汽車塑料進氣歧管焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

王光耀 魏莉霞 馬鳴圖

汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的有效手段之一，汽車輕量化的發(fā)展使塑料及其復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)件上得以廣泛應(yīng)用[1，2]。進氣歧管是發(fā)動機進氣系統(tǒng)中的重要部件，其結(jié)構(gòu)是否合理和制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機性能的好壞。傳統(tǒng)的金屬進氣歧管采用鑄造工藝生產(chǎn)，隨著汽車輕量化越來越受到汽車制造商們的重視，乘用車汽油機用金屬進氣歧管已經(jīng)被塑料進氣歧管所替代。

多年來，在汽車塑料進氣歧管的制造方法方面，國內(nèi)外先后采用了熔模型芯法、注塑成型法、復(fù)合成型法+振動焊接法等成型加工方法[3，4]，以及新近出現(xiàn)的激光透射焊接技術(shù)和粘接劑粘合技術(shù)等新型制造方法[5]。目前，汽車塑料進氣歧管主要采用“熔模型芯法和注塑成型+振動焊接法”。然而，由于用熔模型芯法生產(chǎn)塑料進氣歧管的制造成本較高，加以內(nèi)壁尺寸難以控制等問題[6]，“注塑+振動焊接和注塑+激光透射焊接”越來越受到關(guān)注。本文重點論述注塑成型的進氣歧管組件連接的振動焊接和激光透射焊接工藝。

一、振動焊接

振動焊接是在電磁傳動裝置的作用下，相互接觸的2個塑料組件發(fā)生相對運動（包括線性、角形、軸向）的1種摩擦焊接方法[3]。

焊接汽車塑料進氣歧管采用的振動焊接方法是在壓力作用下，使2個塑料進氣歧管組件緊密接觸，并沿著同一軸線以一定的頻率做相對運動。工藝進行時，緊密接觸的進氣歧管組件因相對運動產(chǎn)生熱量，使接觸區(qū)域的聚合物溫度升高；當溫度達到聚合物的熔點時，聚合物熔化到滿足熔深要求時，接頭處的聚合物在壓力作用下可凝固形成可靠的連接。

“熔深”是振動焊接的重要參照量，它是指在焊接過程中，壓力使熔化界面處的聚合物側(cè)向外流而產(chǎn)生的2組件之間距離的減少值。根據(jù)熔深的變化情況，振動焊接過程可以分為4個階段[7]：

①固態(tài)摩擦階段：進氣歧管的2個接觸面產(chǎn)生相對運動，最初在突起部分發(fā)生摩擦、粘接和剪切，在摩擦表面產(chǎn)生摩擦熱，隨著摩擦的進行，實際接觸面積不斷增大，但是此階段仍然是固-固界面摩擦，不會產(chǎn)生聚合物熔融和側(cè)向流動，熔深為零。

②瞬態(tài)階段：隨著摩擦的不斷進行，接觸面處的溫度不斷升高，接觸區(qū)域的聚合物開始逐漸出現(xiàn)粘滯現(xiàn)象，由于剪切加熱的作用，處于粘滯狀態(tài)的聚合物厚度增加。隨著摩擦的繼續(xù)進行，固-固摩擦生熱逐漸被熔融層的剪切變形生熱所替代。在此階段，接觸面處的聚合物發(fā)生熔融和側(cè)向流動，導(dǎo)致熔深逐漸增加。

③穩(wěn)態(tài)階段：該階段，聚合物的熔化速度等于外流速度，熔融層的厚度基本保持恒定，隨著時間的增加，熔深呈線性增加，熔深達到一定值時，振動應(yīng)停止。這時由于過多的熔融聚合物容易產(chǎn)生過多的飛邊，影響焊接質(zhì)量。

④冷卻階段：振動停止后，接觸區(qū)域的聚合物冷卻，并凝固形成可靠的連接。

對于塑料進氣歧管而言，焊縫是產(chǎn)品的薄弱區(qū)域，汽車塑料進氣歧管進行水爆試驗時，多在焊縫處發(fā)生破裂。由于焊縫處的纖維聚集或平行于焊縫，不能起到增強焊縫強度的作用，所以焊縫處的強度只取決于基體材料的原始強度和焊縫質(zhì)量。焊縫質(zhì)量的影響因素主要包括：焊接夾持力、焊縫熔化寬度、振動幅度和熔深。研究表明[8]，夾持力對焊縫的質(zhì)量影響較大。焊接過程中，增大夾持力使2組件之間熔融層的壓力增大，導(dǎo)致熔融層變薄，從而影響焊縫質(zhì)量。對于塑料進氣歧管的焊接，應(yīng)預(yù)留一個最優(yōu)焊縫熔化寬度使進氣歧管獲得最大的焊縫強度。而振動幅度對焊縫的強度影響相對較弱。

與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，振動焊接技術(shù)具有焊接時間短、能量利用率高、可重復(fù)性好、適用于批量生產(chǎn)等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的熔芯法制造塑料進氣歧管以及鋁制進氣歧管相比，利用振動焊制造塑料進氣歧管更加節(jié)能環(huán)保，具有更好的進氣效率和更低的生產(chǎn)成本。但是，振動焊接法只能焊接平面和小弧度曲面。由于焊縫處的玻璃纖維發(fā)生聚集且平行于焊縫，起不到增強的作用，焊縫處的強度只能取決于材料的原始強度和焊縫質(zhì)量，因此焊接是產(chǎn)品制造過程中的重要環(huán)節(jié)。

1973年，美國出現(xiàn)了第1臺商品化的振動焊接機，1979年，振動焊接技術(shù)首次被法國標致雪鐵龍汽車公司用于制造汽車進氣歧管。目前，振動焊在歐美市場應(yīng)用得到廣泛的應(yīng)用，利用振動焊接塑料進氣歧管已經(jīng)占據(jù)了歐美國家發(fā)動機市場的大部分份額。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)在近幾年的新發(fā)動機開發(fā)和引進中也廣泛采用該技術(shù)。2004年，中國第一汽車集團使用巴斯夫（BASF）公司的BASF8233GWHS BK102尼龍6玻璃纖維增強材料，利用振動焊接技術(shù)制造出了CA4GE發(fā)動機塑料進氣歧管，并應(yīng)用在紅旗轎車上。該型號的塑性進氣歧管經(jīng)過水爆試驗、排放試驗、發(fā)動機臺架試驗、道路試驗等測試，各項性能達到了設(shè)計要求。與鋁制進氣歧管相比，塑料進氣歧管質(zhì)量減輕了40%、發(fā)動機效率提高4%、產(chǎn)品價格降低20%。同時，中國第一汽車集團又開發(fā)了柴油發(fā)動機的大型塑料進氣歧管，實現(xiàn)了我國在該領(lǐng)域的突破[9]。但是與國外技術(shù)水平相比，國內(nèi)汽車塑料進氣歧管的研發(fā)水平和生產(chǎn)規(guī)模仍存在相當大的差距，而且所需原料全部由國外進口，這種局面急需改變。

隨著振動焊接工藝在塑料進氣歧管生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用，針對振動焊接的二次加工性和焊接強度的要求，塑料生產(chǎn)商們開發(fā)出了專用于振動焊接生產(chǎn)塑料進氣歧管的原材料——纖維增強尼龍6。該材料是通過化學和物理改性來克服尼龍吸水率高、耐乙二醇性能差的缺點，采用25%～35%玻璃纖維，并通過改善其收縮率制得增強尼龍。與其他塑料相比，纖維增強尼龍6更適用于振動焊接性能，焊縫處的爆破強度較高，其高強度優(yōu)勢能夠彌補因振動焊接造成的焊縫處強度的下降。BASF公司最早用尼龍6進行進氣歧管的研究工作，先后開發(fā)出了多種牌號。日本宇部興業(yè)公司開發(fā)出了適用于振動焊接的纖維增強尼龍6牌號1015GNKF，日本東麗株式會社也推出進氣歧管專用注塑30%玻纖增強尼龍6牌號，其耐熱性高，適用于振動焊接方法[10]。上述專用于振動焊的纖維增強塑料尼龍6所用的增強纖維為短纖維。近年來，長纖維增強塑性復(fù)合材料（LFT）開始用于汽車零部件的生產(chǎn)。LFT是以10～25mm的玻璃纖維或碳纖維等長纖維為增強材料的熱塑性復(fù)合材料。與短纖維增強熱塑性復(fù)合材料相比，LFT材料的強度、抗撞擊性能和能量吸收率等均有較大提高。2010年，德國大眾汽車公司和英國MAHLE過濾系統(tǒng)公司用長玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料替代短玻纖增強聚酰胺，用于汽車進氣歧管的生產(chǎn)[2]。中國汽車工程研究院股份有限公司聯(lián)合甘肅天水銳森特汽車部件有限公司采用長玻纖增強PP材料制造汽車用進氣歧管，其性能已經(jīng)能夠達到進氣歧管的使用要求。

二、激光透射焊接

在一定壓力下，透光塑料和吸光塑料接觸，激光從透光塑料一側(cè)穿過到達接觸面，吸光塑料一側(cè)的聚合物受熱熔融（圖1所示）。同時由于熱傳導(dǎo)的作用，透光塑料一側(cè)的聚合物也受熱熔融。當熔核的尺寸達到要求時，停止加熱，繼續(xù)對產(chǎn)品保持壓力實現(xiàn)產(chǎn)品的焊接[11]。實現(xiàn)激光透射焊接需要產(chǎn)品材料對激光具有不同的透過和吸收性能，即上層材料應(yīng)增大透光性，下層材料應(yīng)增大吸光性。為了提高透光材料的激光透過性，往往添加激光透過性高的染料，為了提高材料的激光吸收性，常通過添加碳黑、Clearweld涂層等吸光劑來實現(xiàn)。

研究顯示[12-14]，影響激光透射焊接工藝的因素包括激光功率、焊接速度、夾緊力、激光光斑大小、冷卻時間等。

激光功率和焊接速度是決定焊接質(zhì)量的主要因素。當激光光斑一定時，激光功率和焊接速度決定焊接的能量輸入。提高激光功率或降低焊接速度使能量積累和能量擴散更多，導(dǎo)致焊縫寬大，并且容易導(dǎo)致焊接區(qū)域處的溫度過高，進而產(chǎn)生聚合物的燒蝕等缺陷。反之，如果降低激光功率或提高焊接速度容易導(dǎo)致焊接區(qū)域處的焊接溫度過低，進而產(chǎn)生未熔合或氣孔等缺陷。因此，準確控制激光能量輸入是獲得優(yōu)良焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

在焊接前對焊接組件施加壓力，一方面可以盡量擠出接觸界面的氣體，降低焊接過程中因氣體不能及時排出而產(chǎn)生氣孔缺陷的可能性；另一方面增大了焊接組件接觸界面的有效面積，在焊接時能夠促進熔融材料的結(jié)合，進而提高焊接質(zhì)量。可見，適度的夾持力可獲得良好的焊接質(zhì)量，但是過高的夾持力會使焊縫強度降低，從而降低焊接質(zhì)量[15]。

與傳統(tǒng)的焊接方法相比，塑料激光透射焊接技術(shù)焊接精度高、柔性好、自動化程度高，可獲得牢固和密封的焊縫，焊縫強度可達到基體材料的強度水平。激光透射焊接制造塑料進氣歧管，不僅可以使生產(chǎn)周期降低，而且對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形狀限制較小，利于塑料進氣歧管的設(shè)計與優(yōu)化。因此，隨著汽車對發(fā)動機性能要求的不斷提高，該技術(shù)會越來越受到汽車領(lǐng)域的關(guān)注。

塑料激光透射焊接技術(shù)最早在歐美國家投入使用，瑞士的萊丹（Leister）公司、德國羅芬（Rofin）公司、德國比諾馬蒂克（Bielomatik）公司、美國相干（Coherent）公司等較早開展了塑料激光投射技術(shù)的研究，相繼推出專門用于塑料焊接的激光設(shè)備，并不斷進行新產(chǎn)品的開發(fā)[16]。目前，塑料激光透射焊接主要在歐美國家流行，在國外汽車制造領(lǐng)域，已經(jīng)有少量的廠家采用激光透射焊接技術(shù)生產(chǎn)塑料進氣歧管，但這門新型的焊接技術(shù)，還沒有被廣泛應(yīng)用[17]。而在國內(nèi)，塑料激光透視焊接技術(shù)的理論研究大多在高校開展，相關(guān)設(shè)備的研發(fā)處于起步階段[16]。

為了更好地將激光透射焊接技術(shù)應(yīng)用到塑料進氣歧管的生產(chǎn)中，很多廠家加大了對適用于激光透射焊接的材料研發(fā)。德國拜耳公司開發(fā)出了3種黑色玻纖增強尼龍6，美國杜邦公司開發(fā)出了纖維增強尼龍6配混料，BASF公司開發(fā)出了纖維增強尼龍6配混料。這些材料均可滿足塑料激光透射焊接對透射率的特殊要求，使塑料進氣歧管激光透射焊接技術(shù)取得了很大的進步[14]。

與振動焊接法相比，激光透射焊接技術(shù)能夠克服焊接部件的接觸面必須是平面的要求和局限，并且激光透射焊接部件的接觸面不會出現(xiàn)因振動而發(fā)生移動的現(xiàn)象，可以將焊接邊緣設(shè)計的更小一些，便于進氣歧管的裝配。由于成型條件溫和，產(chǎn)品在150℃的高溫條件下，仍可以保持較好的焊接強度，而且制品表面無焊珠，空氣流過時不會產(chǎn)生渦流，提高了進氣歧管的性能。另外，激光透視焊接技術(shù)還容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的優(yōu)勢，可以提高塑料進氣歧管的生產(chǎn)效率[18]。

三、結(jié)語

隨著全球氣候問題日益嚴峻，節(jié)能減排的呼聲日益高漲，汽車發(fā)動機進氣歧管的塑料化是汽車輕量化發(fā)展的必然趨勢，需求也必然隨著汽車產(chǎn)量的增加而增加。振動焊接和激光透視焊接憑借其自身的技術(shù)優(yōu)勢必然會得到更加廣泛的應(yīng)用。但是，面對汽車進氣歧管性能、輕量化水平、制造成本等要求，振動焊接和激光透射焊接技術(shù)仍然有待提高：一是振動焊接和激光透射技術(shù)需進行工藝優(yōu)化，以適應(yīng)長纖維增強塑料復(fù)合材料等新材料在進氣歧管上的應(yīng)用；二是開發(fā)出性能更好、價格低廉、適用于汽車進氣歧管的焊接專用塑料是汽車輕量化和原料國產(chǎn)化、高性能化的必然要求；三是激光透射焊接應(yīng)克服設(shè)備成本偏高，能量利用率和工業(yè)化生產(chǎn)能力尚需提高的問題，以利于推廣應(yīng)用。

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