某車型后擋風玻璃銀漿焊接開裂分析及工藝優化

劉雨陽，黃中華

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海201805；2.湖南工程學院 新能源汽車輕量化湖南省工程研究中心，湘潭411104）

0 前言

后擋風玻璃是汽車的重要組成部分，主要由玻璃原片、油墨、加熱銀漿絲、天線、接頭、墊塊、嵌條等附件構成，后擋基礎結構如圖1所示.

圖1 后擋玻璃結構圖

玻璃油墨陶瓷通過排版印刷覆蓋在原片玻璃邊緣四周，加熱燒結后覆在玻璃表面，該油墨層具有很強的耐酸性能，及光線遮蓋功能，可以遮蓋內飾達到美觀作用.

加熱銀漿絲通電后具有除霧功能，加熱銀漿主要構成為銀粉，玻璃粉，樹脂，溶劑等.通過高溫燒結的方式按照排版一部分成線性直接覆蓋在玻璃原片中部，其他覆蓋在油墨層表面，銀漿絲相互連接后，形成必要的電路回路.再使用焊料，將通電接頭焊接在玻璃表面的銀層上面，連接車身電路.

1 問題現象分析

在前期項目的數據中發現某車型后擋風玻璃存在個別車輛的開裂現象.集中部位在接頭與玻璃銀漿焊接處，其局部剖面如圖2所示，裝車的后擋風玻璃共有四個焊接接頭，分布在玻璃四角區域，數據顯示四個接頭部位均出現過玻璃本體開裂現象.

圖2 玻璃焊接區域剖面圖

通過對開裂具體實物觀察，其開裂現象沿著接頭焊接區域向原片玻璃外展開，如圖3所示，針對此問題，以魚骨圖方法進行全面質量管理展開分析.

圖3 玻璃焊接區域開裂圖

人的因素包括工人在焊接過程中操作不規范、做事流程不到位、工程師的專業知識不足.

機器設備的因素包括焊接設備的輸出溫度公差大，導致無法滿足焊接所需溫度區間，焊接時間不可控，導致加熱時間過載等.測量的因素包括，焊接接頭法向的拉力或者剪切向的力不能實時識別檢測，當下出廠標準不能反映長期使用狀態.

材料的因素主要包括，不同焊錫的種類，其Sn、Ag等成分的配比對于焊錫的熔點的影響，及其對于焊接后強度的影響［1］；熱線銀漿的種類及其物質配比，熱線銀漿的耐久性能、抗硫化性能對于其力學性能的影響［2］；原片玻璃本體的材料性質［3］.

環境因素包括溫度濕度的影響［4］.法的影響因素更為復雜，玻璃表面周邊的壓應力與內部張應力的平衡性，玻璃表面焊接部位對應尺寸的平面度，主機廠裝配過程中是否有不利干涉，焊錫的溢出對于周邊物質的影響，銀漿塊的焊接厚度，焊接結構［5］等.開裂分析魚骨圖如圖4所示.

圖4 開裂分析魚骨圖

以上作為一個完整的系統分析模型，對眾多影響因素進行了初步試驗.以焊錫和玻璃銀漿的種類為例，進行了不同型號主流品種的驗證與組合，其實驗結果表明對開裂影響較小.諸如此類的眾多前期驗證，找出要因與非要因.

最終選取了影響程度最大的因素在文中作為重點闡述.

2 焊接位置優化

觀察實際開裂的缺陷件，實物焊接區域發生了越界現象，由于焊接工藝不合格，焊錫會溢出銀漿層，從而發生焊錫與玻璃直接焊接接觸的狀態，如圖5、圖6所示.

圖5 焊錫越界直接接觸玻璃示意圖

圖6 實物缺陷，焊錫接觸玻璃示意圖

整個焊接過程如圖7所示，接頭端通過焊接機器加熱，其焊錫融化將接頭固定在銀漿層上，若工藝不得當，少部分焊錫越界與玻璃本體直接接觸，銀漿、焊錫、接頭端子、原片玻璃之間完成浸潤，自然冷卻降溫，導致銀漿、玻璃焊錫膨脹系數不一致，從而產生應力易開裂.

圖7 接頭焊接過程圖

常溫下玻璃膨脹系數［6］為3.3×10-6/℃；銀漿膨脹系數為20×10-6/℃；焊錫膨脹系數為25×10-6/℃.在焊接過程中，焊錫、玻璃與銀漿同時受熱膨脹，后冷卻收縮；（1）正常情況下，焊錫只與銀漿直接接觸，膨脹系數相當，且銀漿下部有油墨陶瓷層，也在一定程度上起到了防止溫度聚集的作用，焊接工藝在正常狀態下不會產生問題；（2）當工藝出現偏差，焊錫外溢時，焊錫與玻璃直接接觸，玻璃直接受熱，同時少了油墨陶瓷的隔熱，玻璃會迅速受熱再冷卻降溫，銀漿、焊錫、玻璃幾種物質膨脹系數相差大而產生應力.

為了快速驗證該焊接效果，進行了嚴于國標和既有廠家標準的加強型的落箭沖擊檢驗［7］如圖8所示.實驗設備主要由帶有格擋槽的空心鋼管，實芯鋼箭簡易組合構成.其實驗過程如下：

圖8 落箭實驗圖

（1）空心鋼管一頭垂直貼住玻璃的焊接點；（2）金屬鋼管距離底部端頭每隔400 mm、600 mm、800 mm會有一個開口槽，金屬隔擋片插入開口槽中控制鋼箭的下落高度；（3）待鋼箭穿過空心鋼管到達指定高度作為降落基準高度，拔出金屬隔擋片，讓鋼箭從基準點自由落體到玻璃表面.

經過多組試驗，所用玻璃均為同一員工在標準作業下焊接完成.接頭焊正組：其焊錫不會越界與玻璃接觸.接頭焊歪組：每片玻璃的焊錫均越界3 mm，會接觸到玻璃.

以肉眼可見開裂作為判定標準，結果的比例統計如圖9所示，錫焊越界，會使得合格率低.

圖9 接頭焊接正歪與落箭沖擊檢驗合格率圖

綜上所述，焊接時焊錫必須完全在玻璃銀漿區域內，而不得越界直接與玻璃原片接觸.針對該缺陷，廠家將焊錫位置往銀漿中部移動，且遠離玻璃本體，同時制定詳細的管控要求與閉環管理.

3 焊接結構設計優化

對缺陷件進一步觀察，發現其多數開裂始發處為銀漿焊接矩形的四個尖角，再發散至原片玻璃.

天線接頭焊接后，矩形銀漿塊的熱傳導、焊接時各方向的熱傳導向四周散發，最終尖角端匯集的熱量多，銀漿尖角端受到應力集中.

若將銀漿塊優化為圓形，熱傳導會均勻傳導至端子邊緣，減少應力集中.對此進行了Abaqus軟件的有限元仿真，如圖10、圖11所示.

圖10 模型建立

圖11 135℃時abaqus軟件應力仿真結果圖

選用主流的銀漿、玻璃、焊錫材料參數，模擬焊錫升溫至135℃，輸出對應的應力值.

矩形與圓形其面積相等.在矩形與圓形銀漿塊的邊緣均布取點，進行應力結果的對比分析.

通過仿真銀漿加熱后，與矩形的銀漿塊相比，圓形銀漿塊輪廓邊緣的應力均布且小，如圖12所示.

圖12 輪廓邊緣-仿真應力分布（Mpa）圖

于是對設計結構進行了改良，做銀漿塊形狀的對比試驗，方案A為矩形塊，方案B為圓形塊，如圖13所示.

進行落箭試驗：其落箭高度設置了三種高度：分別為400 mm、600 mm、800 mm，合計進行了60組試驗.數據統計，在800 mm高度矩形開始出現開裂，圓形始終完整.其結果顯示圓形銀漿塊比矩形銀漿塊有更高的合格率，如圖14所示.

圖14 圓形矩形銀漿塊的落箭合格率圖

后續在批量的車型上依據實際情況，將方形的銀漿塊優化為圓形.

4 結論

本文通過對某車型汽車后擋風玻璃開裂現象的分析，從魚骨圖開始展開，選取了對其影響較大的因素進行了分析、實驗、優化；分析了焊接工藝過程中焊錫越界的薄弱點，從而進行了工藝優化與銀漿塊結構的改良，從整體上對后擋風玻璃的焊接開裂現象進行了一定的優化與改善.