塑料激光焊接技术在汽车制造中的应用施世宁

塑料激光焊接技术在汽车制造中的应用施世宁

施世宁

南宁燎旺车灯股份有限公司，广西南宁530007

摘要：通过举例对汽车LED室内灯聚丙烯(PP)封装材料进行激光焊接工艺实验，得到焊缝强度超过200N/mm2的两组工艺参数。进一步的密封性测试结果表明，当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s时，焊缝满足密封性要求。焊缝状态分析结果表明，仅当焊缝内部无气孔时才能满足密封性要求。

关键词：汽车LED室内灯；聚丙烯；激光焊接；工艺

引言:目前，节能和环保已成为汽车行业发展的技术瓶颈。而汽车轻量化是实现汽车节能环保的技术路线之一[1-2]，采用塑料替代金属及合金材料，可有效减轻车重，进而减少燃油消耗以及碳氢化合物的排放[3-5]。塑料部件加工成本低，可回收再利用，可减少汽车生产制造过程中的资源消耗，从而达到节能环保的目的。

1焊接工艺应用现状

一般我们所认知的焊接工艺主要是通过加热或者在一定高温条件下，将热塑性材料结合在一起。这种制造工艺通过焊接连接方式被广泛应用在汽车制造行业。对于热塑性材料相接连的工作利用现代化焊接工艺能够更好地帮助完成实际操作。但由于传统的焊接工艺存在一定的不足，导致在一些高精度生产行业中，焊接技术制造的构建没有办法满足预期目标的生产目标，这也在一定程度上阻碍了焊接工艺的改革发展应用。由于热塑性材料被焊接相连在一起，很多时候，焊接构件的接头与结构会产生疲劳失效。再利用焊接技术时，由于疲劳失效造成行业经济损失的有很多种。此时由于结构疲劳会造成汽车损坏，同时结构的疲劳也会制约整个行业的发展建设。更严重者会导致汽车平台事故的不断发生在交通行业中不仅会防止整体公路的行驶安全，也会缩短汽车的使用寿命。

2塑料激光焊接概述

塑料部件的传统焊接方式主要为超声波焊接，该方法是通过机械高频振动在接缝界面处产生热量，从而实现焊接。超声波焊接工艺成熟、设备成本低、对材料实用性广，是目前使用最多的塑料焊接方式。但是超声波焊接也存在明显的缺点，如：当产品表面镀层或者电子元件贴合力不足时，会因超声波产生的机械高频振动而脱落；超声波焊接会产生噪音，长时间在超声波焊接环境下工作可能会产生耳鸣。激光焊接技术具有热影响区小、效率高、可远距离加工(因而不会受到产品结构的干涉)、不会对产品外观造成压伤等优点，已广泛应用于金属焊接。激光焊接同样可以应用于塑料焊接，但对塑料的材质有较大选择性，因而目前尚未得到广泛应用。此外，塑料激光焊接工艺较复杂，因而需要经过大量的实验才能获得合适的工艺窗口。汽车LED室内灯内部有电子芯片，超声波焊接过程中的机械振动有可能对其造成损伤，而利用激光焊接技术可以解决上述问题。本研究通过对汽车LED室内灯的聚丙烯(PP)封装材料进行激光焊接工艺实验，得到焊缝强度最大的工艺参数，从而为实际生产提供技术参考。

3实验部分

3.1实验材料

待焊接产品为汽车LED室内灯封装件，材料为PP树脂，厚度2mm。

由于是汽车部件，对焊接接头强度要求较高，焊缝拉伸强度需达到200N/mm2以上；焊接后进行密封性测试，要求不漏气。

3.2实验设备

采用锐科激光公司生产的半导体激光器(LD-100)作为焊接光源，激光束通过传输光纤进行传输，经过准直灯片后，激光束变成平行光，然后经过聚焦灯形成聚焦激光，在激光焦点处光斑直径为0.4mm。采用上海倾技仪器仪表公司生产的智能拉力试验机(QJ210A)测试焊接接头的焊接强度。

4结果与讨论

4.1工艺实验及焊接拉力测试

影响塑料焊接效果的主要工艺参数为激光功率和焊接速度，本研究采用单因素法进行实验。首先对激光功率进行优化实验，设置焊接速度为50mm/s固定不变，激光功率分别设为30、40、50、60、70W。焊接拉力测试得到的焊缝强度分别为113、184、232、192、156N/mm2。结果表明，随着激光功率的增加，焊缝强度先增大后减小，其中当激光功率为50W时，焊缝强度达到最大值。图3为不同激光功率下的焊缝外观。当激光功率为30和40W时，焊缝表面无痕迹且无烧焦现象；当激光功率50W时，焊缝表面有轻微痕迹，但未出现烧焦现象，这种外观在实际生产中可以满足要求；当激光功率为60和70W时，焊缝表面出现烧焦现象。随着激光功率的增加，焊缝表面的痕迹越来越严重，而且当激光功率超过60W以后，出现烧焦现象，这种外观是不允许的。焊缝表面烧焦是由于激光功率过大造成焊缝温度过高，使塑料分解炭化，进而导致焊缝强度降低。对焊接速度进行单因素实验，设置焊接功率为50W固定不变，焊接速度分别设为60、50、40、30mm/s。焊接拉力测试得到的焊缝强度分别为223、232、192、187N/mm2。结果表明，随着焊接速度的降低，焊缝强度先增大后减小，其中当焊接速度为60及50mm/s时，焊缝强度均超过200N/mm2，满足焊接接头的强度要求。当焊接速度为60mm/s时，焊缝表面无痕迹且无烧焦现象；当焊接速度为50mm/s时，焊缝表面出现轻微痕迹但是无烧焦现象；当焊接速度为40和30mm/s时，焊缝表面出现烧焦现象。这是因为焊接速度过低时，热量集中在焊缝表面且无法及时散去，导致材料温度过高而产生炭化现象，进而使焊缝强度降低。

4.2焊缝密封性测试

由工艺实验及焊接拉力测试可知，当工艺参数分别为激光功率50W、焊接速度60mm/s以及激光功率50W、焊接速度50mm/s时，均能满足焊缝强度超过200N/mm2且焊缝表面无烧焦的要求。本研究对这两种工艺参数下的焊接产品进行了密封性测试，即用热封胶将产品其他部位封住，留出一个部位插入塑料管，从塑料管输入压缩空气(气压0.2MPa，通气时间5s)，将整个产品浸入水中，当焊缝没有出现水泡，则表明焊缝达到密封性要求。密封性测试结果表明，当激光功率为50W、焊接速度为60mm/s时，焊缝无法达到密封性要求；当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s，焊缝能够达到密封性要求。

4.3焊缝破坏性测试

将焊缝强度超过200N/mm2的两个产品分别进行破坏性测试，分析焊缝状态。结果表明，当工艺参数为激光功率50W、焊接速度60mm/s时，焊缝界面有部分区域未完全熔合，形成气孔；当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s时，焊缝界面处完全熔合。这是因为当激光功率一定时，焊接速度过快会使热量累积不足，造成部分区域未完全熔融，从而导致气孔的产生。这种情况下不仅焊缝强度会有所降低，其密封性亦无法达到要求。

结论:

对汽车LED室内灯PP封装材料进行激光焊接工艺实验。结果表明：随着激光功率的增加，焊缝强度先增大后减小，其中当激光功率为50W时，焊缝强度达到最大值232N/mm2，且焊缝表面无烧焦等不良现象；随着焊接速度的降低，焊缝强度先增大后减小，其中当焊接速度为60和50mm/s时，均能满足焊缝强度超过200N/mm2且表面无烧焦的要求。焊缝密封性测试及内部焊缝状态分析结果表明，当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s时焊接效果达到最优，此时焊缝强度超过200N/mm2，且焊缝完全熔合、内部无气孔，满足密封性要求。

参考文献：

[1]范子杰.桂良进.苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(1):1-16.

[2]陈辛波.杭鹏.王叶枫.电动汽车轻量化技术研究现状与发展趋势[J].汽车工程师,2015(11):23-28.