某車型后擋風玻璃銀漿焊接開裂分析及工藝優(yōu)化

劉雨陽，黃中華

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海201805；2.湖南工程學院 新能源汽車輕量化湖南省工程研究中心，湘潭411104）

0 前言

后擋風玻璃是汽車的重要組成部分，主要由玻璃原片、油墨、加熱銀漿絲、天線、接頭、墊塊、嵌條等附件構(gòu)成，后擋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 后擋玻璃結(jié)構(gòu)圖

玻璃油墨陶瓷通過排版印刷覆蓋在原片玻璃邊緣四周，加熱燒結(jié)后覆在玻璃表面，該油墨層具有很強的耐酸性能，及光線遮蓋功能，可以遮蓋內(nèi)飾達到美觀作用.

加熱銀漿絲通電后具有除霧功能，加熱銀漿主要構(gòu)成為銀粉，玻璃粉，樹脂，溶劑等.通過高溫燒結(jié)的方式按照排版一部分成線性直接覆蓋在玻璃原片中部，其他覆蓋在油墨層表面，銀漿絲相互連接后，形成必要的電路回路.再使用焊料，將通電接頭焊接在玻璃表面的銀層上面，連接車身電路.

1 問題現(xiàn)象分析

在前期項目的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)某車型后擋風玻璃存在個別車輛的開裂現(xiàn)象.集中部位在接頭與玻璃銀漿焊接處，其局部剖面如圖2所示，裝車的后擋風玻璃共有四個焊接接頭，分布在玻璃四角區(qū)域，數(shù)據(jù)顯示四個接頭部位均出現(xiàn)過玻璃本體開裂現(xiàn)象.

圖2 玻璃焊接區(qū)域剖面圖

通過對開裂具體實物觀察，其開裂現(xiàn)象沿著接頭焊接區(qū)域向原片玻璃外展開，如圖3所示，針對此問題，以魚骨圖方法進行全面質(zhì)量管理展開分析.

圖3 玻璃焊接區(qū)域開裂圖

人的因素包括工人在焊接過程中操作不規(guī)范、做事流程不到位、工程師的專業(yè)知識不足.

機器設(shè)備的因素包括焊接設(shè)備的輸出溫度公差大，導(dǎo)致無法滿足焊接所需溫度區(qū)間，焊接時間不可控，導(dǎo)致加熱時間過載等.測量的因素包括，焊接接頭法向的拉力或者剪切向的力不能實時識別檢測，當下出廠標準不能反映長期使用狀態(tài).

材料的因素主要包括，不同焊錫的種類，其Sn、Ag等成分的配比對于焊錫的熔點的影響，及其對于焊接后強度的影響［1］；熱線銀漿的種類及其物質(zhì)配比，熱線銀漿的耐久性能、抗硫化性能對于其力學性能的影響［2］；原片玻璃本體的材料性質(zhì)［3］.

環(huán)境因素包括溫度濕度的影響［4］.法的影響因素更為復(fù)雜，玻璃表面周邊的壓應(yīng)力與內(nèi)部張應(yīng)力的平衡性，玻璃表面焊接部位對應(yīng)尺寸的平面度，主機廠裝配過程中是否有不利干涉，焊錫的溢出對于周邊物質(zhì)的影響，銀漿塊的焊接厚度，焊接結(jié)構(gòu)［5］等.開裂分析魚骨圖如圖4所示.

圖4 開裂分析魚骨圖

以上作為一個完整的系統(tǒng)分析模型，對眾多影響因素進行了初步試驗.以焊錫和玻璃銀漿的種類為例，進行了不同型號主流品種的驗證與組合，其實驗結(jié)果表明對開裂影響較小.諸如此類的眾多前期驗證，找出要因與非要因.

最終選取了影響程度最大的因素在文中作為重點闡述.

2 焊接位置優(yōu)化

觀察實際開裂的缺陷件，實物焊接區(qū)域發(fā)生了越界現(xiàn)象，由于焊接工藝不合格，焊錫會溢出銀漿層，從而發(fā)生焊錫與玻璃直接焊接接觸的狀態(tài)，如圖5、圖6所示.

圖5 焊錫越界直接接觸玻璃示意圖

圖6 實物缺陷，焊錫接觸玻璃示意圖

整個焊接過程如圖7所示，接頭端通過焊接機器加熱，其焊錫融化將接頭固定在銀漿層上，若工藝不得當，少部分焊錫越界與玻璃本體直接接觸，銀漿、焊錫、接頭端子、原片玻璃之間完成浸潤，自然冷卻降溫，導(dǎo)致銀漿、玻璃焊錫膨脹系數(shù)不一致，從而產(chǎn)生應(yīng)力易開裂.

圖7 接頭焊接過程圖

常溫下玻璃膨脹系數(shù)［6］為3.3×10-6/℃；銀漿膨脹系數(shù)為20×10-6/℃；焊錫膨脹系數(shù)為25×10-6/℃.在焊接過程中，焊錫、玻璃與銀漿同時受熱膨脹，后冷卻收縮；（1）正常情況下，焊錫只與銀漿直接接觸，膨脹系數(shù)相當，且銀漿下部有油墨陶瓷層，也在一定程度上起到了防止溫度聚集的作用，焊接工藝在正常狀態(tài)下不會產(chǎn)生問題；（2）當工藝出現(xiàn)偏差，焊錫外溢時，焊錫與玻璃直接接觸，玻璃直接受熱，同時少了油墨陶瓷的隔熱，玻璃會迅速受熱再冷卻降溫，銀漿、焊錫、玻璃幾種物質(zhì)膨脹系數(shù)相差大而產(chǎn)生應(yīng)力.

為了快速驗證該焊接效果，進行了嚴于國標和既有廠家標準的加強型的落箭沖擊檢驗［7］如圖8所示.實驗設(shè)備主要由帶有格擋槽的空心鋼管，實芯鋼箭簡易組合構(gòu)成.其實驗過程如下：

圖8 落箭實驗圖

（1）空心鋼管一頭垂直貼住玻璃的焊接點；（2）金屬鋼管距離底部端頭每隔400 mm、600 mm、800 mm會有一個開口槽，金屬隔擋片插入開口槽中控制鋼箭的下落高度；（3）待鋼箭穿過空心鋼管到達指定高度作為降落基準高度，拔出金屬隔擋片，讓鋼箭從基準點自由落體到玻璃表面.

經(jīng)過多組試驗，所用玻璃均為同一員工在標準作業(yè)下焊接完成.接頭焊正組：其焊錫不會越界與玻璃接觸.接頭焊歪組：每片玻璃的焊錫均越界3 mm，會接觸到玻璃.

以肉眼可見開裂作為判定標準，結(jié)果的比例統(tǒng)計如圖9所示，錫焊越界，會使得合格率低.

圖9 接頭焊接正歪與落箭沖擊檢驗合格率圖

綜上所述，焊接時焊錫必須完全在玻璃銀漿區(qū)域內(nèi)，而不得越界直接與玻璃原片接觸.針對該缺陷，廠家將焊錫位置往銀漿中部移動，且遠離玻璃本體，同時制定詳細的管控要求與閉環(huán)管理.

3 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

對缺陷件進一步觀察，發(fā)現(xiàn)其多數(shù)開裂始發(fā)處為銀漿焊接矩形的四個尖角，再發(fā)散至原片玻璃.

天線接頭焊接后，矩形銀漿塊的熱傳導(dǎo)、焊接時各方向的熱傳導(dǎo)向四周散發(fā)，最終尖角端匯集的熱量多，銀漿尖角端受到應(yīng)力集中.

若將銀漿塊優(yōu)化為圓形，熱傳導(dǎo)會均勻傳導(dǎo)至端子邊緣，減少應(yīng)力集中.對此進行了Abaqus軟件的有限元仿真，如圖10、圖11所示.

圖10 模型建立

圖11 135℃時abaqus軟件應(yīng)力仿真結(jié)果圖

選用主流的銀漿、玻璃、焊錫材料參數(shù)，模擬焊錫升溫至135℃，輸出對應(yīng)的應(yīng)力值.

矩形與圓形其面積相等.在矩形與圓形銀漿塊的邊緣均布取點，進行應(yīng)力結(jié)果的對比分析.

通過仿真銀漿加熱后，與矩形的銀漿塊相比，圓形銀漿塊輪廓邊緣的應(yīng)力均布且小，如圖12所示.

圖12 輪廓邊緣-仿真應(yīng)力分布（Mpa）圖

于是對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行了改良，做銀漿塊形狀的對比試驗，方案A為矩形塊，方案B為圓形塊，如圖13所示.

進行落箭試驗：其落箭高度設(shè)置了三種高度：分別為400 mm、600 mm、800 mm，合計進行了60組試驗.數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在800 mm高度矩形開始出現(xiàn)開裂，圓形始終完整.其結(jié)果顯示圓形銀漿塊比矩形銀漿塊有更高的合格率，如圖14所示.

圖14 圓形矩形銀漿塊的落箭合格率圖

后續(xù)在批量的車型上依據(jù)實際情況，將方形的銀漿塊優(yōu)化為圓形.

4 結(jié)論

本文通過對某車型汽車后擋風玻璃開裂現(xiàn)象的分析，從魚骨圖開始展開，選取了對其影響較大的因素進行了分析、實驗、優(yōu)化；分析了焊接工藝過程中焊錫越界的薄弱點，從而進行了工藝優(yōu)化與銀漿塊結(jié)構(gòu)的改良，從整體上對后擋風玻璃的焊接開裂現(xiàn)象進行了一定的優(yōu)化與改善.