關于汽車復合材料外覆蓋件焊接印記優化設計

摘 要：隨著我國在塑料及復合材料領域的不斷發展，一些高性能復合材料產品以其獨特的優勢取代了金屬制品，大量應用在汽車、微電子、化工等行業，相應的大尺寸、復雜型面、高亮外觀汽車零部件被設計出來。但由于塑料成型工藝的限制，在復雜的熱塑性塑料部件生產中，采用焊接工藝將諸多注塑零件進行連接結合是首選方案。本文針對汽車高質感外觀零部件采用超聲波塑料焊接技術在產品結構、焊接頭參數、焊接深度等進行探討分析。

關鍵詞：塑料 超聲波焊接 焊接參數

1 緒論

由于塑料本身特性的原因，無法完全同等結構代替金屬材料的零件設計，因此需要多組件的復合材料部件結合運用，來達到金屬零部件的等強度要求。所以復合材料多零件之間的連接方式對產品質量、強度等的影響也是決定結構設計的關鍵因素。超聲波焊接技術在塑料連接領域具有效率高、精度高、可靠性高、能耗低、清潔無污染、易實現大規模自動化生產等特點，已日漸成為取代傳統塑料焊接方式的先進工藝技術。隨著顧客對汽車外觀品質越來越挑剔，需要分析解決焊接印記對外觀質量的影響。

2 超聲波穿刺焊接原理

超聲波穿刺焊接是眾多超聲波焊接工藝中的一種，焊接的時候焊頭從上工件穿到下工件，在接觸表面后產生的熱能，使材料熔融和連接，受擠壓的塑料向上流動，并形成一個環形突起部分將上下兩個工件緊密連接。Benatar等提出了一種超聲波焊接模型，包含：①工件的振動；②局部黏彈熱的產生；③熱量的傳遞；④樹脂熔融并流動；⑤分子間傳質擴散。穿刺焊接的模型與之大體相似，在焊接之初，焊齒接觸上工件振動，隨即焊齒穿刺進上工件達到焊接界面處，產生黏彈熱，熱量的傳遞使材料熔融、超聲促進分子間傳質擴散，并在壓力的作用下實現材料的連接。具體原理圖如圖1所示。

3 材料選擇和結構設計

一種由高性能復合材料組成的汽車側圍邊梁總成替代傳統金屬制件側圍。塑料的模量一般遠低于鋼材，為使其達到金屬的等剛強度性能，一般材料增加料厚和組合雙層結構設計。兼顧耐老化、抗溫度變形性、疲勞穩定性等，綜合制造成本，一版采用PC/ABS、PP+EPDM-TD30類材料。通過表1參數對比可見，PC類相對于PP類材料模量、熱變形性能相對穩定些，但是材料成本要高出約1/3以上，因此，綜合材料成本考慮本文選取PP+EPDM-T30材料進行研究。

如下圖2所示，某新能源汽車復合材料頂邊梁內外板腔體結構截面設計，外板采用PP+EPDM-TD30，內板采用PP+GF20材料。采取超聲波穿刺焊連接如圖3焊點分布所示，要求內外板的單點拉脫力大于150N，油漆表面外觀不能有肉眼可見多焊點缺陷。

通過測試驗證外板和內板的厚度設計，在焊接設備、焊接頭、焊接深度、發波時間相同的情況下，對內外板焊接不同料厚（A=外板厚度、B=內板厚度）做拉拔力分析測試。

方案一：外板焊接面料厚2.8mm，內板焊接面部位料厚1.5mm。實物驗證結果表明，此結構配合方式，焊點拉拔力在120N左右，外觀表面質量在自然光線照射下能看到表面印記（如圖4所示）。

方案二：外板焊接面料厚2.8mm，內板焊接面部位料厚1.3mm。實物驗證結果表明，此結構配合方式，焊點拉拔力在150N左右，外觀表面質量在自然光線照射下能看到表面印記，且比方案一嚴重。

方案三：外板焊接面料厚3.2mm，內板焊接面部位料厚1.5mm。實物驗證結果表明，此結構配合方式，焊點拉拔力在120N左右，外觀表面質量在自然光線照射下表面印記不易觀察，在平行燈光下能觀察到印記，但是比方案一印記淡化。

方案四：外板焊接面料厚3.2mm，內板焊接面部位料厚1.3mm。實物驗證結果表明，此結構配合方式，焊點拉拔力在150N左右，外觀表面質量在自然光線照射下表面印記不易觀察，在平行燈光下能觀察到局部焊接點印記（如圖5所示），但比方案三印記淡化。

考慮到成本及重量，驗證后最終選擇外板主體結構料厚2.8mm，局部焊接位置過渡至3.2mm；內板主體料厚2.5mm，焊接區域料厚設計1.3mm。

4 焊接頭設計及工藝調整

根據上述料厚的驗證，同時對焊接頭進行優化處理。需要說明的是，如果產品的外觀面是平面，焊接頭可以與產品焊接面垂直，在同等條件下焊接，相對于曲面配合的產品可以弱化表面印記的可視性。但考慮到大尺寸零部件的批量化柔性生產作業，需要兼顧產品的表面曲率變化情況，結合后期使用成本考慮，挑選如下適合的焊接頭（如圖6：兩排8針焊接頭和圖7：三排12針焊接頭）型號做驗證。

焊接頭詳細參數設置如表2所示。

結合產品拉拔力測試，調整每個焊接點高度、焊接臂角度（焊接頭盡可能垂直于焊接弧面）、發波時間調整，確保焊接點拉拔力保持在150N以上。通過調試多輪參數，對比零件產品外觀印記質量，目視效果如下：

方案1：焊接頭兩排8針，焊接針半徑R 0.4×R1.0mm，在保證150N焊接拉拔力下，焊接深度較深，局部焊接印記較明顯。

方案2：焊接頭兩排8針，將焊接針頭直徑減小至R0.3×R0.9mm，在保證150N焊接拉拔力下，需要熔融的樹脂量增多，焊接的深度增加，導致焊接后的局部印記較方案1更明顯。

方案3：為提高單點焊接力，將焊接頭設計成三排12針，焊接針直徑、高度、焊接拉拔力保持和方案1一致的情況下，實際焊接深度減小，局部焊接印記減輕，相較于方案1印記弱化。

方案4：焊接頭三排12針，相對于方案3焊接頭高度保持一致，焊接針直徑減小0.2mm，因焊接針頭直徑減小，實際焊接深度、速度不變下，抵抗針頭的反作用力降低，熔融樹脂后反向溢出速度加快，局部帶走的熱量增多，相較于方案3產品表面焊接印記明顯降低。

方案5：焊接頭三排12針，相較于方案4焊接針高度降低0.4mm，在焊接針直徑保持一致的情況下，確保同等拉拔力，焊接深度保持基本無變化；因焊接針高度的降低，焊接針的等高梯度增加，插入產品的過程中，材料受針頭擠壓擴張的速度也隨之增大。產品外觀印記相較于方案4更明顯。

綜上，經過對比發現在確保產品焊接拉拔力的情況下，采取方案4，三排焊接針頭，焊接針半徑R 0.3×R0.9mm，高度3.4mm最優。

接著，用方案4的焊接針，改變發波時間，考慮生產節拍的情況下，經過對比驗證，焊接發波時間在0.6-0.65s之間，制品表面焊接缺陷肉眼不可見。

5 結語及展望

本設計方案結合實際產品結構，對超聲波穿刺焊接印記進行了優化和設計，該研究驗證為類似外覆蓋件內外板的焊接料厚、工藝參數、焊頭的選型奠定了基礎。同時影響焊接質量的因素還很多，如材料里添加的增強劑，焊接的溫度、速度，是否設置冷卻吹風機構等，需要進一步研究驗證。

超聲波穿刺焊接本身是一種方便快捷可觀測的焊接方法，在電子硬件與軟件高度發展的當下，值得關注的是將軟硬件和焊接機器人相結合，實現智能焊接，有助于加快新產品研發，以順應當下新能源汽車產品的更新迭代。

基金項目：安徽省重大專項（202203f070

20008）。

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