焊接BOSS 柱尺寸設(shè)計研究

余維剛 趙肖斌

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.電子科技大學(xué) 四川省成都市 611731

1 背景

隨著科技的發(fā)展和汽車輕量化要求的不斷提高，傳統(tǒng)鋼或鋁制材料已經(jīng)不能滿足汽車輕量化的要求。聚丙烯(Polypropylene，PP)，分子式如圖1 所示。

圖1 聚丙烯分子示意圖

因其密度只有0.89～0.91g/m，且具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、電絕緣性，以及高強(qiáng)度的力學(xué)性能和高的耐磨加工性能，因而被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)中。聚丙烯原材料為白色透明顆粒狀，如圖2 所示。

圖2 聚丙烯顆粒料圖

汽車行業(yè)普遍大規(guī)模使用PP 塑料件，塑料件之間的固定方法五花八門，有卡扣、粘接、螺釘、焊接等，其中焊接作為廣泛使用的重要緊固方法之一有其獨(dú)特的優(yōu)勢，焊接結(jié)構(gòu)不但可靠，而且效率高，成本低。內(nèi)外飾超聲波焊接技術(shù)通常分為超聲波BOSS 柱熱熔焊和超聲波穿刺焊。本文主要介紹超聲波BOSS 柱熱熔焊，將凹裝的焊頭壓在塑膠品外圈，焊頭如圖3 所示，焊頭發(fā)出超聲波高頻振動后將塑膠熔融成型而包覆于金屬物件使其固定，且外觀光滑美觀。

圖3 超聲波BOSS 柱熱熔焊焊頭外觀圖

2 引言

熱熔焊的目的就是為了得到穩(wěn)定合格可靠的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)的尺寸決定了焊點(diǎn)的可靠性，焊點(diǎn)的尺寸不僅跟焊頭有關(guān)系，也和BOSS柱的尺寸有關(guān)系，BOSS 柱的尺寸直接決定了焊點(diǎn)的大小，進(jìn)而影響可靠性。BOSS 柱到焊點(diǎn)的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 BOSS 柱到焊點(diǎn)的關(guān)系圖

3 設(shè)計方法

本文主要研究空心超聲波熱熔焊BOSS柱的內(nèi)徑、外徑、高度、焊點(diǎn)厚度與搭接寬度的理論數(shù)值關(guān)系，如圖5 所示，用于指導(dǎo)如何選擇BOSS 柱的尺寸，權(quán)衡內(nèi)外徑與高度的尺寸的選擇，換言之，當(dāng)BOSS 柱外徑D，h，焊點(diǎn)搭接寬度w 確定后，我們該如何去設(shè)計和。

首先，建立焊接前后的數(shù)學(xué)模型，因此需要忽略一些細(xì)節(jié)和簡化模型。

1、圖5 中的拔模斜度忽略不計；

圖5 空心BOSS 柱尺寸簡圖

2、焊接后的鉚點(diǎn)斷面近似看出橢圓結(jié)構(gòu)；

3、焊接前后材料損失忽略不計。

因此，由焊接前后材料損失忽略不計可以得到體積相等的關(guān)系式

其中為焊接前BOSS 柱上部體積，為焊接后鉚點(diǎn)體積

由拔模斜度忽略不計可得

由成型鉚點(diǎn)斷面近似看成橢圓可以得到成型斷面（單側(cè)）鉚點(diǎn)斷面面積

所以成型鉚點(diǎn)的體積為

上式中為鉚點(diǎn)中心的周長

因此

將方程3 和方程5 代入到方程4 可得

由方程1，聯(lián)立方程2 和方程6 可得

考慮到誤差補(bǔ)償，為保證塑件連接后有足夠強(qiáng)度，焊接柱需要校核焊接熔膠量，焊接柱的高度越高，熔膠量越多。給出一定的設(shè)計余量，防止焊點(diǎn)不實(shí)，給出=1.2～1.5的安全系數(shù)，因此，最終的設(shè)計值

然后，工程師可以根據(jù)方程7 進(jìn)行自己的焊接BOSS 柱尺寸設(shè)計，合理的選擇BOSS 柱壁厚，鉚點(diǎn)與平面搭接寬度，根據(jù)選定的部分參數(shù)來設(shè)計BOSS 柱高度H，在某些特殊情況下，需要限制高度H，也可以根據(jù)高度H反推出其余的參數(shù)。

BOSS 柱的壁厚設(shè)計要考慮其強(qiáng)度、成型工藝等因素。壁厚太薄則強(qiáng)度不夠，壁厚太厚則容易引起外觀縮痕。對于直接連在外觀面上的焊接柱，其壁厚不大于制件壁厚的0.4 倍，同時考慮到成型工藝，最小壁厚要大于1mm。非外觀面上的焊接柱和底部有“狗窩”狀的焊接柱，其壁厚可適當(dāng)加厚。

4 公式驗(yàn)證

案例一

使用在產(chǎn)的某車型門板總成BOSS 柱焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，焊接之后圖片如圖6 所示。

圖6 某車型門飾板焊點(diǎn)圖

經(jīng)過游標(biāo)卡尺檢測多組焊點(diǎn)，焊點(diǎn)分布如圖7 所示。

圖7 多組焊點(diǎn)分布圖

表1 焊點(diǎn)尺寸測量記錄表（單位：mm）

圖8 某車型門飾板BOSS 柱尺寸圖

案例二

使用另外一款車的尾門外裝飾板總成焊接前后狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，零件實(shí)物圖片如圖9 所示。

圖9 某車型尾門外裝飾板總成BOSS 柱分布圖

表2 焊點(diǎn)尺寸測量記錄表（單位：mm）

圖10 某車型尾門外裝飾板總成BOSS 柱尺寸圖

本文作者也還驗(yàn)證了其他車型的不同零件，比如商標(biāo)牌零件的焊接等，焊接BOSS 柱設(shè)計值與公式計算值符合度較高，誤差在10% 之內(nèi)，理論上設(shè)計值不一定有本公式計算值更有利于焊接的牢固與穩(wěn)定。

5 總結(jié)

經(jīng)過多車型多零件廣泛驗(yàn)證，本文提供了一個可靠的超聲波焊接BOSS 柱設(shè)計參考公式

參數(shù)見圖11

圖11 參數(shù)關(guān)系圖

其中安全系數(shù)推薦1.2～1.5 之間，合理的利用上述計算公式可以高效設(shè)計BOSS柱尺寸參數(shù)。