PP材料紅外焊接外觀凸起問(wèn)題研究

張琨

同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院 （上海 201804）

汽車(chē)工業(yè)正逐步向降耗減排、更安全、更環(huán)保的方向發(fā)展，以汽車(chē)零部件塑料化為代表的輕量化技術(shù)作為減少汽車(chē)排放、提高燃燒效率最有效的措施之一，已成為衡量汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造水平高低的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。因此，塑料在汽車(chē)工業(yè)中的規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用得到了迅速發(fā)展[3]。

現(xiàn)階段，汽車(chē)塑料，特別是工程塑料，以其優(yōu)異的性能在汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用已經(jīng)由普通的裝飾件發(fā)展到結(jié)構(gòu)件、功能件[5]。例如，汽車(chē)門(mén)內(nèi)飾板、座艙、副儀表板等廣泛應(yīng)用到了聚丙烯（PP）、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS）、尼龍等工程塑料。隨著工程塑料在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的增加，選擇合適的連接方式實(shí)現(xiàn)塑料零件之間的連接顯得尤為重要。紅外焊接以反應(yīng)速度快、柔性化高、清潔無(wú)焊渣、可進(jìn)行3D形狀焊線(xiàn)焊接等優(yōu)點(diǎn)[6]，廣泛應(yīng)用于手套箱、膝部擋板、儲(chǔ)物盒、地圖袋、風(fēng)道、副儀表板側(cè)板等零件的焊接，成為汽車(chē)領(lǐng)域常用的塑料焊接方式之一。

1 紅外焊接原理

紅外焊接采用非接觸式的加熱方法，通過(guò)一個(gè)由能量控制的紅外發(fā)生器來(lái)焊接塑料件。紅外焊接所需波長(zhǎng)范圍為0.78～1000μm，分為短波（0.78～1.4μm）、中波（1.4～3.0μm）和長(zhǎng)波（3.0～1 000 μm）3個(gè)區(qū)域。紅外射線(xiàn)照射在被加熱零件上會(huì)發(fā)生反射、吸收、傳輸3種傳導(dǎo)方式，零件通過(guò)吸收紅外輻射熱量達(dá)到一定溫度從而使材料熔化進(jìn)行焊接。因此，需要根據(jù)被加熱材料的吸收光譜選擇波長(zhǎng)合適的紅外發(fā)生器，以達(dá)到更高的能量吸收效率。

紅外焊接時(shí)，加熱裝置位于兩個(gè)塑料件之間，當(dāng)工件靠近加熱裝置時(shí)，零件焊接筋開(kāi)始熔化。到達(dá)預(yù)先設(shè)置的加熱時(shí)間后，工件表面的塑料焊接筋將達(dá)到一定的熔化程度，此時(shí)胎膜向兩邊分開(kāi)，加熱板上升，隨后左右兩個(gè)工件合并在一起，當(dāng)達(dá)到一定的焊接時(shí)間和焊接深度之后，整個(gè)焊接過(guò)程完成。具體焊接流程如圖1所示：（1）將零件放到胎膜上，紅外發(fā)生器下降至加熱位置；（2）左右胎膜向內(nèi)移動(dòng)至加熱位置，紅外發(fā)生器工作，使焊接筋熔化；（3）左右胎膜向外移動(dòng)，紅外發(fā)生器上升；（4）左右胎膜向內(nèi)移動(dòng)至焊接位置，保壓并冷卻；（5）左右胎膜打開(kāi)，取出焊接零件。

2 紅外焊接外觀凸起問(wèn)題研究

紅外焊接過(guò)程中，零件經(jīng)歷受熱到冷卻的過(guò)程，所以焊接完成后產(chǎn)品會(huì)由于內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生凹凸不平等外觀問(wèn)題。此外，紅外焊接工藝參數(shù)以及紅外焊接設(shè)備模具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也會(huì)影響焊接總成的外觀。

某副儀表板左、右側(cè)板（壁厚2.5 mm、無(wú)加強(qiáng)筋）通過(guò)紅外焊接與本體骨架連接在一起，焊接完成后側(cè)板表面呈現(xiàn)不同程度凸起，觸感明顯。

圖1 紅外焊接流程圖

紅外焊接是一種比較成熟的塑料焊接工藝，之前的生產(chǎn)中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)外觀明顯凸起的缺陷。為了研究造成該缺陷的原因，選取外觀良好的A零件和外觀有明顯凸起的B零件為研究對(duì)象。對(duì)比A，B兩個(gè)零件，其材料供應(yīng)商、產(chǎn)品壁厚、焊筋數(shù)量、加強(qiáng)筋數(shù)量等均不同。

2.1 零件變形量分析

使用GOM藍(lán)光三維掃描設(shè)備對(duì)焊接總成件A和B進(jìn)行了掃描，結(jié)果如圖2所示。紅色表示測(cè)點(diǎn)位置高于零件表面，用“+”表示；綠色表示測(cè)點(diǎn)位置低于零件表面，用“-”表示；顏色越深表明變形量越大。2個(gè)零件的變形量分別如表1，表2所示。

圖2 A，B零件GOM藍(lán)光掃描圖

表1 A零件表面變形量 mm

表2 B零件表面變形量 mm

從表1，表2中可以看出，A零件表面變形量均小于0.25 mm，且A零件表面目視及觸摸均沒(méi)有明顯的凸起；B零件表面變形量在0.25～0.77 mm之間，目視凸起明顯，觸感也非常明顯。上述數(shù)據(jù)表明將零件表面變形量控制在0.25 mm以?xún)?nèi)，就不會(huì)出現(xiàn)明顯的凸起及觸感。

2.2 紅外焊接外觀凸起的影響因素分析

紅外焊接工藝參數(shù)主要包括加熱時(shí)間和紅外燈管功率。加熱時(shí)間越長(zhǎng)、燈管功率越大，零件所吸收熱量越多，變形趨勢(shì)越大；其中燈管功率在焊接胎膜設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定無(wú)法更改。為了避免零件非焊接區(qū)域受熱變形，焊接胎膜上會(huì)增加擋光板；擋光板在焊筋處開(kāi)孔以使紅外射線(xiàn)照射在零件上，擋光板和焊接零件之間的距離會(huì)影響紅外射線(xiàn)照射在零件上的區(qū)域大小，從而影響零件變形區(qū)域的大小。此外，零件本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，如壁厚、加強(qiáng)筋的數(shù)量和形狀等因素也會(huì)影響零件本身的抗變形能力。

為了研究不同影響因素組合下的零件變形量，制作了對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工裝，工裝由紅外加熱燈管、擋光板、千分表等組成。利用紅外燈管對(duì)零件進(jìn)行加熱，燈管功率與焊接胎膜一致；擋光板與零件之間的距離根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整；千分表可以測(cè)量零件表面的變形量。試驗(yàn)時(shí)零件放置在擋光板上方，按照設(shè)定的加熱時(shí)間進(jìn)行加熱，測(cè)量并記錄零件變形量。

選取了壁厚、焊筋數(shù)量、焊筋形式等5種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響因素，每個(gè)因素賦予2個(gè)水平，具體如表3所示。將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行隨機(jī)組合得到11組試驗(yàn)樣件，如表4所示。在不同擋光距離、加熱時(shí)間組合下進(jìn)行了試驗(yàn)，零件變形量結(jié)果如表5所示。

表3 試驗(yàn)樣件矩陣

表4 試驗(yàn)樣件矩陣

表5 試驗(yàn)零件變形量 mm

從表5可以看出：擋光板與零件距離一定時(shí)，零件變形量隨加熱時(shí)間的增加普遍呈上升趨勢(shì)；當(dāng)加熱時(shí)間一定時(shí)，零件的變形量隨擋光距離的增加而增大。對(duì)比11種不同結(jié)構(gòu)組合下的零件變形量，11#組合（A2B2C1D1E2）下的零件變形量最小，即零件壁厚為3 mm、焊接筋數(shù)量為3根、湖石注塑粒子、直筋、零件有加強(qiáng)筋時(shí)，零件的變形量最小。

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果更改了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將壁厚更改為3 mm，增加加強(qiáng)筋，同時(shí)縮短了加熱時(shí)間，并減小擋光板與零件間的距離。優(yōu)化后的焊接零件表面凸起問(wèn)題解決，GOM藍(lán)光掃描結(jié)果如圖4所示，零件變形量如表6所示，均在0.25 mm以?xún)?nèi)。

圖4 優(yōu)化后B零件GOM藍(lán)光掃描圖

表6 優(yōu)化后B零件表面變形量 mm

3 結(jié)語(yǔ)

紅外焊接過(guò)程中，零件由于紅外射線(xiàn)照射而吸收大量的熱量。零件表面鼓包的根本原因是受熱變形。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以從2個(gè)方面入手：一是減少焊接過(guò)程中零件吸收的熱量，如適當(dāng)縮短加熱時(shí)間、擋光板盡可能靠近焊接零件等，但是零件必須吸收一定的熱量才能熔化進(jìn)而焊接，所以該措施效果有限；二是從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，通過(guò)增加零件壁厚、增加加強(qiáng)筋等方式提高零件本身的抗變形能力。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要綜合2種方式，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)得到最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量。