汽車塑料件超聲波焊接技術

卞迎春， 雷玉成

(江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)

0 前言

隨著綠色環保逐漸成為汽車行業的發展趨勢和主題，汽車節能減排和輕量化引起了人們的廣泛關注。從汽車輕量化的角度，降低整車質量可以提高汽車燃油經濟性，減少尾氣污染物的排放。研究表明，減輕10%的汽車質量可以提高6%～7%的燃油經濟性[1-2]。然而，隨著科技的發展和汽車輕量化要求的不斷提高，傳統鋼或鋁制材料已經不能滿足汽車輕量化的要求。聚丙烯(Polypropylene，PP)因其密度只有0.89～0.91 g/cm3，且具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、電絕緣性，以及高強度的力學性能和高的耐磨加工性能，因而被廣泛應用于汽車行業中[3-5]。目前，連接汽車外觀件產品主要使用的工藝方法為熱熔膠粘接[6]、激光焊接[7]和超聲波焊接[8]等。熱熔膠材料對使用期限[9]、存儲環境條件[10]及回收都有著較高的要求，熱熔膠的使用條件需要在溫度23 ℃、濕度50%的恒溫恒濕條件下進行，粘結后產品對使用場所也有所限制，這就導致了使用熱熔膠粘結塑料件的成本增加，且存在應用局限性。激光焊接設備通常非常昂貴，多用于大型車身件焊接。而超聲波焊接則通過將發生器產生的超聲波震動能作用在結合的材料上，將機械能轉化為熱能，最終使兩種材料熔合在一起[11-12]。超聲波焊接對產品的使用期限，存儲環境無特殊要求，且設備不需進行回收處理，可以循環使用，熔合時間短，生產速度快，焊接強度高，制造成本低，焊接工藝穩定且環保[13-14]，焊接參數的錄入可通過軟件、系統進行錄入，在焊接發生故障時能夠及時地進行處理。因此，超聲波焊接在機電產品及汽車行業的批量化生產中得到了廣泛的應用。

1 材料及方法

汽車裙板產品對焊縫的結合強度和焊后的外觀質量有著非常高的要求。在汽車裙板產品上，通常會焊接上一些支架類產品，從而起到固定其它零件的作用。對于焊接好的產品，既要滿足汽車在復雜路面上的行駛要求，使其不能發生掉落，也要滿足在噴涂后的外觀要求(在噴涂后的光滑表面下，焊印不良將使得表面變形的缺陷會被放大，在燈源下檢測會看到各種不平滑的坑和印，影響外觀質量)。所以，文中將采用注塑-涂裝-焊接工藝制備樣件，并對焊縫強度和外觀質量進行檢測。

1.1 試驗材料及設備

表1為該研究從注塑、涂裝、焊接到檢測各階段所使用的材料。表2為各階段所使用的試驗及測試設備。

表1 試驗所用材料

表2 試驗所需設備及用途

1.2 制備工藝

圖1為試驗制得的注塑件。其中，汽車用塑料裙板產品是通過3300T注塑機將PP-EPDM-T20原材料注塑成型，如圖1a所示。圖1b所示支架是通過1300T注塑機將PP-EPDM-T20原材料注塑成型。

圖1 注塑件

注塑件制備完成后，通過自動涂裝線進行噴涂工藝。首先，進行火焰烘烤使產品預熱，增加上漆率；第二步，進行環氧樹脂底漆的噴涂，底漆的作用主要是提升色漆的附著力，如果工藝不正確，會導致在高壓沖水時，色漆與底漆間的剝離；第三步，進行硝基色漆的噴涂，色漆的作用主要是進行著色；第四步，進行醇酸清漆的噴涂后，清漆能夠提高漆面的光澤度及平整度，提升外觀美觀度。最終噴涂成功的產品如圖2所示，由有資質認證的檢驗人員對其進行預檢驗，檢查是否有漏噴、流掛、凹印等外觀缺陷，避免后續產生焊接引起的外觀缺陷而無法辨識，確認無外觀缺陷后，冷卻4 h。

圖2 裙板涂裝樣品

圖3為焊接設備的效果圖。在涂裝件蒙皮制備完成后，將涂裝件裙板蒙皮和支架產品通過圖3a所示的胎膜和夾具固定，并采用圖3b所示的焊接單元進行焊接。焊接單元包含150 mm鈦合金焊頭和功率為150～450 W的35 kHz超聲波發生器。其中，鈦合金焊頭相比普通常用的高速鋼焊頭有著更好的聲波傳導性，衰減小，機器負載低，而且更加耐磨損。需要注意的是，在焊接前，需檢查裙板蒙皮和支架是否固定牢固，零件表面是否完全貼合，確保不存在扭曲、未接觸等現象。同時，檢查焊頭是否松動，焊齒是否完整，如圖3c,3d所示，否則會導致焊接缺陷。

圖3 焊接設備

1.3 測試方法

測試設備如圖4所示。其中，拉拔力檢測通過拉拔力測試儀，如圖4a所示。外觀檢測通過燈光檢測站，如圖4b所示，在3 500 lx光源下，采用日光燈和鹵素燈雙光源下進行檢測，其中日光燈使用TL-D90 58W/965，鹵素燈使用QZ1000。

圖4 測試設備

2 結果與分析

由于焊接壓力在超聲波焊接中已經是一個非常成熟的參數[15-17]。當焊接壓力過小時，機械振動產生的能量微弱，使得材料無法熔合牢固，導致焊接強度低。當焊接壓力很大時，高強度的機械振動，會穿透焊接物體表面，產生較大的表面變形。因此焊接外觀零件時，不建議使用很高的焊接壓力，一般選擇的焊接壓力在0.15～0.25 MPa范圍內[18]。焊接試驗將焊接壓力控制在0.2 MPa，保壓時間設定為2.0 s，通過調整焊接深度得到表3所示的幾組拉拔力與深度數據，在LIDO IS500顯微鏡下觀察焊接界面的微觀形態。

表3 不同樣品的拉拔力和外觀檢測結果

通過進行拉拔力測試得出，只有焊接深度在1.8 mm和2.3 mm時，材料的拉拔力滿足大于180 N的質量要求，結合圖5超聲波焊接界面圖像(黑線上方為支架、黑線下方為裙板)，可以發現，焊接深度為1.4 mm時，超聲波焊頭在支架上作用后剛剛熔合了黑線下的裙板，因此焊縫強度較低。而當焊接深度為1.8 mm和2.3 mm時，超聲波焊頭在支架上作用后，熔合了較大深度的裙板，使得支架和裙板結合地更好，材料強度更高，此時拉拔力大于180 N。

圖5 超聲波焊接界面圖像

對焊接深度為1.4 mm，1.8 mm和2.3 mm的三組試驗樣品在燈管檢測站下對外觀質量進行觀察檢查，檢查結果如圖6所示。可以看出，在燈光檢測站下，焊接深度為1.4 mm和1.8 mm的焊接零件外觀質量很好，方框中的燈管很直，未發現燈管突變和扭曲，說明此處焊接后未發生表面的變形，故評判為焊印良好。在2.3 mm的焊接深度下，方框標記中的燈管發生了多處彎曲，燈管不直，表明在2.3 mm的焊接深度下，零件表面已經發生了變形。這是由于焊接深度過高，超聲波通過不斷的機械振動，將能量更容易地傳播到裙板油漆表，使得裙板外觀面受到超聲波能量沖擊后，遇熱變形。在燈管檢測下，遇到變形區域對燈管的投射發生了變化，造成燈管扭曲，故評判為焊印不良，外觀質量不能接受。

圖6 焊縫外觀質量檢查結果

3 結論

綜上所述，在焊接深度1.8 mm時，既滿足拉拔力大于180 N的強度要求，焊印的質量也滿足汽車外觀件的目視要求。在同樣對PP改性材料并有外觀質量和強度要求的超聲波焊接調試中，可以參考借鑒該試驗結果，將焊接深度設定在1.8 mm，對焊接質量進行微調，可降低調試時間，減少調試成本。