汽車車燈激光焊接的應用研究

潘明清，鄧亮，周一汛，薛夢萍

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

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汽車車燈激光焊接的應用研究

潘明清，鄧亮，周一汛，薛夢萍

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

汽車車燈的焊接質量直接影響車燈及整車外觀。目前車燈的焊接方式有多種，激光焊接技術在汽車金屬件焊接已應用成熟，如車身激光焊接已大規模應用，但在車燈焊接領域方興未艾。對比了幾種常用的車燈連接方式及各自的優劣勢，開發了一種新式車燈激光焊接技術，并做了相應的試驗驗證。試驗結果證明：激光焊接效率高，質量可靠，外觀美觀，具有良好的應用前景。

車燈；激光焊接；應用研究

0 引言

車燈作為汽車重要的零部件之一，其外觀直接影響整車觀感。而車燈的焊接質量對車燈外觀有著重要影響。因此車燈焊接質量要求相當高。激光具有方向性好、單色性好、相干性好和光脈沖可以極窄的特點[1]。近年來隨著汽車智能化進程加速推進，以激光技術為代表的先進制造技術也在不斷推動汽車制造業的更新換代，同時對汽車塑料零件之間的焊接連接技術和焊接質量也提出更高的要求，這些變化為激光焊接技術在汽車塑料焊接領域的應用提供了契機[2]。

1 車燈材料連接工藝

車燈的材料以塑料為主，傳統的車燈燈罩與殼體連接方式有粘膠粘接、熱板焊接、振動摩擦焊接等幾種方式[3-4]。

粘膠粘接采用熱熔膠，經過加熱融化后經熔膠頭進入到燈體的灌膠槽，完成灌膠后進行燈罩和燈體壓合冷卻。熱熔膠起到密封和粘接作用，其耐熱性和粘接強度較低，遇到氣溫變化大時，熱熔膠會松弛或膨脹，導致局部漏氣，影響整燈的氣密要求。這種連接方式可靠性差，對環境要求較高。

熱板焊接一般使用熱封機操作，分別對被焊接的燈罩和殼體連接面加熱，封口部位受熱變為粘流狀態，在連接面上形成一層熔化層，加壓使之粘接，冷卻后具有一定強度和密封性能。熱板焊接同類熱塑性塑料，效果較好。但是對于不同類型的塑料焊接，兩塑料之間溫度有差異，需要分別加熱，給熱板的制造和加工帶來困難。

振動摩擦焊的原理是利用振動摩擦焊機產生高頻振動，使上下工件的熔接部位因局部摩擦產生高熱熔化后結合。摩擦焊加工時間短、功效高，缺點焊后外觀上有少量溢出熔料，需要去除溢邊，有一定噪聲。

超音波焊接是利用超音波換能器把高頻電能轉換為高頻率機械振動能，燈罩和燈榖在加壓的條件下，接觸面發生摩擦產生熱量，熔著筋熔融接合。超音波熔接適用于熔著面積較小、結構規則和熱塑性高的制品,并且要求熔著面精度較高。一般用于小燈,如側標識燈。

2 車燈激光焊接原理

塑料激光焊接的基本原理是：兩種塑料在低壓力下被夾緊在一起，近紅外線激光NIR(波長810～1 064 nm)穿過一個制品(近紅外線激光透射)，然后被另外一個制品吸收(近紅外線激光吸收)。吸收激光能量的制品將光能轉化為熱能，在塑料的接觸面熔化，同時熱也傳導到透射近紅外激光制品表面，形成熔化區。在夾緊力的作用下，兩零件熔化緊密接觸。在材料熱膨脹產生的內力和夾緊外力的共同作用下，熔化區域產生分子混合，在快冷過程中形成焊縫[5]。激光焊接的特點是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質量比傳統方法高。圖1是塑料激光焊接原理示意圖。

圖1 塑料激光焊接原理圖

車燈的燈罩和底殼是兩種塑料材質。為了實現車燈的激光焊接，待焊的燈罩和殼體在特定波長下的光學吸收性不應相同。燈罩應盡可能透射激光，燈殼應具有高的吸收率。兩零件的反射率應保持最小，因為隨著反射量的增加，需要更多的能量產生焊接所需的熱量。同時在焊接前需要確保焊筋表面沒有凹坑、凸點等不良問題。

采用波長980 nm的紅外激光，經過材料可焊性研究，殼體材料選用黑色的PC+ABS，燈罩材料選用透明的PMMA，透光率達到94.5%以上。

3 車燈焊接系統

車燈激光焊接系統包括PLC控制系統、機器人運動系統、激光系統、水冷系統，圖2是激光焊接系統框圖。PLC與各組件用Profibus總線連接，HMI與機器人用工業以太網互聯。PLC控制器控制機器人帶動機器手臂運動，激光器搭載在機器手臂上。激光系統由激光電源和激光器(包括光纖和激光頭)組成。由于激光發熱功率大，用水冷卻系統散熱。人機界面設置激光焊接的工藝參數，設定激光發出的功率、焊接時間、焊接速度、工件夾緊力等參數。環境溫度保持在0～28 ℃，相對濕度小于55%。焊接工裝用于對燈罩、殼體進行定位以及夾緊。工裝一般選用4個旋轉壓頭，旋轉壓頭需要均勻地分布在燈具四周。旋轉壓頭由旋轉氣缸驅動，相對的兩個旋轉氣缸共用同一路氣源，兩者同步動作。

圖2 激光焊接系統框圖

4 焊接效果驗證

激光焊接的效果需要進行外觀評價和可靠性試驗驗證。首先檢驗車燈焊接外觀，如果焊縫無分解、無熔融氣泡、無虛焊，則認為外觀良好。進一步通過破壞性拉力試驗檢驗焊縫結合的牢固程度。

截取燈具焊接的局部件，用萬能材料試驗機進行破壞性試驗。圖3、圖4分別是拉力試驗前后的狀況圖，用顯微鏡觀察試驗樣件斷裂的截面。

圖3 拉力試驗前狀態

圖4 拉力試驗后狀態

如果燈罩與殼體沒有充分熔化，只是表面的剝離，則焊接質量不合格。如圖5所示，破壞表面很光滑，沒有凹凸不平的狀態。

圖5 不合格的焊接截面圖

如果焊接破壞面清晰可見部分燈罩斷裂殘留以及大量基材殘留，如圖6所示，證明焊接強度大于單一PMMA強度，焊接質量可靠。

圖6 合格的焊接截面圖

根據試驗結果評估焊接質量，進而調整焊接參數，不斷優化工藝參數可以得到較為滿意的焊接效果。

焊接過程表明采用激光焊接車燈有諸多優點：激光焊接速度快，聚焦好，焊接功率密度高，這使得焊接過程中材料熔化很快，焊接部位的熱變形和熱影響區很小；激光焊接材料范圍廣，既可以焊接同類材料，也能對異性材料施焊，效果良好；激光可焊接微小區域，激光束經聚焦后可獲得很小的光斑，所以車燈焊筋的設計比普通焊接窄很多，焊接效果美觀。

激光焊接也存在著一定的局限性：對被焊件加工質量要求高，零件變形過大則不適用，因為激光聚焦后光斑尺寸小，焊縫窄，若工件加工精度達不到要求，容易造成局部漏焊。對零件加工質量作嚴格管控，可以大大降低焊接偏差。

5 結論

汽車行業的金屬激光焊接方式已經得到日益廣泛的推廣，而汽車塑料的激光焊接方式，尤其是對于有復雜曲面的車燈，激光焊接正作為一種新型專業化的焊接技術，以其優良的焊接質量、易于控制的特點逐漸成為行業關注的重點。隨著激光焊接材料和焊接技術的不斷深入，車燈激光焊接技術將會得到更加廣泛的應用。

【1】劉會霞,張惠中,季進清,等.激光焊接塑料的方法及發展現狀[J].激光技術,2008,32(2):166-170.

LIU H X,ZHANG H Z,JI J Q,et al.Methods and Present Status of Laser Welding of Plastics[J].Laser Technology,2008,32(2):166-170.

【2】劉彧.激光焊接技術在車燈領域的應用[J].科技創新與應用,2015(20):137.

【3】王子敬.車燈行業中常用的幾種熔著技術[J].科技資訊,2013(9):98.

【4】陶永亮.汽車燈罩與燈體裝配連接方式[J].汽車工程師,2012(11):55-58.

TAO Y L.Assembly Connecting Modes of Automotive Lamp Hood and Lamp Body[J].Auto Engineer,2012(11):55-58.

【5】谷鈺,張麗杰,呂翹楚,等.熱塑性塑料的光纖半導體激光透射焊接系統[J].光學精密工程,2015,43(10):42-46.

GU Y,ZHANG L J,LV Q C,et al.Fiber-optic Semiconductor Laser Transmission Welding System for Thermoplastics[J].Optic and Precision Engineering,2015,43(10):42-46.

Application Research of Laser Welding for Automotive Lighting

PAN Mingqing，DENG Liang, ZHOU Yixun, XUE Mengping

(Changzhou Xingyu Automoitve Lighting Systems Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213000, China)

The welding quality of lights influences the appearances of the automotive lamps and vehicles. At present, there are a variety of ways for light welding. Laser welding in automobile metal parts has been used maturely, such as car body. But in the field of lights welding, laser welding has less application. Several connecting methods of lights were introduced. The advantages and disadvantages of each method were contrasted. Laser welding as a new technology was developed on lights. The experiment proves that laser welding has high efficiency and reliable quality, beautiful appearance. This technology will have a more widely application on automotive lighting.

Automotive lighting; Laser welding; Application research

2016-07-29

潘明清(1978—)，博士，高級工程師，主要從事智能裝備制造、激光焊接工藝和生產技術研究工作。E-mail：panmingqing@xyl.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.014

U463.99

A

1674-1986(2016)10-058-03