激光焊接在汽車外飾零部件上的可行性研究

丁如芳 陳慧娥 趙穎

摘 要：介紹了激光焊接技術(shù)在蒙皮系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢。通過對原材料匹配，外觀要求，產(chǎn)品性能要求等方面的研究，驗證了激光焊接技術(shù)在蒙皮系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，為更多后續(xù)的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：焊接;激光焊接;保險杠蒙皮;汽車外飾;薄壁

0 引言

在當(dāng)今追求美學(xué)的汽車外觀造型，復(fù)雜的車輛電子系統(tǒng)，和日趨嚴(yán)峻的輕量化趨勢下，汽車前后蒙皮不僅需要具備符合時代潮流的美學(xué)元素，為電子元器件提供搭載平臺，還需要滿足不斷提高的輕量化目標(biāo)。近年來，各大主機(jī)廠都在蒙皮系統(tǒng)輕量化上面做了一系列的嘗試。薄壁，低密度等減重技術(shù)不斷推進(jìn)，實現(xiàn)蒙皮系統(tǒng)重量逐步下降。在滿足系統(tǒng)性能的前提下，蒙皮系統(tǒng)的壁厚可以降低到2.0～2.5mm。但是現(xiàn)有的電子支架搭接方式影響輕量化技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

在目前的汽車市場應(yīng)用領(lǐng)域，電子元件在保險杠上的集成方式大致有三大類：1）焊接;2）膠帶黏貼;3）卡接。現(xiàn)在將分別描述一下各個集成方式的優(yōu)缺點：

1）焊接。目前大量應(yīng)用的為超聲波焊接和熱鉚焊，還有就是本文要研究的激光焊接。其中超聲波焊接在電子元件的集成上應(yīng)用更為廣泛，超聲波焊接質(zhì)量較穩(wěn)定，效率也較高，對批量生產(chǎn)有很大優(yōu)勢，且技術(shù)成熟度高。熱鉚焊在塑料零件的連接中應(yīng)用也較廣泛，但是設(shè)計過程中定位沒有超聲波焊接來得容易實現(xiàn)，且不適合大型零件，因為定位難度大。激光焊接在精密元件上的應(yīng)用比較廣泛，且精度高，但是在大型塑料件，比如汽車外飾零部件上的應(yīng)用很少，主要還是由于效率和投資成本的問題。但是隨著零件設(shè)計和生產(chǎn)的數(shù)字化/自動化程度越來越高，激光焊接的在汽車外飾零件上的應(yīng)用也成為一種新的趨勢和應(yīng)用。

2）膠帶黏貼。這是比較傳統(tǒng)的一種連接方式，特別實在焊接工裝無法實現(xiàn)的區(qū)域有很大優(yōu)勢，但是其無法規(guī)避的就是高昂的單件成本，這個成本來自于耗材本身，還有人力成本，且還有過程控制的高要求。

3）卡接。這類連接方式對于成本和效率上都有優(yōu)勢，但是在汽車外飾日益提升的外觀精致度要求上，這種方式就顯得粗糙和廉價了。

下面會針對焊接這種方式，將超聲波焊接和激光焊接做一個比較，進(jìn)而展開對激光焊接在汽車外飾零部件上可行性的研究。

超聲波焊接的應(yīng)用，為了保證汽車外飾件的外觀質(zhì)量，同時兼顧焊接強(qiáng)度的要求，超聲波焊接對壁厚是有具體要求的，一般來說，對于汽車外飾件的應(yīng)用中，滿足焊接強(qiáng)度的同時又滿足外觀質(zhì)量要求，塑料件的厚度通常需要達(dá)到3.2mm以上。這個跟現(xiàn)在比較普遍的薄壁技術(shù)是矛盾的。

在輕量化和降本的推動下，本文開展了激光焊接在汽車外飾零部件上應(yīng)用的可行性研究。下面以保險杠蒙皮為例，從材料和焊接性能等方面分析激光焊接在蒙皮系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。

1 激光焊接蒙皮的可行性研究

1.1 方案概述

激光焊接在塑料件焊接的主要原理如圖1。激光需要穿過透光件，將吸光件的焊接區(qū)域融化，讓透光件和吸光件粘結(jié)在一起。

在蒙皮焊接的應(yīng)用過程中，通常將焊接支架作為透光件，蒙皮基材作為吸光件。透光件可以是透明的也可以是有顏色的，但是必須能夠保證有足夠的激光通過。本文針對激光焊接在蒙皮系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行研究，著重研究蒙皮系統(tǒng)的焊接支架，蒙皮基材，焊接要求等方面，最終實現(xiàn)穩(wěn)健有效的蒙皮系統(tǒng)激光焊接應(yīng)用。

1.2 激光焊接在保險杠蒙皮上的應(yīng)用分析

1.2.1 塑料件激光焊接的有兩個研究要點

第一要點：可焊接性，主要影響因素是支架基材的透光性，和保險杠蒙皮的吸光性，所以針對被焊接的支架需要選擇合適的透光率的材料才能保證有足夠的激光通過，而焊接件保險杠蒙皮則不能透波，從而才能保證有足夠的能量融化吸光件，保證焊接性能。傳統(tǒng)的超聲波中保險杠蒙皮和支架材料是要求保持一致的，但是激光焊接則提出了不同的要求。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)外飾保險杠蒙皮激光焊接可以采用的波長是800nm左右的波長，故要針對該波長要求研究原材料。

第二要點：可靠性。主要影響因素是被焊接零件的壁厚，以及兩個焊接零件的型面質(zhì)量等。激光焊接的焊接熔深只有0.2～0.3mm。超聲波焊接的熔深大約0.5～1mm。所以激光焊接對于焊接位置區(qū)域的零件貼合度要求更高。需要保證支架和蒙皮的充分貼合，才能保證焊接的穩(wěn)定可靠。否則容易出現(xiàn)虛焊問題。

1.2.2 保險杠蒙皮的原材料要求

蒙皮除了需要滿足造型需求，性能需求，同時還需要滿足整車的外觀質(zhì)量要求。表面不能有由于焊接導(dǎo)致的焊印，沖孔導(dǎo)致的特征破壞等問題。蒙皮的材料目前各大主機(jī)廠采用的主要是改性聚烯烴材料，也是汽車非金屬零件領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該類型原材料可以有效的阻止激光的透波，從而達(dá)到能量吸收的效果。這樣吸光零件的原材料選擇問題就得到了解決。

1.2.3 被焊接件原材料要求

由于被焊接件的材料中，一般都添加了滑石粉以來提高材料的強(qiáng)度。但是滑石粉會阻礙激光穿透，影響激光焊接性能，因此被焊接件需要采用不含滑石粉的材料作為基材。由于普通的可透光的PP+EPDM的原材料是半透明的乳白色原料，不能滿足本色注塑后的外觀要求。所以為了滿足不同外觀需求，又不影響激光的穿透性。因此對有外觀要求的被焊接件的原材料中需要增加透光的有機(jī)色母。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)色母含量大于0.15%及以上時，材料的灰度等級≥4級，并且滿足塑料零件氙燈老化的性能要求。

1.2.4 焊接強(qiáng)度要求

常規(guī)的超聲波焊接方式是單個焊點，一組焊接單元的連接強(qiáng)度要求是不小于75N（按照針點焊點形式，20*12的范圍內(nèi)均布）。以保險杠蒙皮上單個雷達(dá)支架（雙焊點支架）強(qiáng)度強(qiáng)度為例，單個零件的焊接力不小于150N。經(jīng)過驗證，該焊接力可以滿足雷達(dá)正常保持在保險杠蒙皮內(nèi)表面，且功能正常。焊接力過大A面容易出現(xiàn)圖4的蒙皮A面焊印問題。過小可能會出現(xiàn)支架脫落，雷達(dá)脫落等問題。通過對標(biāo)各大主機(jī)廠的連接強(qiáng)度要求，以及對耐久車的跟蹤確認(rèn)150N的支架連接強(qiáng)度要求能滿足產(chǎn)品的耐久實驗要求。因此本文將150N作為雷達(dá)支架連接強(qiáng)度的判定標(biāo)準(zhǔn)。

2 激光焊接在保險杠蒙皮上的技術(shù)參數(shù)研究

2.1 激光光源研究

通過對市場上的激光焊接光源對比，選擇合適的光源進(jìn)行焊接。經(jīng)過實驗對比選取了780–940nm的光源，焊接熔深是0.2～0.3mm。

2.2 焊接零件參數(shù)研究

45～70%的被焊接件透光率能滿足產(chǎn)品焊接性能的需求。被焊接件的壁厚需要調(diào)整到1.1mm左右。比傳統(tǒng)的超聲波被焊接件（1.5mm～1.7mm）壁厚減少了0.4～0.6mm這樣可以更好的保證被焊接件和保險杠蒙皮的貼合程度，進(jìn)一步提高激光焊接的可靠性。針對焊接零件的焊接壁厚，通過焊接實驗比較，針對焊接零件的基材進(jìn)行了壁厚序列的研究。得出了下面的基材壁厚和產(chǎn)品外觀，性能的匹配關(guān)系如下表4。由于激光焊接是非接觸式焊接，作業(yè)過程不需額外加壓，只需要保證焊接面的貼合，對保險杠蒙皮造型面質(zhì)量影響較小。

激光焊接樣板壁厚大于2.5mm的就可以滿足焊接區(qū)域造型面外觀質(zhì)量的需求。相對于超聲波穿刺焊的焊接區(qū)域壁厚要求（3.2mm）下降了21%。在滿足外觀質(zhì)量和焊接質(zhì)量的前提下，有效地提高了蒙皮原材料的利用率，降低蒙皮壁厚和重量，有效實現(xiàn)蒙皮系統(tǒng)的輕量化。

2.3 激光焊接在保險杠系統(tǒng)的應(yīng)用

保險杠蒙皮系統(tǒng)的材料除了最常用的改性PP料以外，還有需要滿足特定外觀需求的ASA，以及PC等原材料，本文做了相應(yīng)的焊接摸底試驗。評估結(jié)果是汽車保險杠系統(tǒng)常用的基材都可以進(jìn)行匹配的焊接，并且能夠滿足焊接的性能要求。

3 激光焊接在汽車外飾零部件上的研究探索

本文通過材料匹配，壁厚試驗，外觀顏色要求等方面的試驗驗證，論證了激光焊接在蒙皮系統(tǒng)的應(yīng)用是可行的。激光焊接的外飾保險杠零件外觀滿足要求，性能穩(wěn)定，基材壁厚要求低。隨著自動駕駛以及汽車主動安全系統(tǒng)的部署越來越完善，外飾系統(tǒng)集成的電子元件也越來越多，激光焊接技術(shù)平衡了外飾系統(tǒng)本身輕量化需求和內(nèi)部安裝的需求。未來可以在外飾擾流板，外飾格柵等大型外飾件上進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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2015年08月.

作者簡介：丁如芳（1979-），女，浙江湖州人，工學(xué)碩士，工程師，從事汽車外飾開發(fā)工作。