汽車儀表盤黑色塑料激光透射焊接研究

王瑛，張鵬

汽車儀表盤黑色塑料激光透射焊接研究

王瑛1，張鵬2

（1. 陜西工商職業(yè)學(xué)院，西安 710114；2. 陜西重型汽車有限公司，西安 710220）

研究汽車儀表盤黑色塑料的焊接方法，提高焊縫強(qiáng)度，滿足實際生產(chǎn)。在熱塑性聚氨酯塑料的注塑過程中，加入一定比例的黑色有機(jī)染料，分析添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黑色有機(jī)染料對透光率的影響。采用激光作為加熱熱源對黑色熱塑性聚氨酯塑料進(jìn)行焊接。當(dāng)添加的黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，得到焊縫表面無痕跡，焊縫強(qiáng)度為131 MPa。隨著添加黑色有機(jī)染料的比例增加，塑料對可見光的透光率基本沒有變化，對915 nm的近紅外光透光率逐漸增加。焊縫熔深和寬度均較大，且焊縫內(nèi)部無氣孔時，焊縫的剪切強(qiáng)度達(dá)到最大。通過在黑色塑料中添加黑色有機(jī)染料，實現(xiàn)了汽車儀表盤的激光透射焊接，達(dá)到了實際生產(chǎn)的要求。

黑色塑料；聚氨酯；黑色有機(jī)染料；激光焊接

塑料由于具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、質(zhì)量輕、加工成形簡單、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代價格昂貴的金屬材料如不銹鋼、鋁合金、鈦合金等[1—3]，在家電制造、汽車、航空航天、五金、食品藥品等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[4—7]。由于注塑結(jié)構(gòu)的限制，在由塑料件組成部件時，需要將不同的塑料件連接在一起，連接的方式主要有焊接、膠粘以及機(jī)械鉚接，其中塑料焊接具有強(qiáng)度高、抗高溫以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)。塑料焊接的方式目前主要有超聲波焊接、摩擦焊以及激光焊接。超聲波焊接由于有較強(qiáng)的機(jī)械振動，容易對產(chǎn)品內(nèi)部的電子元器件造成損傷；摩擦焊需要施加大的機(jī)械壓力，產(chǎn)品容易產(chǎn)生變形，而且生產(chǎn)效率也不高[8—12]。

激光塑料焊接與工件不接觸，沒有振動，不會對產(chǎn)品內(nèi)部電子元器件產(chǎn)生振動損傷；激光焊接的熱量相對非常集中，可以快速進(jìn)行焊接，提高生產(chǎn)效率；在焊接過程中，無需施加大的機(jī)械壓力，焊接后產(chǎn)生的變形也較小，是非常適合塑料焊接的一種方法[13—15]。激光塑料焊接的基本原理是激光束透過上層材料，激光能量在下層材料的界面處被吸收并產(chǎn)生熱量，熔化的塑料熔融在一起，最終形成焊接接頭，這對塑料的材質(zhì)特別是上層塑料的透光性有較嚴(yán)格的要求，要求上層材料對激光透光率較高且下層材料對激光的吸收率較高，才能進(jìn)行焊接[16—17]。在汽車儀表盤結(jié)構(gòu)中，為了滿足外觀需求，需要上下材料都是黑色塑料，傳統(tǒng)的黑色塑料對激光的透光率較低，無法進(jìn)行激光塑料焊接。

文中采用對激光透射的黑色有機(jī)染料加入到上層塑料中，實現(xiàn)黑色塑料與黑色塑料的激光焊接，得到焊接接頭拉力最大且焊縫處無任何痕跡的效果，為實際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 焊接實驗

1.1 材料

材料采用熱塑性聚氨酯塑料顆粒、蒽醌染料、紫環(huán)酮染料以及碳黑。將蒽醌染料與紫環(huán)酮染料按照一定比例混合，制備得到黑色有機(jī)染料。將聚氨酯塑料顆粒在干燥箱內(nèi)（溫度100～150 ℃）烘干12 h，去除內(nèi)部水分。將制備的黑色有機(jī)染料按照一定比例與聚氨酯塑料顆粒在轉(zhuǎn)鼓混合攪拌機(jī)內(nèi)攪拌60 min，使其充分混合得到混合物。將混合物用注塑機(jī)成形成板材。采用同樣的方法，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的碳黑加入到聚氨酯塑料顆粒中進(jìn)行混合，經(jīng)過注塑機(jī)成形后得到黑色塑料板材，兩種板材尺寸為100 mm× 50 mm×1.5 mm。

1.2 設(shè)備

干燥箱（華飛電熱設(shè)備公司，型號為HF-1）用于干燥聚氨酯塑料顆粒；轉(zhuǎn)鼓混合攪拌機(jī)（恒富電子機(jī)械公司，型號GH100）用于攪拌塑料顆粒與黑色有機(jī)染料；注塑機(jī)（大禹機(jī)械公司，型號TYU-2100.2R）用于塑料的注塑成形；可見光光分度計（上海光譜儀器公司，型號為SP-723/SP-723PC）用于測試材料對不同波長光的透光率。激光焊接平臺采用自制平臺，激光器采用銳科激光公司生產(chǎn)的100 W半導(dǎo)體激光器，激光波長為915 nm。

1.3 焊縫剪切強(qiáng)度測試

將焊接試樣切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1a所示，將兩端夾住，測試焊縫的剪切力。采用廣東威邦儀器科技股份有限公司生產(chǎn)的電子萬能材料試驗機(jī)（型號：WBE-9909）對焊縫進(jìn)行剪切力測試，最大拉力值為200 kN，如圖1b所示。剪切強(qiáng)度=剪切力/焊縫面積，其中焊縫面積=焊縫寬度×焊縫長度。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每個工藝參數(shù)測試3個樣品，取剪切強(qiáng)度值的平均值為該參數(shù)下的剪切強(qiáng)度。

圖1 焊縫剪切強(qiáng)度測試

2 實驗過程及結(jié)果分析

2.1 透光性測試

根據(jù)實際產(chǎn)品的要求，上下層塑料均為黑色。根據(jù)王傳洋等[17]的研究，在塑料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的碳黑，可以對激光有較好的吸收率，文中在聚氨酯塑料顆粒中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的碳黑，作為激光塑料焊接的下層材料。將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黑色有機(jī)染料加入聚氨酯塑料顆粒中，注塑成激光塑料焊接的上層塑料板材，對其進(jìn)行透光性測試，測試波長為300～1100 nm，分別選取400，550，700，915 nm這4個波長的透光率，其中400，550，700 nm代表可見光波段，915 nm為激光器發(fā)出的波長。測試結(jié)果如表1所示。當(dāng)測試的透光率低于5%時，表示材料呈現(xiàn)黑色，由測試數(shù)據(jù)可知，聚氨酯塑料本身不是黑色，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～15%的黑色有機(jī)染料時，塑料表現(xiàn)出黑色狀態(tài)。采用915 nm波長的光測試材料的透光性，結(jié)果表明，聚氨酯塑料透光率只有10%左右，不能作為塑料激光焊接的上層材料，也不適合作為下層材料。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的碳黑后，對915 nm波長的透光率為1%，適合作為塑料激光焊接的下層材料。隨著黑色有機(jī)染料添加量的增加，塑料對915 nm波長的透光率先增加后減小，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的黑色有機(jī)染料時，對915 nm波長的透光率達(dá)到最大的45%。

表1 塑料的透光性測試

Tab.1 The transmittance testing of plastics %

2.2 激光焊接測試

采用自制的半導(dǎo)體激光（波長915 nm）焊接平臺對不同的塑料組合進(jìn)行焊接測試。根據(jù)激光焊接工藝參數(shù)預(yù)備實驗，確定激光功率為30 W、焊接速度為30 mm/s等工藝參數(shù)不變，將聚氨酯+0.15%碳黑作為下層材料。分別將聚氨酯塑料+0%黑色有機(jī)染料、聚氨酯塑料+1%黑色有機(jī)染料、聚氨酯塑料+5%黑色有機(jī)染料、聚氨酯塑料+10%黑色有機(jī)染料、聚氨酯塑料+15%黑色有機(jī)染料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）作為塑料激光焊接的上層材料，激光焊接后，測試焊縫外觀及焊接接頭的強(qiáng)度。當(dāng)黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時，焊縫表面燒焦嚴(yán)重，這是因為塑料對915 nm波長的透光率僅為10%，絕大部分激光能量被上層塑料表面吸收，導(dǎo)致材料表面燒焦，焊縫外觀如圖2a所示，經(jīng)過焊縫拉力測試，拉力值為0。當(dāng)黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，焊縫表面也有燒焦現(xiàn)象，這是因為材料對915 nm波長的透光率僅為24%，部分激光作用在材料表面，導(dǎo)致焊縫表面燒焦，塑料直接碳化，焊縫外觀如圖2b所示，經(jīng)過焊縫拉力測試，剪切強(qiáng)度為22 MPa，表明上下塑料有熔接，但是熔接材料太少，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度較低。當(dāng)黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，焊縫表面有輕微痕跡，沒有燒焦碳化現(xiàn)象，焊縫外觀如圖2c所示，經(jīng)過焊縫拉力測試，剪切強(qiáng)度為78 MPa。當(dāng)黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，焊縫表面沒有任何焊接痕跡，滿足實際效果要求，焊縫外觀如圖2d所示，經(jīng)過焊縫拉力測試，剪切強(qiáng)度為131 MPa。當(dāng)黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，焊縫表面有輕微的焊接痕跡，焊縫外觀如圖2e所示，經(jīng)過焊縫拉力測試，剪切強(qiáng)度為111 MPa。焊縫拉力測試結(jié)果表明，焊縫強(qiáng)度與上層材料的透光率成正比，上層材料的透光率越大，焊縫強(qiáng)度越大，當(dāng)上層材料對915 nm波長的透光率達(dá)到45%時，焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最高的131 MPa，這是因為上層材料的透光率越高，更多的激光能量作用到下層材料上，使上下材料界面附近熔融的材料更多，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度大，同時由于材料表面吸收了較少的激光能量，容易得到焊縫表面無痕跡的效果。

圖2 黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時的焊接外觀

2.3 焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析

對焊縫微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，當(dāng)黑色有機(jī)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，1%，5%時，焊縫微觀結(jié)構(gòu)如圖3a所示，當(dāng)黑色有機(jī)染料含量較低時（質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%），上層材料對激光的透光率較低，大部分激光能量被上層材料吸收，下層材料吸收的激光能量較少，焊縫寬度和深度均較小，上下材料幾乎沒有熔合在一起，這種焊縫的剪切強(qiáng)度一般較低。當(dāng)黑色有機(jī)染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，焊縫微觀結(jié)構(gòu)如圖3b所示，焊縫熔深和寬度均較大，且焊縫內(nèi)部無氣孔產(chǎn)生，這種結(jié)構(gòu)有利于提高焊縫的剪切強(qiáng)度。當(dāng)黑色有機(jī)染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，焊縫微觀結(jié)構(gòu)如圖3c所示，焊縫內(nèi)部有氣孔存在，這是因為有機(jī)染料含量過高，產(chǎn)生的溫度將部分染料熱分解，產(chǎn)生氣孔，這種情況下，焊縫剪切強(qiáng)度將急劇降低。

圖3 焊接微觀結(jié)構(gòu)

所用的實驗機(jī)為伺服液壓缸，直線缸最大載荷為25 kN，實驗采用正弦波加載，頻率為10 Hz。焊縫出現(xiàn)1 mm裂紋時，判定為失效，以此時的循環(huán)次數(shù)記為焊縫的疲勞失效壽命。載荷-疲勞壽命如圖4所示，黑色有機(jī)染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時焊縫的抗疲勞性能最強(qiáng)，在載荷為800 N情況下，壽命達(dá)到5′107次。黑色有機(jī)染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時焊縫的抗疲勞性能最差。

圖4 焊接疲勞壽命

3 結(jié)論

在聚氨酯塑料中添加黑色有機(jī)染料，使注塑的塑料在可見光波段呈現(xiàn)黑色，對近紅外波段915 nm的光透過。隨著黑色有機(jī)染料在聚氨酯塑料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，塑料對近紅外波段915 nm的透光率先增加后減小，當(dāng)黑色有機(jī)染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，透光率達(dá)到最高的45%。

采用激光對添加了黑色有機(jī)染料的聚氨酯塑料進(jìn)行激光焊接實驗，焊縫強(qiáng)度與上層材料的透光率成正比，當(dāng)上層材料對915 nm波長的透光率達(dá)到45%時，焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最高的131 MPa，且焊縫外觀無任何痕跡。

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Research on Laser Transmission Welding of Black Car Dashboards Thermoplastic Polyurethane Plastic

WANG Ying1, ZHANG Peng2

(1. Shaanxi Business College, Xi'an 710114, China; 2. Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Xi'an 710220, China)

The welding method of black plastic in automobile instrument panel was studied to improve the weld strength and meet the practical production.A certain amount of black organic dye was added into thermoplastic polyurethane plastic, and the transmittance for adding different ratio of black organic dye into the polyurethane was analyzed. Laser was used as heating source for the welding experiment of black thermoplastic polyurethane plastic. When the adding ratio of black organic dye was (wt) 10%, the appearance of welds was no trace and the shearing strength was 131 MPa. As the adding ratio of black organic dye increased, the transmittance for visible light basically had no changed, but the transmittance for near infrared band of 915 nm increased gradually. When the depth and width of the welds were large and had no pores in it, the shear strength of the weld reached to the maximum.By adding black organic dye into black plastic, the laser transmission welding of automobile instrument panel was realized, which met the requirements of practical production.

black plastic; polyurethane; black organic dye; laser welding

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.023

TG456.7

A

1674-6457(2021)04-0154-05

2021-03-25

陜西省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會2019年度職業(yè)教育研究課題（SZJYB19-94）

王瑛（1979—），女，碩士，講師，主要研究方向為機(jī)械工程、汽車檢測與維修、材料成形及控制工程。