激光焊接技術(shù)在車燈領(lǐng)域的應(yīng)用

劉彧

摘 要：隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展。汽車零配件的生產(chǎn)技術(shù)也隨之不斷創(chuàng)新。汽車車燈作為車輛重要的照明外裝配件，在功能上外觀上都影響了汽車的商品性。為順應(yīng)消費(fèi)者對(duì)品質(zhì)及美感的追求，激光焊接技術(shù)逐漸廣泛被應(yīng)用于車燈領(lǐng)域。然而在新技術(shù)復(fù)雜工藝導(dǎo)入的同時(shí)，相應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生影響產(chǎn)品質(zhì)量的潛在隱患，導(dǎo)致車燈機(jī)能不良甚至有發(fā)生交通事故的可能，文章結(jié)合FMEA（設(shè)計(jì)潛在失效模式）的思想，提供了幾種在設(shè)計(jì)階段保證產(chǎn)品質(zhì)量的分析方式，以及在試做以及量產(chǎn)后對(duì)品質(zhì)進(jìn)行管理的常用方法。

關(guān)鍵詞：激光焊接；車燈；FMEA；品質(zhì)管理

引言

近年來隨著全球汽車市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，在汽車智能化進(jìn)程加速推進(jìn)的同時(shí)，以激光技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)也在不斷推動(dòng)汽車制造業(yè)的更新?lián)Q代，先進(jìn)激光制造技術(shù)與汽車生產(chǎn)的結(jié)合已是大勢(shì)所趨。激光焊接技術(shù)于2002年10月首次引入中國(guó)，并迅速在車身焊接領(lǐng)域嶄露頭角，而其在車燈領(lǐng)域的應(yīng)用也在迅速發(fā)展。

1 車燈領(lǐng)域激光焊接技術(shù)概要

1.1 原理

車燈領(lǐng)域的激光焊接焊接的對(duì)象為樹脂，其他原理與車身焊接相同。它是將待焊接的兩個(gè)或多個(gè)樹脂部件通過激光產(chǎn)生的熱能使樹脂部件熔化并完全粘合的技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)車燈的良好密封性。

其步驟分為：（1）將待焊接的兩個(gè)部件通過治具夾具固定。（2）上下治具閉合，將部件夾緊在一起，然后以近紅外線激光NIR（波長(zhǎng)810-1064nm），透射過第一個(gè)部件，然后被第二個(gè)部件吸收所，所吸收的近紅外線激光化為熱能，將兩個(gè)部件的接觸表面熔化，形成焊接區(qū)。（3）施加壓力，使焊接區(qū)牢固。

1.2 特點(diǎn)[2]

優(yōu)點(diǎn)：（1）能量集中，多余能耗極小。（2）熔化樹脂體積小，產(chǎn)生多余樹脂屑少。（3）因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形皆可降至最低。（4）激光路徑可通過簡(jiǎn)單光學(xué)折射原理控制，因此適用于各種形狀的產(chǎn)品。（5）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。（6）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。（7）易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。（8）可以切換裝置將激光源共享在多個(gè)設(shè)備上。

缺點(diǎn)：（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。（2）焊件需使用夾治具時(shí)，必須確保焊件的最終位置在公差允許范圍內(nèi)。（3）樹脂材料的顏色會(huì)對(duì)焊接性有影響。（4）設(shè)備昂貴。

可見激光焊接在滿足車燈密封性的前提下，在外觀，節(jié)能環(huán)保以及適用面廣等多方面都存在優(yōu)勢(shì)。但由于精度高，需要相應(yīng)產(chǎn)品及夾治具有嚴(yán)格的尺寸公差要求。

2 車燈焊接技術(shù)FMEA

2.1 FMEA是什么

在企業(yè)實(shí)際的質(zhì)量管理體系運(yùn)作中，雖然都會(huì)去編制一份有關(guān)“預(yù)防措施”的形成文件的程序，但真正可以達(dá)到預(yù)見性地發(fā)現(xiàn)較全面的潛在問題通常存在較大難度。為能有效地實(shí)施“預(yù)防措施”，使可能存在的潛在問題無法出現(xiàn)，需要一個(gè)從識(shí)別問題到控制潛在影響的管理系統(tǒng)，其制定方法即“潛在失效模式及后果分析”，或簡(jiǎn)稱為FMEA[3]。

2.2 為何要將FMEA應(yīng)用到車燈激光焊接技術(shù)中

（1）生產(chǎn)條件要求高。激光焊接技術(shù)對(duì)尺寸位置精度的要求是多方面的，首先要對(duì)焊接部全周的激光路徑進(jìn)行模擬，結(jié)合焊接部的形狀，可以計(jì)算出允許的位置偏差量。而實(shí)際生產(chǎn)中不但要考慮產(chǎn)品本身的變形，還要考慮到使用夾治具等所有有可能產(chǎn)生位置偏差的尺寸及公差。同時(shí)激光設(shè)備及加壓設(shè)備的參數(shù)設(shè)定也較復(fù)雜。（2）使用條件差異大?，F(xiàn)如今激光焊接技術(shù)在車燈行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用雖已趨于成熟，但由于車燈形狀不同，與車體間的連接方式不同等原因，不同地域，不同使用條件下。所以在量產(chǎn)前需要一系列的方法去評(píng)估該產(chǎn)品是否達(dá)到可量產(chǎn)的條件。

3 激光焊接量產(chǎn)前評(píng)估方法介紹

常見的評(píng)估方式有：應(yīng)力分析，作業(yè)條件分析，拉伸強(qiáng)度測(cè)定，焊接沉入量測(cè)定等方法[3]。

3.1 應(yīng)力分析

車燈與車身一般通過螺栓連接，在安裝時(shí)車燈會(huì)受力并無法釋放，導(dǎo)致車燈內(nèi)長(zhǎng)期存在應(yīng)力。此應(yīng)力作用于焊接部上，有導(dǎo)致焊接部分離的可能。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)通過模擬軟件對(duì)燈具在安裝時(shí)可能產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。若應(yīng)力大小低于安全值則判定為合格。

3.2 作業(yè)條件分析

激光焊接工程在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要考慮各種可能導(dǎo)致焊接不良問題的發(fā)生，常見需要考慮的問題有：作業(yè)尺寸，激光入射角度，激光折射角度，光源位置，加壓角度，加壓力，治具尺寸公差，作業(yè)員安全性等。其中治具尺寸公差雖然微小，但不可忽略，它與激光能否有效進(jìn)入焊接部是息息相關(guān)的。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮極限位置偏差狀態(tài)下，激光是否保證全周都可以有效進(jìn)入焊接部，而不發(fā)生能量損失甚至反射。

3.3 拉伸強(qiáng)度分析

汽車作為最常見的交通工具，消費(fèi)者在顛簸的路面高速行駛等惡劣條件下，也要保證車燈各項(xiàng)性能達(dá)標(biāo)。所以即使氣密檢查合格也需要對(duì)焊接部的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，評(píng)價(jià)方法為：將車燈的焊接部分段切割，固定一側(cè)，利用拉伸力計(jì)強(qiáng)行將焊接部件拉致脫離焊接部，測(cè)定該力是否高于安全值。

3.4 焊接壓入量分析

激光焊接設(shè)備的參數(shù)設(shè)定較為復(fù)雜，時(shí)間，壓力，位移量都會(huì)影響焊接質(zhì)量。其中位移量可以通過切割斷面測(cè)量，可以直觀的判斷壓入量與拉伸強(qiáng)度間的關(guān)系。其方法為將焊接區(qū)分段切割成幾部分，并將斷面打磨至可清晰分辨出兩種材質(zhì)分界線的狀態(tài)，測(cè)量壓入被溶化部件的壓入量是否高于安全值。

上述四種方法需同時(shí)判斷合格后才可以判斷為具備量產(chǎn)條件，并且每項(xiàng)評(píng)價(jià)內(nèi)容需測(cè)定n=25以上的工程能力值。

4 激光焊接量產(chǎn)品質(zhì)管理方法

在激光焊接各項(xiàng)品質(zhì)均達(dá)到要求后，產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)階段，但量產(chǎn)中產(chǎn)品形狀變更，生產(chǎn)場(chǎng)地變更等情況時(shí)有發(fā)生，因?yàn)榧す夂附拥木苄裕恳粋€(gè)微小的變化都有影響焊接品質(zhì)的可能，所以在產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)階段后也要持續(xù)對(duì)焊接品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。其常用評(píng)估方法有：氣密檢查法，吹爆試驗(yàn)法，破壞試驗(yàn)法等。

4.1 氣密檢查法

氣密檢查法是將完成激光焊接的部件放置于治具上，對(duì)開口部進(jìn)行加壓，觀察氣壓計(jì)讀書是否發(fā)生變化，氣壓保持不變判斷為合格。此方法適用于各種焊接工藝，一般對(duì)全品進(jìn)行檢查。

4.2 吹爆試驗(yàn)法

吹爆試驗(yàn)法是指從開口部對(duì)完成激光焊接的部件進(jìn)行充氣，直至焊接部破裂，觀察氣壓計(jì)的最大讀數(shù)作為破壞瞬時(shí)氣壓，判斷該壓力是否高于安全至。此法一般僅對(duì)首末件進(jìn)行檢查。

4.3 破壞試驗(yàn)法

破壞試驗(yàn)法是將完成激光焊接的部件用錘子等工具破壞，并將激光透過的部件強(qiáng)行從被溶化部件剝離，觀察剝離后的結(jié)合部狀態(tài)，是否焊接部全周均為脆性破壞。此法一般僅對(duì)首末件進(jìn)行檢查。

5 結(jié)束語

文章通過對(duì)國(guó)內(nèi)車燈企業(yè)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分車燈制造商都意識(shí)到激光焊接技術(shù)在車燈領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并或多或少在一些車型上有所嘗試，但與此同時(shí)新技術(shù)引入所產(chǎn)生的隱患在一些制造商中未能被很好的意識(shí)到，導(dǎo)致因焊接品質(zhì)不良發(fā)生漏水，導(dǎo)致一些客戶投訴的情況發(fā)生。通過對(duì)激光焊接技術(shù)較成熟的制造商的調(diào)查，意識(shí)到先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)必須要以先進(jìn)的品質(zhì)管理技術(shù)支持才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]許文濤，等，激光焊接的工作原理及其主要工藝參數(shù)[J].中國(guó)機(jī)械，2010.

[2]李康.環(huán)保燈具設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，2012.

[3]原田陽史.FMEA基礎(chǔ)（第二版）[M].日本規(guī)格協(xié)會(huì)，2010.

作者簡(jiǎn)介：劉 ，男，天津市人，工作單位：天津斯坦雷電氣有限公司，職務(wù)：系長(zhǎng)，研究方向：車燈設(shè)計(jì)。