PP材料紅外焊接外觀凸起問題研究

張琨

同濟大學汽車學院 （上海 201804）

汽車工業正逐步向降耗減排、更安全、更環保的方向發展，以汽車零部件塑料化為代表的輕量化技術作為減少汽車排放、提高燃燒效率最有效的措施之一，已成為衡量汽車設計和制造水平高低的一個重要指標[1]。因此，塑料在汽車工業中的規模化生產應用得到了迅速發展[3]。

現階段，汽車塑料，特別是工程塑料，以其優異的性能在汽車領域得到了廣泛應用。其應用已經由普通的裝飾件發展到結構件、功能件[5]。例如，汽車門內飾板、座艙、副儀表板等廣泛應用到了聚丙烯（PP）、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS）、尼龍等工程塑料。隨著工程塑料在汽車領域應用的增加，選擇合適的連接方式實現塑料零件之間的連接顯得尤為重要。紅外焊接以反應速度快、柔性化高、清潔無焊渣、可進行3D形狀焊線焊接等優點[6]，廣泛應用于手套箱、膝部擋板、儲物盒、地圖袋、風道、副儀表板側板等零件的焊接，成為汽車領域常用的塑料焊接方式之一。

1 紅外焊接原理

紅外焊接采用非接觸式的加熱方法，通過一個由能量控制的紅外發生器來焊接塑料件。紅外焊接所需波長范圍為0.78～1000μm，分為短波（0.78～1.4μm）、中波（1.4～3.0μm）和長波（3.0～1 000 μm）3個區域。紅外射線照射在被加熱零件上會發生反射、吸收、傳輸3種傳導方式，零件通過吸收紅外輻射熱量達到一定溫度從而使材料熔化進行焊接。因此，需要根據被加熱材料的吸收光譜選擇波長合適的紅外發生器，以達到更高的能量吸收效率。

紅外焊接時，加熱裝置位于兩個塑料件之間，當工件靠近加熱裝置時，零件焊接筋開始熔化。到達預先設置的加熱時間后，工件表面的塑料焊接筋將達到一定的熔化程度，此時胎膜向兩邊分開，加熱板上升，隨后左右兩個工件合并在一起，當達到一定的焊接時間和焊接深度之后，整個焊接過程完成。具體焊接流程如圖1所示：（1）將零件放到胎膜上，紅外發生器下降至加熱位置；（2）左右胎膜向內移動至加熱位置，紅外發生器工作，使焊接筋熔化；（3）左右胎膜向外移動，紅外發生器上升；（4）左右胎膜向內移動至焊接位置，保壓并冷卻；（5）左右胎膜打開，取出焊接零件。

2 紅外焊接外觀凸起問題研究

紅外焊接過程中，零件經歷受熱到冷卻的過程，所以焊接完成后產品會由于內應力而產生凹凸不平等外觀問題。此外，紅外焊接工藝參數以及紅外焊接設備模具的設計結構也會影響焊接總成的外觀。

某副儀表板左、右側板（壁厚2.5 mm、無加強筋）通過紅外焊接與本體骨架連接在一起，焊接完成后側板表面呈現不同程度凸起，觸感明顯。

圖1 紅外焊接流程圖

紅外焊接是一種比較成熟的塑料焊接工藝，之前的生產中沒有出現過外觀明顯凸起的缺陷。為了研究造成該缺陷的原因，選取外觀良好的A零件和外觀有明顯凸起的B零件為研究對象。對比A，B兩個零件，其材料供應商、產品壁厚、焊筋數量、加強筋數量等均不同。

2.1 零件變形量分析

使用GOM藍光三維掃描設備對焊接總成件A和B進行了掃描，結果如圖2所示。紅色表示測點位置高于零件表面，用“+”表示；綠色表示測點位置低于零件表面，用“-”表示；顏色越深表明變形量越大。2個零件的變形量分別如表1，表2所示。

圖2 A，B零件GOM藍光掃描圖

表1 A零件表面變形量 mm

表2 B零件表面變形量 mm

從表1，表2中可以看出，A零件表面變形量均小于0.25 mm，且A零件表面目視及觸摸均沒有明顯的凸起；B零件表面變形量在0.25～0.77 mm之間，目視凸起明顯，觸感也非常明顯。上述數據表明將零件表面變形量控制在0.25 mm以內，就不會出現明顯的凸起及觸感。

2.2 紅外焊接外觀凸起的影響因素分析

紅外焊接工藝參數主要包括加熱時間和紅外燈管功率。加熱時間越長、燈管功率越大，零件所吸收熱量越多，變形趨勢越大；其中燈管功率在焊接胎膜設計時已經確定無法更改。為了避免零件非焊接區域受熱變形，焊接胎膜上會增加擋光板；擋光板在焊筋處開孔以使紅外射線照射在零件上，擋光板和焊接零件之間的距離會影響紅外射線照射在零件上的區域大小，從而影響零件變形區域的大小。此外，零件本身的結構設計特點，如壁厚、加強筋的數量和形狀等因素也會影響零件本身的抗變形能力。

為了研究不同影響因素組合下的零件變形量，制作了對應的試驗工裝，工裝由紅外加熱燈管、擋光板、千分表等組成。利用紅外燈管對零件進行加熱，燈管功率與焊接胎膜一致；擋光板與零件之間的距離根據試驗需求進行調整；千分表可以測量零件表面的變形量。試驗時零件放置在擋光板上方，按照設定的加熱時間進行加熱，測量并記錄零件變形量。

選取了壁厚、焊筋數量、焊筋形式等5種產品結構影響因素，每個因素賦予2個水平，具體如表3所示。將產品結構因素進行隨機組合得到11組試驗樣件，如表4所示。在不同擋光距離、加熱時間組合下進行了試驗，零件變形量結果如表5所示。

表3 試驗樣件矩陣

表4 試驗樣件矩陣

表5 試驗零件變形量 mm

從表5可以看出：擋光板與零件距離一定時，零件變形量隨加熱時間的增加普遍呈上升趨勢；當加熱時間一定時，零件的變形量隨擋光距離的增加而增大。對比11種不同結構組合下的零件變形量，11#組合（A2B2C1D1E2）下的零件變形量最小，即零件壁厚為3 mm、焊接筋數量為3根、湖石注塑粒子、直筋、零件有加強筋時，零件的變形量最小。

根據驗證結果更改了產品結構，將壁厚更改為3 mm，增加加強筋，同時縮短了加熱時間，并減小擋光板與零件間的距離。優化后的焊接零件表面凸起問題解決，GOM藍光掃描結果如圖4所示，零件變形量如表6所示，均在0.25 mm以內。

圖4 優化后B零件GOM藍光掃描圖

表6 優化后B零件表面變形量 mm

3 結語

紅外焊接過程中，零件由于紅外射線照射而吸收大量的熱量。零件表面鼓包的根本原因是受熱變形。為了解決這個問題，可以從2個方面入手：一是減少焊接過程中零件吸收的熱量，如適當縮短加熱時間、擋光板盡可能靠近焊接零件等，但是零件必須吸收一定的熱量才能熔化進而焊接，所以該措施效果有限；二是從產品結構設計出發，通過增加零件壁厚、增加加強筋等方式提高零件本身的抗變形能力。實際生產過程中需要綜合2種方式，優化焊接工藝參數以及產品結構來得到最優的產品質量。