焊接BOSS 柱尺寸設計研究

余維剛 趙肖斌

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.電子科技大學 四川省成都市 611731

1 背景

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)，分子式如圖1 所示。

圖1 聚丙烯分子示意圖

因其密度只有0.89～0.91g/m，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。聚丙烯原材料為白色透明顆粒狀，如圖2 所示。

圖2 聚丙烯顆粒料圖

汽車行業普遍大規模使用PP 塑料件，塑料件之間的固定方法五花八門，有卡扣、粘接、螺釘、焊接等，其中焊接作為廣泛使用的重要緊固方法之一有其獨特的優勢，焊接結構不但可靠，而且效率高，成本低。內外飾超聲波焊接技術通常分為超聲波BOSS 柱熱熔焊和超聲波穿刺焊。本文主要介紹超聲波BOSS 柱熱熔焊，將凹裝的焊頭壓在塑膠品外圈，焊頭如圖3 所示，焊頭發出超聲波高頻振動后將塑膠熔融成型而包覆于金屬物件使其固定，且外觀光滑美觀。

圖3 超聲波BOSS 柱熱熔焊焊頭外觀圖

2 引言

熱熔焊的目的就是為了得到穩定合格可靠的焊點，焊點的尺寸決定了焊點的可靠性，焊點的尺寸不僅跟焊頭有關系，也和BOSS柱的尺寸有關系，BOSS 柱的尺寸直接決定了焊點的大小，進而影響可靠性。BOSS 柱到焊點的關系如圖4 所示。

圖4 BOSS 柱到焊點的關系圖

3 設計方法

本文主要研究空心超聲波熱熔焊BOSS柱的內徑、外徑、高度、焊點厚度與搭接寬度的理論數值關系，如圖5 所示，用于指導如何選擇BOSS 柱的尺寸，權衡內外徑與高度的尺寸的選擇，換言之，當BOSS 柱外徑D，h，焊點搭接寬度w 確定后，我們該如何去設計和。

首先，建立焊接前后的數學模型，因此需要忽略一些細節和簡化模型。

1、圖5 中的拔模斜度忽略不計；

圖5 空心BOSS 柱尺寸簡圖

2、焊接后的鉚點斷面近似看出橢圓結構；

3、焊接前后材料損失忽略不計。

因此，由焊接前后材料損失忽略不計可以得到體積相等的關系式

其中為焊接前BOSS 柱上部體積，為焊接后鉚點體積

由拔模斜度忽略不計可得

由成型鉚點斷面近似看成橢圓可以得到成型斷面（單側）鉚點斷面面積

所以成型鉚點的體積為

上式中為鉚點中心的周長

因此

將方程3 和方程5 代入到方程4 可得

由方程1，聯立方程2 和方程6 可得

考慮到誤差補償，為保證塑件連接后有足夠強度，焊接柱需要校核焊接熔膠量，焊接柱的高度越高，熔膠量越多。給出一定的設計余量，防止焊點不實，給出=1.2～1.5的安全系數，因此，最終的設計值

然后，工程師可以根據方程7 進行自己的焊接BOSS 柱尺寸設計，合理的選擇BOSS 柱壁厚，鉚點與平面搭接寬度，根據選定的部分參數來設計BOSS 柱高度H，在某些特殊情況下，需要限制高度H，也可以根據高度H反推出其余的參數。

BOSS 柱的壁厚設計要考慮其強度、成型工藝等因素。壁厚太薄則強度不夠，壁厚太厚則容易引起外觀縮痕。對于直接連在外觀面上的焊接柱，其壁厚不大于制件壁厚的0.4 倍，同時考慮到成型工藝，最小壁厚要大于1mm。非外觀面上的焊接柱和底部有“狗窩”狀的焊接柱，其壁厚可適當加厚。

4 公式驗證

案例一

使用在產的某車型門板總成BOSS 柱焊接結構進行驗證，焊接之后圖片如圖6 所示。

圖6 某車型門飾板焊點圖

經過游標卡尺檢測多組焊點，焊點分布如圖7 所示。

圖7 多組焊點分布圖

表1 焊點尺寸測量記錄表（單位：mm）

圖8 某車型門飾板BOSS 柱尺寸圖

案例二

使用另外一款車的尾門外裝飾板總成焊接前后狀態進行驗證，零件實物圖片如圖9 所示。

圖9 某車型尾門外裝飾板總成BOSS 柱分布圖

表2 焊點尺寸測量記錄表（單位：mm）

圖10 某車型尾門外裝飾板總成BOSS 柱尺寸圖

本文作者也還驗證了其他車型的不同零件，比如商標牌零件的焊接等，焊接BOSS 柱設計值與公式計算值符合度較高，誤差在10% 之內，理論上設計值不一定有本公式計算值更有利于焊接的牢固與穩定。

5 總結

經過多車型多零件廣泛驗證，本文提供了一個可靠的超聲波焊接BOSS 柱設計參考公式

參數見圖11

圖11 參數關系圖

其中安全系數推薦1.2～1.5 之間，合理的利用上述計算公式可以高效設計BOSS柱尺寸參數。