.5mm，验证了流程及方法的有效性，对后续车型仪表台管梁的开发有很好的指导作用。

关键词：仪表台管梁 焊接精度 夹具设计 焊接变形仿真

1 引言

随着汽车行业的迅速发展，各主机厂之间竞争越来越激烈，汽车内饰件如何打造“超值感知”的内外饰感官质量至关重要。内外饰感官质量主要包含“四觉”的提升，即嗅觉、听觉、触觉以及视觉方面[1]。其中，视觉直接决定了客户对内饰件可视区美观性的判定，而内外饰件可视区的间隙/面差大小以及均匀性又直接决定了视觉的美观性。因此，“超值感知”的内外饰感官质量要求对关键内外饰总成的尺寸精度提出了更高的要求。而仪表台总成作为整个内饰件的客户主视区，仪表台和车门、车身等匹配的间隙/面差值主要受管梁的精度影响。

本文从实际车型工艺设计出发，归纳总结了仪表台管梁焊接工艺正向开发流程以及过程管控要点，从焊接夹具方案、焊接变形仿真分析、工艺调试等方面阐述。基于深入的理论研究并结合产品开发的实践经验，对汽车仪表台管梁精度管控及提升有较高的指导作用。

2 仪表台管梁焊接精度现状

传统的管梁作为二级件主要由供应商管控开发，主机厂重点对仪表台模块质量做管控，因此，对管梁的前期工艺开发过程关注较少，管梁精度较差，存在以下的问题：

从表1问题可看出，传统管梁精度已无法满足“低成本、高质量”的内外饰感官质量要求，需建立正向开发流程进行仪表台管梁精度管控。

3 仪表台管梁焊接工艺正向开发流程及管控要点

仪表台管梁焊接工艺正向开发流程包含焊接夹具方案设计、焊接变形仿真模拟分析、焊接工艺验证及工艺固化等方面，具体流程及相关管控要点如下：

3.1 焊接夹具方案

仪表台管梁作为仪表台模块的安装主体结构，需为仪表台本体等塑料件和空调/线束/副气囊等电器件和功能件提供安装点，根据配置定义及电器件集成情况，管梁的焊接二级件可多达35-40个。此外，管梁还需为仪表台模块和车身的连接提供安装结构[2]。因此，管梁的焊接夹具方案非常关键，直接影響到管梁的焊接强度及精度。

焊接夹具方案需考虑到其功能性和检测性两方面。

功能性方面，包含夹具定位结构、装取件要求、整体布置、焊接要求以及气路布置等，具体管控要点如下：

（1）夹具定位结构：所有定位基准与最新的设计GD&T（Geometric Dimensioning and Tolerancing，几何尺寸和公差）图纸一致，定位销采用A销形式，定位销的有效长度为4-6mm；

（2）装取件要求：为便于装取件，根据需要设计装取件导向，且所有夹紧头放开状态时，夹具与产品之间确保≥30mm，此外，需注意防错防呆设计；

（3）整体布置：零件操作高度优选750mm-850mm，焊钳操作高度优选750mm-1200mm；控制盒、三元件和气阀等位置不妨碍焊钳及操作者的工作路径；

（4）焊接要求：所有焊点焊钳可达，不可视焊点设计有焊接导向或焊点位置指示；

（5）气路布置：气路逻辑设计满足工艺要求，即按照装取件的先后顺序，夹具松紧顺序满足要求；

检测性方面，检测基准孔位置和数量设计需符合要求，且所有定位面确保三坐标可达。

3.2 焊接变形仿真模拟

管梁焊接主要采用二氧化碳保护焊[3]，为提前识别管梁结构设计、焊接顺序、焊缝位置/数量/长度、焊接工装等多因素对焊接精度和质量的影响，采用焊接软件Simufact welding[4]对焊接过程进行仿真模拟分析[5]。

3.2.1 焊接变形仿真基准选择

为确保仿真模拟分析结果尽量接近实际工况，管梁焊接仿真变形分析的主基准应与设计GD&T图纸相同，即4个销，一个基准面，如图１所示。其余各个单件焊接应以零件的定位孔、定位面或安装面作为局部基准。

3.2.2 焊接变形仿真分析

开展焊接变形仿真分析前，需根据仪表台管梁的结构、零件组成情况以及过往项目经验总结，分析确认管梁焊接工序，编制初版夹具式样书，初步确认每一序的焊接零件、焊接顺序以及焊缝位置、数量等工艺参数等信息。

根据夹具式样书以及夹具方案开展焊接仿真变形分析，焊接仿真中针对变形问题的解决方案主要有：优化焊接参数设置；调整焊接顺序；优化焊缝位置、长度以及焊缝数量；调整工装支撑点位置以及数量；反变形法等。

以管梁端板的焊接变形仿真结果为例，如图2所示，按照夹具式样书初始方案开展首轮分析，结果显示管梁端板焊接后X/Y/Z向均存在较大变形。为改善焊接变形问题，通常采用优化焊接参数、工装支撑点以及焊接顺序等措施。以优化工装方案为例，方案如图3所示，对工装支撑点进行改善分析，工装支撑点1/2位置分别往两端板位置移动后，图4的仿真结果显示，端板X/Y/Z向的变形均明显改善。以上为单一因素改善结果，为使改善效果最大化，采用优化焊接参数、工装支撑点以及焊接顺序等多种改善方案共同作用，如图5所示，端板X/Y/Z焊接变形问题均大大改善，说明了综合措施有效性。

3.3 焊接工艺验证及固化

焊接工艺验证包含夹具验收以及焊接一致性验证等过程。

夹具验收包括：

（1）夹具功能性/检测性验证：依据2.1中的设计管控要点开展点检确认；

（2）夹具重复性验证：理论上要求偏差值在0.2mm以内，包含0.2mm；

焊接一致性验证：为验证夹具方案以及焊接工艺稳定性，选取关键尺寸开展过程能力研究，统计CPk值[6]，要求关键点尺寸CPk≥1.33。

经过上述的夹具方案设计、焊接变形仿真分析以及工艺验证，管梁关键点的精度由传统的±1.5mm提升至±0.5mm，且关键点尺寸CPk≥1.33，满足产品重要质量特性要求，相关的工艺参数固化至工艺文件中。

4 总结

仪表台管梁作为汽车内饰仪表板系统的重要组成部分，其焊接精度一直是薄弱点。文中基于以往多个项目开发经验，从前期的夹具方案设计、焊接变形仿真分析、工艺验证及固化等方面总结了管梁焊接精度提升的正向开发流程及管控要点，为后续仪表台管梁开发及焊接精度提升提供了一定的应用参考价值。

基金项目：柳州职业技术学院 2023 年校级科研一般课题《基于数字孪生的无模具智能注塑技术研究》（编号：2023KB08）。

参考文献：

[1]王如德，李俊贤. 汽车内外饰感知质量评价研究[J].汽车实用技术，2018（21）：123-132.

[2]李伦洪. 某汽车仪表板管梁方案设计及问题整改[J]. 汽车实用技术，2021（23）：142-144.

[3]林长亮. 二保焊原理尧焊缝区力学性能及常见失效模式分析[J].内燃机与配件，2019（30）：124-124.

[4]秦勇，石南辉，焦自权，韦俊，韦娴. 基于Simufact Welding的焊接仿真及变形分析[J].北部湾大学学报，2020（4）：21-25.

[5]徐文. 汽车焊装应用机器人焊接仿真技术研究[J].企业科技与发展，2021（11）：66-68.

[6]贾新章，龚自立. 现代工艺水平下工序能力指数Cpk的计算[J]. 西安电子科技大学学报（自然科学版），2001：452-455.