汽車塑料件超聲波焊接技術(shù)

卞迎春， 雷玉成

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 前言

隨著綠色環(huán)保逐漸成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和主題，汽車節(jié)能減排和輕量化引起了人們的廣泛關(guān)注。從汽車輕量化的角度，降低整車質(zhì)量可以提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，減少尾氣污染物的排放。研究表明，減輕10%的汽車質(zhì)量可以提高6%～7%的燃油經(jīng)濟(jì)性[1-2]。然而，隨著科技的發(fā)展和汽車輕量化要求的不斷提高，傳統(tǒng)鋼或鋁制材料已經(jīng)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(qiáng)度的力學(xué)性能和高的耐磨加工性能，因而被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)中[3-5]。目前，連接汽車外觀件產(chǎn)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(duì)使用期限[9]、存儲(chǔ)環(huán)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(jìn)行，粘結(jié)后產(chǎn)品對(duì)使用場(chǎng)所也有所限制，這就導(dǎo)致了使用熱熔膠粘結(jié)塑料件的成本增加，且存在應(yīng)用局限性。激光焊接設(shè)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(guò)將發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波震動(dòng)能作用在結(jié)合的材料上，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，最終使兩種材料熔合在一起[11-12]。超聲波焊接對(duì)產(chǎn)品的使用期限，存儲(chǔ)環(huán)境無(wú)特殊要求，且設(shè)備不需進(jìn)行回收處理，可以循環(huán)使用，熔合時(shí)間短，生產(chǎn)速度快，焊接強(qiáng)度高，制造成本低，焊接工藝穩(wěn)定且環(huán)保[13-14]，焊接參數(shù)的錄入可通過(guò)軟件、系統(tǒng)進(jìn)行錄入，在焊接發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)地進(jìn)行處理。因此，超聲波焊接在機(jī)電產(chǎn)品及汽車行業(yè)的批量化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 材料及方法

汽車裙板產(chǎn)品對(duì)焊縫的結(jié)合強(qiáng)度和焊后的外觀質(zhì)量有著非常高的要求。在汽車裙板產(chǎn)品上，通常會(huì)焊接上一些支架類產(chǎn)品，從而起到固定其它零件的作用。對(duì)于焊接好的產(chǎn)品，既要滿足汽車在復(fù)雜路面上的行駛要求，使其不能發(fā)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(huì)被放大，在燈源下檢測(cè)會(huì)看到各種不平滑的坑和印，影響外觀質(zhì)量)。所以，文中將采用注塑-涂裝-焊接工藝制備樣件，并對(duì)焊縫強(qiáng)度和外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

表1為該研究從注塑、涂裝、焊接到檢測(cè)各階段所使用的材料。表2為各階段所使用的試驗(yàn)及測(cè)試設(shè)備。

表1 試驗(yàn)所用材料

表2 試驗(yàn)所需設(shè)備及用途

1.2 制備工藝

圖1為試驗(yàn)制得的注塑件。其中，汽車用塑料裙板產(chǎn)品是通過(guò)3300T注塑機(jī)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(guò)1300T注塑機(jī)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(guò)自動(dòng)涂裝線進(jìn)行噴涂工藝。首先，進(jìn)行火焰烘烤使產(chǎn)品預(yù)熱，增加上漆率；第二步，進(jìn)行環(huán)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(huì)導(dǎo)致在高壓沖水時(shí)，色漆與底漆間的剝離；第三步，進(jìn)行硝基色漆的噴涂，色漆的作用主要是進(jìn)行著色；第四步，進(jìn)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(chǎn)品如圖2所示，由有資質(zhì)認(rèn)證的檢驗(yàn)人員對(duì)其進(jìn)行預(yù)檢驗(yàn)，檢查是否有漏噴、流掛、凹印等外觀缺陷，避免后續(xù)產(chǎn)生焊接引起的外觀缺陷而無(wú)法辨識(shí)，確認(rèn)無(wú)外觀缺陷后，冷卻4 h。

圖2 裙板涂裝樣品

圖3為焊接設(shè)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(chǎn)品通過(guò)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(jìn)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(fā)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(dǎo)性，衰減小，機(jī)器負(fù)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(xiàn)象。同時(shí)，檢查焊頭是否松動(dòng)，焊齒是否完整，如圖3c,3d所示，否則會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷。

圖3 焊接設(shè)備

1.3 測(cè)試方法

測(cè)試設(shè)備如圖4所示。其中，拉拔力檢測(cè)通過(guò)拉拔力測(cè)試儀，如圖4a所示。外觀檢測(cè)通過(guò)燈光檢測(cè)站，如圖4b所示，在3 500 lx光源下，采用日光燈和鹵素?zé)綦p光源下進(jìn)行檢測(cè)，其中日光燈使用TL-D90 58W/965，鹵素?zé)羰褂肣Z1000。

圖4 測(cè)試設(shè)備

2 結(jié)果與分析

由于焊接壓力在超聲波焊接中已經(jīng)是一個(gè)非常成熟的參數(shù)[15-17]。當(dāng)焊接壓力過(guò)小時(shí)，機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的能量微弱，使得材料無(wú)法熔合牢固，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度低。當(dāng)焊接壓力很大時(shí)，高強(qiáng)度的機(jī)械振動(dòng)，會(huì)穿透焊接物體表面，產(chǎn)生較大的表面變形。因此焊接外觀零件時(shí)，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(nèi)[18]。焊接試驗(yàn)將焊接壓力控制在0.2 MPa，保壓時(shí)間設(shè)定為2.0 s，通過(guò)調(diào)整焊接深度得到表3所示的幾組拉拔力與深度數(shù)據(jù)，在LIDO IS500顯微鏡下觀察焊接界面的微觀形態(tài)。

表3 不同樣品的拉拔力和外觀檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)進(jìn)行拉拔力測(cè)試得出，只有焊接深度在1.8 mm和2.3 mm時(shí)，材料的拉拔力滿足大于180 N的質(zhì)量要求，結(jié)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(fā)現(xiàn)，焊接深度為1.4 mm時(shí)，超聲波焊頭在支架上作用后剛剛?cè)酆狭撕诰€下的裙板，因此焊縫強(qiáng)度較低。而當(dāng)焊接深度為1.8 mm和2.3 mm時(shí)，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(jié)合地更好，材料強(qiáng)度更高，此時(shí)拉拔力大于180 N。

圖5 超聲波焊接界面圖像

對(duì)焊接深度為1.4 mm，1.8 mm和2.3 mm的三組試驗(yàn)樣品在燈管檢測(cè)站下對(duì)外觀質(zhì)量進(jìn)行觀察檢查，檢查結(jié)果如圖6所示。可以看出，在燈光檢測(cè)站下，焊接深度為1.4 mm和1.8 mm的焊接零件外觀質(zhì)量很好，方框中的燈管很直，未發(fā)現(xiàn)燈管突變和扭曲，說(shuō)明此處焊接后未發(fā)生表面的變形，故評(píng)判為焊印良好。在2.3 mm的焊接深度下，方框標(biāo)記中的燈管發(fā)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(jīng)發(fā)生了變形。這是由于焊接深度過(guò)高，超聲波通過(guò)不斷的機(jī)械振動(dòng)，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(cè)下，遇到變形區(qū)域?qū)艄艿耐渡浒l(fā)生了變化，造成燈管扭曲，故評(píng)判為焊印不良，外觀質(zhì)量不能接受。

圖6 焊縫外觀質(zhì)量檢查結(jié)果

3 結(jié)論

綜上所述，在焊接深度1.8 mm時(shí)，既滿足拉拔力大于180 N的強(qiáng)度要求，焊印的質(zhì)量也滿足汽車外觀件的目視要求。在同樣對(duì)PP改性材料并有外觀質(zhì)量和強(qiáng)度要求的超聲波焊接調(diào)試中，可以參考借鑒該試驗(yàn)結(jié)果，將焊接深度設(shè)定在1.8 mm，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行微調(diào)，可降低調(diào)試時(shí)間，減少調(diào)試成本。