塑料激光焊接技術(shù)在TPMS中的應(yīng)用

吳英

摘 要：對激光塑料焊接技術(shù)及其原理進(jìn)行了介紹，對塑料激光焊的材料，設(shè)備夾具、工藝參數(shù)、產(chǎn)品可靠性進(jìn)行了闡述，以及該項技術(shù)在TPMS傳感器的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù);塑料焊接;胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）

中圖分類號：TQ320.674 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

隨著科技的興起，近年來激光焊接技術(shù)在加工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如金屬材料加工領(lǐng)域，其優(yōu)異的性能被各個應(yīng)用行業(yè)所接受，且成果顯著。隨著全球綠色環(huán)保理念貫徹，以及工業(yè)生產(chǎn)成本控制方面的考慮，塑料材料作為一種性能優(yōu)異可再生的非金屬材料，正在廣泛地應(yīng)用在各行業(yè)的零部件設(shè)計和制造上，越來越多的金屬部件正在被擁有同樣工作性能的塑料部件替代，同時對塑料焊接技術(shù)的可靠性提出更高的要求。

1 激光焊接

1.1 激光焊接的原理

激光焊接本質(zhì)上是非透明物質(zhì)和激光相互作用的過程。整個過程是極其復(fù)雜的反應(yīng)過程，宏觀上表現(xiàn)為熔化、吸收、汽化和反射，微觀上是一個量子過程。塑料激光焊接技術(shù)是利用透射焊接原理，選用紅外激光作為焊接熱源，一般以800 nm～1 100 nm波段的激光為主，這一波段的激光對于大部分可焊接的透明塑料來說吸收率比較低，激光穿過這些材料時能量損失很少。其上層為透明材料，下層為吸熱材料，由于下層材料具有較高的吸收率，激光在兩層材料的結(jié)合面處吸收能量并產(chǎn)生熱量，使得該處的塑料熔化，在適當(dāng)壓力作用下發(fā)生二次聚合，這樣冷卻后在上下兩層材料之間形成焊縫而使它們連結(jié)在一起。

1.2 對塑料材料的要求

塑料材料可以分為熱熔性塑料和熱固性塑料兩大類，對于熱熔性塑料來說，可以采用常規(guī)塑料焊接（振動、超聲波、熱板）的方式來連接，所以理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。由于采用的是激光透射焊接原理，所以對于需要焊接的熱熔塑料材料應(yīng)滿足一定的透過率要求，一般說來，當(dāng)上層透過材料對近紅外線激光的透過率高于50%，下層熱作用區(qū)材料透過率低于20%時，激光塑料焊接會獲得較好的效果。

1.3 塑料激光焊接的工藝參數(shù)

越來越多的金屬部件正在被擁有同樣工作性能的塑料部件替代，同時對塑料焊接技術(shù)的可靠性提出更高的要求。正確控制和設(shè)定影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)，對保證焊接質(zhì)量有著重要的意義。塑料激光焊接涉及的工藝參數(shù)主要有激光功率、焊接圈數(shù)、速度、光斑直徑、夾具壓力等，這些參數(shù)要結(jié)合焊接材料的物理化學(xué)特性來篩選優(yōu)化，合理搭配，才能獲得理想的焊接強(qiáng)度和效果。

2 激光塑料焊接在TPMS傳感器的應(yīng)用實(shí)例

TPMS汽車輪胎智能監(jiān)測系統(tǒng)作為汽車三大安全系統(tǒng)之一，與汽車安全氣囊、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）一起被大眾認(rèn)可并受到應(yīng)有的重視。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：自2019年1月1日起，中國市場所有新認(rèn)證乘用車必須安裝TPMS;自2020年1月1日起，所有在產(chǎn)乘用車開始實(shí)施強(qiáng)制安裝要求。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）傳感器傳統(tǒng)的加工工藝采用灌封方式進(jìn)行密封，其加工工藝復(fù)雜，包括灌膠、固化，其生產(chǎn)節(jié)拍漫長，還涉及到化學(xué)品污染不利于環(huán)境等，塑料激光焊接具有生產(chǎn)節(jié)拍快，不涉及到化學(xué)品污染等，正在被大量應(yīng)用。

2.1 塑料激光焊接的工藝試驗

2.1.1 焊接設(shè)備

本次焊接實(shí)驗所用設(shè)備主要參數(shù)如下：機(jī)械部分主要包括：基座、外罩鈑金、頂升氣缸、專用夾具等。激光部分主要包括：激光器、焊接頭、位移質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.1.2 專用夾具

為了確保焊接的一致性和焊接的質(zhì)量，設(shè)計了該產(chǎn)品焊接專用夾具，其實(shí)物如圖1所示，專用夾具包括：1下壓氣缸、2頂升氣缸、3產(chǎn)品仿形工裝、4位移傳感器、5透明石英玻璃板。通過頂升氣缸、仿形工裝和下壓氣缸，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的夾緊和松開，可通過氣源壓強(qiáng)調(diào)整夾具的壓力。其中壓板為石英玻璃，激光可直接透過石英玻璃實(shí)現(xiàn)焊接軌跡。

2.1.3 激光焊接試驗

（1）根據(jù)設(shè)備相關(guān)參數(shù)分析影響焊接效果參數(shù)主要因子如下：

功率：指照射在單位面積上的激光功率，功率必須超過特定值才能使塑料熔化，功率低會造成溫度不夠，功率過大會造成塑料熱退化。

焊接速度：激光移動速度，功率不變條件下，焊接速度需要確保足夠的熔化量形成焊縫，而熱擴(kuò)散速率受材料限制，焊接功率和焊接速度配合控制。

焊接圈數(shù)：功率、焊接速度不變條件下，焊接圈數(shù)確保足夠的熔化量形成焊縫，而熱擴(kuò)散速率受材料限制，與焊接功率和焊接速度配合控制。

壓緊力：壓緊力必須克服零件變形，焊接過程使焊接面貼緊。

（2）根據(jù)影響焊接效果參數(shù)主要因子進(jìn)行DOE（Design of Experiment）試驗，工藝指標(biāo)選擇位移量，具體如下：

4因子進(jìn)行全試驗16組試驗：

可用因子設(shè)計表

16組試驗

位移量主效應(yīng)響應(yīng)，A功率、C 圈數(shù)、AC功率圈數(shù)組合、BC速度圈數(shù)組合、ABC功率圈數(shù)速度組合，其中影響最大的是功率;

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計塌陷位移量目標(biāo)300 um，允許范圍250 um

～350 um;

試驗數(shù)據(jù)優(yōu)化擬合出最佳參考參數(shù);

最佳參數(shù)其置信度達(dá)到0.996 97，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.95置信度。

綜合上述，實(shí)驗結(jié)果分析，最優(yōu)焊接參數(shù)為：功率：80瓦、速度1 100 mm/s、圈數(shù)15、壓力3.5。

2.1.4 激光焊接產(chǎn)品可靠性測試

胎壓傳感器工作壓力通常在2.2 bar左右，參照IP69K試驗標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工作情況，將樣件置于常溫水中，對各樣件依次施加3 bar，4 bar，5 bar，6 bar的壓縮空氣1 min，觀察樣件表面是否有連續(xù)氣泡產(chǎn)生。試驗結(jié)果產(chǎn)品都達(dá)到此設(shè)定要求，焊接的產(chǎn)品具有良好的密封性。

3 結(jié)論

本次介紹了激光焊接的原理及材料的要求、焊接裝備和專用夾具，以及焊接參數(shù)的制定和激光焊接技術(shù)在TPMS胎壓傳感器上的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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