紅外焊接技術在汽車內(nèi)飾件制造加工中的研究與應用

沈琳燕

(上海延鋒金橋汽車飾件系統(tǒng)有限公司，上海 201206)

紅外焊接技術在汽車內(nèi)飾件制造加工中的研究與應用

沈琳燕

(上海延鋒金橋汽車飾件系統(tǒng)有限公司，上海 201206)

主要介紹自主研發(fā)的燈泡式紅外焊接技術的原理及其優(yōu)缺點，并闡述該技術工藝在汽車內(nèi)飾件制造加工中的性能表現(xiàn)和應用。

塑料；紅外焊接；制造；汽車

隨著塑料材料的廣泛應用，如何連接塑料使之滿足塑料件外觀及使用性能的要求且操作簡單已成為塑料連接技術的一個關鍵性問題。除了機械緊固和粘接等連接手段，塑料焊接技術在工業(yè)界及科研界已得到越來越廣泛的重視。常用的塑料件焊接方法有超聲波焊接、熱樁焊、熱板焊等[1]。這些方法通常可用于任何類型的熱塑性材料，常見的有聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯等，且焊接效果還與塑料中是否添加玻纖、滑石粉及其填充物含量有關。以上焊接工藝均可使塑料熔融并成型，但是生產(chǎn)成本較高，且有些塑料會拉絲或粘在焊頭上。

為了克服以上焊接缺點，紅外焊接工藝正在被人們熟知并廣泛應用，紅外焊接技術的來源是紅外線照射燈光，熱傳輸模式是安全型的輻射。本文所描述的紅外焊接技術采用精確定向的紅外光均勻地加熱塑料焊接柱，再由低壓氣缸驅(qū)動焊頭冷壓成型。

1 紅外焊接技術原理

1.1 焊接單元的構成

本文所描述的紅外焊接技術，其焊接單元由鍍金反射套、焊頭、反射器、燈座、氣缸耦合器、主體、磁鐵、氣缸、導電螺栓組成，如圖1所示。其中，鍍金反射套用于集中平行向下的紅外燈光，上直徑32 mm，下直徑15 mm，下端收緊部位角度45°，該反射套方便拆卸，易于檢查焊頭狀態(tài)；反射器用于反射從點光源發(fā)射出來的紅外燈光，使之平行地向下反射，承受焊頭下壓時氣缸耦合器對下部產(chǎn)生的壓力；氣缸耦合器用于連接壓頭，并通過磁鐵控制焊頭復位，通過氣缸控制焊頭下壓。

1.2 紅外焊接原理

紅外焊接技術的主要基本步驟為：夾緊、加熱、成型、復位，如圖2所示。

(1)夾緊

焊頭下降至產(chǎn)品表面，反射套套住焊柱，如圖2a所示。塑料件通常存在尺寸波動問題，該紅外焊接技術在焊柱被加熱前被部分壓緊，確保工件在加工過程中兩個對焊的工件位置被固定，可彌補工件由于尺寸波動而造成的翹曲變形。

(2)加熱

該紅外焊接技術可加工所有帶顏色或者半透明塑料材料[2]。其中深色不透明的材料吸收紅外能量的速度比淺色半透明材料更快，加熱周期更短。熱量來源于一個12 V、100 W的工業(yè)級鹵鎢燈，當燈泡通電時，紅外光從燈泡發(fā)出通過焊頭四周的金屬反射罩垂直向下，再集中反射到整個焊柱上，如圖2b所示。每個焊接單元都可以獨立加熱，過程控制參數(shù)可獨立設置。

(3)成型

紅外照射技術，焊頭下壓，同時吹氣冷卻。焊頭模腔的大小，是根據(jù)焊柱的體積來設計的，確保每個焊柱可以形成一個飽滿的焊頭。金屬反射罩是鍍金的，更容易集中并反射紅外線能量，它的位置和冷卻氣流確保反射罩保持一個合理的溫度，從而可把塑料的熔融熱量快速導出。當材料中填充玻纖時，焊頭需采用鋼材料，有效降低磨損[3]。

焊頭模腔有幾種不同的幾何形狀。對于圓形的焊柱，半球鉚焊和翻邊鉚焊比較常見，兩者在焊接強度上比較接近。事實上，焊柱通孔直徑的大小往往會影響連接處的連接強度，這種影響比焊頭形狀的影響大很多。半球形設計最大限度地減小了塑料的位移，但缺乏一個中心定位點，這將降低其敏感性，焊柱往往是稍微偏離中心的。

焊接深度可以通過以下幾個方面調(diào)整：①整個焊接單元與設備連接處的螺栓。②壓頭的長度。③控制壓頭下壓的氣缸壓力大小。壓頭下壓深度的調(diào)節(jié)也與加熱時間有關。加熱時間越長，壓頭下壓深度可相應調(diào)小；反之，加熱時間越短，所需下壓深度越大。

(4)復位

在焊點冷卻凝固成型保持其形狀和結構后，焊頭復位。此處金屬反射罩還有一個功能，可以壓住焊點四周，保證不隨焊頭一起運動，當焊頭復位后，金屬反射罩才會隨同一起復位。

1.3 紅外焊接的技術優(yōu)勢

(1)安全性

該種紅外焊接模塊是通過輻射的形式將燈泡發(fā)出的紅外能量傳遞給焊柱，由于工作區(qū)域是封閉式的，一旦開始作業(yè)，操作人員將無法進入紅外能量聚焦區(qū)域。由于金屬反射罩表面有一層鍍金層，即使操作人員接觸到紅外焊接模塊的外表面，其表面溫度也是安全的。

(2)能量利用率高

該紅外焊接工藝可以精確地集中紅外能量，以最大限度地減少能耗。此外，使用該設備前無需預熱，焊接結束后只需要使用少量的冷卻空氣，最大限度地減少所需壓縮空氣的量。如表1所示，對比熱鉚焊接、超聲波焊接，該紅外焊接技術所需的能耗最少。

表1 不同焊接工藝的能耗對比

焊接工藝熱源工作電壓/V功率/W預熱紅外焊接射燈12100無需熱鉚焊接熱電阻22025030min超聲波焊接超聲波發(fā)生器2201100無需

(3)過程控制簡單、穩(wěn)定性高

該紅外焊接技術加熱均勻，紅外能量只能集中照射在焊柱的一部分，熱量通過焊柱逐步往下擴散，因此對產(chǎn)品A面影響極小。對于不同形狀的焊柱，只需要調(diào)整金屬反射罩和焊頭的幾何形狀和尺寸即可。

該紅外焊接工藝的參數(shù)設置相對簡單，紅外燈傳輸?shù)胶钢哪芰坑杉訜釙r間決定，另一個參數(shù)是影響熱循環(huán)的冷卻氣流開放時間。在焊頭下壓的同時，冷卻氣流通過紅外發(fā)生裝置，可以穩(wěn)定燈泡和燈座的溫度并保持在金屬反射罩上有正壓力。正壓力可以保持表面清潔，隔絕空氣中的污染物；冷卻空氣有利于控制焊柱的表面溫度，防止溫度過高；最重要的是，冷卻氣流可以使焊頭保持較低的溫度，當焊頭和熔融的焊柱接觸時，可以有效地分散塑料的熱量。

此外，紅外控制器可以有效地監(jiān)控加熱環(huán)節(jié)中每個模塊的電流消耗，如發(fā)生電流過載，設備會報警并停止生產(chǎn)。每個紅外單元內(nèi)配備有一個傳感器，用于探測焊頭在焊接時是否動作到位，焊接結束后是否復位。

1.4 紅外焊接的局限性

由于熱塑性材料加熱后有揮發(fā)性物質(zhì)粘附到金屬反射罩內(nèi)層，影響輻射加熱的效果，因此在使用一段時間后需拆卸焊接單元，對燈座、反射罩、聚光器等元器件進行清潔維護。

金屬反射罩頭部的尺寸在13～31 mm，如果焊柱與產(chǎn)品周邊結構過近，將無法實用該種焊接技術進行焊接，經(jīng)驗證，焊點之間須留出空間約33～60 mm見方內(nèi)只能有一個焊點進行焊接，否則只能分步焊接。此外，由于焊接結構的局限性，該方法只能用于塑件鉚焊。

2 紅外焊接技術的參數(shù)研究及應用

紅外焊接技術以其特有的優(yōu)勢越來越受到市場的青睞，其主要之一長處是它采用非接觸式的加熱方法對塑料工件進行加熱，經(jīng)壓合冷卻后即完成焊接，并可獲得極高的焊接強度[3]。由于產(chǎn)品形狀的不一致，無法直接考量產(chǎn)品焊接強度用于橫向研究，故本文以單點拉脫力的形式對單點力值進行對比分析，尋求該紅外焊接技術合適的加工工藝參數(shù)。

2.1 試驗材料及方案

2.1.1 試驗材料

本焊接試驗所選取的材料為汽車行業(yè)普遍運用的PP-EPDM-T20，是一種改性的PP材料，橡膠增韌含20%滑石粉的專用改性材料，表2為試驗材料在室溫下的力學性能指標。

表2 PP-EPDM-T20室溫下力學性能

密度/(g/cm3)成型收縮率/(%)拉伸強度/MPa彎曲強度/MPa1．03～1．071．22535

2.1.2 試驗方法

為了提高試驗結果的準確性和一致性，根據(jù)產(chǎn)品大小制定單點拉脫力的試驗方案如下：

(1)以焊點為中心，取邊長60 mm×60 mm的正方形劃線，然后將焊點分別切開編號，如圖3所示。

(2)在正方形樣條上根據(jù)模板打孔，并穿入300 mm的細繩后打結。

(3)將樣條平放并固定在測力設備的夾緊工裝上，隨后把細繩掛在測力設備的掛鉤上，以500 mm/min的速度勻速向上提拉直至焊點脫開。

(4)電腦顯示屏反饋單點拉脫力的力值曲線及最大力值。

2.2 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

整個焊接過程中，加熱時間越長，焊柱所吸收的總熱量越大，其熔融程度越好，在時間模式下，焊接所達到的深度越深[3]；在適當?shù)募訜釙r間下，保壓時間越長，焊點越飽滿，其所呈現(xiàn)的焊點質(zhì)量越好[4-5]。因此，加熱時間、保壓時間的相互關系和工藝窗口的選擇是項目前期開發(fā)過程中的一項重要任務。

由于試驗條件有限，本文設定焊接壓力、燈泡照射功率一致，并選取工件上的相同位置點，通過單因子法研究不同加熱時間、不同保壓時間的相互關系，依托單點拉脫力的測試結果分析并探索每個焊點的最佳工藝參數(shù)范圍。

2.2.1 加熱時間對焊接質(zhì)量的影響

圖5為焊點位置、焊接壓力、紅外照射功率、保壓時間一定的情況下，單點拉脫力隨加熱時間的變化曲線。加熱時間為5～8 s時，單點拉脫力在一定范圍內(nèi)波動，當繼續(xù)加長加熱時間，焊柱表面溫度逐漸接近材料本身的降解溫度，當完成一個焊接循環(huán)后，焊點嚴重拉絲，無法形成完整的焊點，與拉脫力數(shù)值急劇減小的結果相吻合；圖6展示了加熱時間為5、6、7、8 s時的焊點質(zhì)量對比，顯而易見，隨著加熱時間的加長，焊點逐步加深，且伴隨著拉絲現(xiàn)象出現(xiàn)，焊點外觀不夠飽滿。

2.2.2 保壓時間對焊接質(zhì)量的影響

在生產(chǎn)過程中，縮短制造節(jié)拍是提高生產(chǎn)效率的一項有效措施，因此在項目前期開發(fā)中，應盡可能減少加熱時間，并在不影響節(jié)拍的前提下延長保壓時間，在本文所述的紅外焊接系統(tǒng)中，保壓時間即為設備界面上的冷卻延時時間。當保壓結束后，整個焊接單元緩慢上升過程中，以不斷吹壓縮空氣來實現(xiàn)對焊接單元的冷卻，直到下次焊接開始后再結束。

圖7是焊接壓力、紅外照射功率一定，加熱時間分別為5 s和6 s時，單點拉脫力與保壓時間的關系曲線，當保壓時間≥1 s時，兩種加熱時間下的單點拉脫力值不再隨保壓時間的增加而呈現(xiàn)遞增規(guī)律，且兩種加熱時間的單點拉脫力值在同一區(qū)間內(nèi)波動，此時焊點呈現(xiàn)出力學性能和外觀均良好的狀態(tài)，滿足焊接強度要求。

2.3 紅外焊接技術的穩(wěn)定性驗證

在制造業(yè)加工過程中，工藝穩(wěn)定性是生產(chǎn)制造穩(wěn)定的基礎，是工廠提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量保障的先決條件。由圖7可知，加熱時間在5～6 s，保壓時間在1～4 s時單點拉脫力平均值為282.2 N，方差為49，故擬制定該材料在本文所述紅外焊接工藝下的單點拉脫力標準為282±50 N。

在隨后的小批量生產(chǎn)中，對以上工藝窗口生產(chǎn)的樣件進行單點拉脫力抽測并繪制SPC圖以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程質(zhì)量進行分析評價，如圖8所示，過程特性服從穩(wěn)定的隨機分布，其Cpk=1.42，Ppk=1.36，滿足汽車內(nèi)飾件制造業(yè)對生產(chǎn)過程的SPC要求。

3 結語

(1)該種燈泡輻射的紅外鉚焊技術可焊出焊點飽滿，焊接拉脫力滿足焊接強度要求，產(chǎn)品A面符合外觀要求的產(chǎn)品。

(2)總體節(jié)拍較快，單點焊接節(jié)拍不超過10 s，優(yōu)于普通的熱鉚焊，是汽車制造業(yè)中比較優(yōu)質(zhì)的一種鉚焊工藝。

(3)加熱時間越長，焊柱所吸收的總熱量越大，其熔融程度越好，在時間模式下，焊接所達到的深度越深；在適當?shù)募訜釙r間下，保壓時間越長，焊點越飽滿，其所呈現(xiàn)的焊點質(zhì)量越好；加熱時間越長，焊接單元的下降高度可相應減小，反之加熱時間越短，所需的下壓深度越大。

[1]馬冬玲, 趙高明, 益小蘇. 塑料焊接方法及其機理[J]. 現(xiàn)代塑料加工應用, 1993(3):49-53.

[2]Scott Beute.The InfraStake Process[EB/OL]. 2008.7/2011.6.

[3]《現(xiàn)代塑料》編輯部. 塑料焊接技術的新進展[J].現(xiàn)代塑料, 2015(6):20-22.

[4]Yeh, Hong Jun. Infrared welding of polyethylene pipes using radiant heater[C]. Annual Technical Conference-ANTEC, Conference Proceedings,v1, Processing, 1996:1245-1249

[5]Yeh H J. Infrared welding of polyethylene pipes[J]. Plastics Engineer,1997,53(3):103-105.

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Study and application of the infrared welding in the automotive interior manufacturing

SHEN Linyan

(Shanghai Yanfeng Jinqiao Automotive Trim Systems Co.， Ltd., Shanghai 201206,CHN)

This paper describes the principle and its advantage and disadvantage of infrared welding technology, and the performance and application in the automotive interior parts manufacturing.

plastic; infrared welding; manufacturing; automotive

TB472

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.028

沈琳燕，女，1984年生，碩士，高級工程師，主要從事新項目工藝開發(fā)。

穎) (

2016-06-21)

161236