汽車燈具中激光焊接技術(shù)的原理、應(yīng)用及其研究方法

王昊 吳曉蘭 張鵬程

（1.河海大學(xué)，常州 213001；2.常州星宇車燈股份有限公司，常州 213000）

1 塑料的激光焊接原理

1.1 塑料焊接原理

塑料是以合成或天然高分子化合物為基本成分的聚合物，該聚合物的力學(xué)性質(zhì)會隨著溫度變化而產(chǎn)生變動，按溫度區(qū)域不同可以將聚合物分為三種力學(xué)狀態(tài)即玻璃態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)。這是內(nèi)部分子處于不同運(yùn)動狀態(tài)的宏觀表現(xiàn)。溫度較低時，分子運(yùn)動能量低，不足以克服主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘，鏈段的松弛時間無窮大，聚合物受力后形變小，此時聚合物處于具有普彈性的狀態(tài)，稱為玻璃態(tài)；隨著溫度的升高，當(dāng)達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，分子熱運(yùn)動能足以克服內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘，鏈段運(yùn)動的松弛時間減小到與試驗測試時間標(biāo)尺同一數(shù)量級，發(fā)生同樣形變所需外力比玻璃態(tài)時小得多，此時聚合物進(jìn)入高彈態(tài)；隨著溫度繼續(xù)升高，聚合物達(dá)到黏流溫度后，鏈段運(yùn)動的松弛時間持續(xù)縮短，聚合物達(dá)到黏流態(tài)，分子鏈移動松弛時間縮短至與試驗觀察時間標(biāo)尺同數(shù)量級，此時聚合物在外力作用下發(fā)生黏性流動[1]。零件焊接過程中的熔融與固化過程即是塑料從玻璃態(tài)或高彈態(tài)升溫轉(zhuǎn)換為黏流態(tài)、黏流態(tài)降溫轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)或高彈態(tài)過程，其中聚合物在焊接過程中的界面擴(kuò)散行為發(fā)生在黏流態(tài)，聚合物熔融與固化的條件及速度對焊接質(zhì)量有著一定的影響[2]。

塑料焊接是使2 個零件保持一定的壓力，在經(jīng)由外部提供一定能量后，結(jié)合部位熔融冷卻粘結(jié)在一起的過程[3]。因此，焊接要求基材為熱塑性塑料并且具有良好的融合性能，常見塑料的焊接性能如表1 所示。

表1 不同塑料間的焊接性能

1.2 激光焊接原理

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，是一種高效環(huán)保的焊接工藝[4]。激光頭發(fā)射近紅外激光（波長810～1 064 nm），透過燈罩，然后被殼體吸收，激光輻射加熱殼體表面，殼體表面升溫熔融，同時熱也傳導(dǎo)到燈罩的表面形成焊接區(qū)。如圖1 所示，在材料熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)力與外夾緊力的共同作用下融化區(qū)域產(chǎn)生分子間運(yùn)動使其融合，在冷卻過程中完成焊接。

圖1 激光焊接原理示意

激光焊接有軌跡焊接、準(zhǔn)同步焊接和同步焊接等焊接方式，如圖2 所示，要求材料的熔融溫度差與其維卡軟化溫度差小，目前主要是高端車型后組合燈、后霧燈等部件使用激光焊接。

圖2 激光焊接方式示意

激光焊接焊接強(qiáng)度高、溢料少、效率高，對高精度零件無損傷，但其成本較高，對零件尺寸穩(wěn)定性要求高，且要求材料具有較高的相容性。

2 試驗部分

2.1 試驗設(shè)備、材料及相關(guān)測量儀器

a.半導(dǎo)體激光焊接器：WFD 300；

b.注塑機(jī)：ZHAFIR(190T)；

c.萬能試驗機(jī):Z01 型，德國Zwick 公司；

d.高倍顯微鏡：VHX-7000 型，日本基恩士公司；

e.來自某廠家的塑料PC，ABS，PBT-GF 等原材料若干；

2.2 試驗設(shè)計

2.2.1 材料驗證階段

針對性設(shè)計不同的材料配比方案，通過樣片焊接測試焊接效果。通過激光焊接材料的研究與驗證，確定最佳焊接材料的性能（對激光吸收的參數(shù)）、激光焊接筋設(shè)計的最佳方案、焊接寬度和深度的最佳參數(shù)。

2.2.2 試模驗證階段

通過試模注塑成型件，在總成燈具上驗證激光焊接方案的可行性。確定最佳激光焊接模具的設(shè)計方案以及設(shè)計要點(diǎn)、激光焊接筋設(shè)計的最佳方案及焊接寬度和深度的最佳參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光焊接功率和光源對熔融過程的影響

根據(jù)波長與光斑功率的不同，常用激光器有CO2、Nd:YAG 和半導(dǎo)體激光器等，適用于不同厚度、材料的塑料焊接。CO2激光器激光波長較長，熱作用區(qū)較深，易留下焊接痕跡，適用于薄膜焊接；Nd:YAG 激光器波長較短，光束質(zhì)量好，材料中透射率高，適合較厚材料的焊接；半導(dǎo)體激光器光斑峰值功率較低，適用于熱敏性高塑料的焊接。大部分塑料激光透過率較高，故常加入吸收劑有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，常規(guī)的吸收劑包括炭黑、碳納米管、石墨烯等[5]。炭黑對每個波段的光都有很強(qiáng)的吸收性能，是理想的吸收劑。近紅外區(qū)吸收劑等吸收波段寬度較短，僅對特定波段具有光熱轉(zhuǎn)化能力，可以提高焊縫的美觀性。

試驗用設(shè)備屬于YAG激光器，測試PC與PC-ABS樣條(130 mm×14 mm×2 mm)，分別在20 W與30 W 的焊接功率下，以20 mm/min 速度進(jìn)行焊接時，樣條拉伸強(qiáng)度如表2 所示。

表2 PC與PC-ABS樣條焊接拉伸力

考慮激光器功率對焊接部位強(qiáng)度及焊接效果影響，設(shè)置焊接筋（50 mm×3 mm）。

為測試焊接強(qiáng)度，在焊接完成后切除材料，如圖3 所示，在垂直焊接位置切割10 mm 長度，固定后進(jìn)行拉伸破壞測試，所得結(jié)果如表3 所示，用所得強(qiáng)度數(shù)據(jù)除以焊接面積計算得到單位面積焊接強(qiáng)度數(shù)據(jù)[6]。

圖3 切割示意

表3 激光焊接功率與焊接性能

如圖4 所示，激光焊接功率在70～90 W 時，試樣焊縫存在明顯未熔合缺陷，強(qiáng)度值偏低，下陷量較?。缓附庸β试?30～150 W 時，試樣焊縫、母材存在明顯燒傷缺陷，下陷量較大，焊縫成型效果較差。

圖4 激光焊接功率與焊接效果示意

對試驗中所用樣條，當(dāng)焊接功率在70～90 W時,試樣焊縫存在虛焊缺陷，強(qiáng)度值偏低，下陷量較小。其中110 W 時焊接效果比較好,130～150 W 有明顯的過燒的情況。

3.2 焊接次數(shù)對激光焊接熔融固化過程的影響

固定其他參數(shù)，每組參數(shù)測試3 組，結(jié)果取平均值，包括焊接功率110 W，速度50 mm/s，氣源壓力0.5 MPa。所得結(jié)果如表4 所示。

表4 激光焊接次數(shù)與焊接性能

焊接次數(shù)在1～2 次時,試樣焊縫存在明顯未熔合缺陷，強(qiáng)度值偏低，下陷量較小；焊接次數(shù)在5～6次時,試樣焊縫、母材存在明顯燒傷缺陷，強(qiáng)度值偏高，下陷量較小大。根據(jù)強(qiáng)度與焊接效果來看在焊接3 次時效果最佳，無明顯過燒情況，在焊接四到5 次存在比較明顯的過燒現(xiàn)象。

3.3 焊接速度參數(shù)對激光焊接熔融固化過程的影響

固定其他參數(shù)，每組參數(shù)測試3 組，結(jié)果取平均值，包括焊接次數(shù)為3 次，功率110 W，氣源壓力0.5 MPa。試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 焊接速度對焊接性能影響

焊接速度在20～40 mm/s 時,試樣焊縫、母材存在明顯燒傷缺陷，下陷量較大，焊縫成型較差; 焊接速度在60～100 mm/s 時,試樣焊縫的強(qiáng)度值偏低，下陷量較小，速度過快時，焊縫存在未熔合現(xiàn)象。

根據(jù)強(qiáng)度與焊接效果來看焊接速度在50～60 mm/s 之間效果最佳，無明顯過燒和虛焊情況，在焊接速度70 mm/s 或以上存在比較明顯的未完全熔接的現(xiàn)象，在30～40 mm/s 速度有個別地方有明顯的過燒情況。

3.4 壓力參數(shù)對激光焊接熔融固化過程的影響。

固定其他參數(shù)，每組參數(shù)測試3 組，結(jié)果取平均值，包括焊接功率110 W，速度50 mm/s，焊接次數(shù)3 次。試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 壓力參數(shù)對焊接性能影響

若壓力參數(shù)過小,試樣焊縫、母材存在未熔合現(xiàn)象，強(qiáng)度值偏低，下陷量較小；若壓力參數(shù)過大,試樣焊縫存在下陷量較大，強(qiáng)度值較高，由于壓合力較大，壓合過程中易發(fā)生錯位現(xiàn)象。

3.5 填料對激光焊接熔融固化過程的影響

填料的加入會影響聚合物的鏈運(yùn)動能力，聚合物添加增塑劑后會導(dǎo)致聚合物鏈運(yùn)動能力變強(qiáng)，結(jié)晶速度變慢，使聚合物鏈有著更多的時間進(jìn)行擴(kuò)散與纏結(jié)[7]；而纖維狀的增強(qiáng)材料在冷卻固化的過程中會在焊縫處重新取向?qū)е潞缚p處的焊接強(qiáng)度降低。

對于PC 材料燈罩與添加15%玻璃纖維的PCABS 材料燈具殼體間的焊接，考慮焊接筋寬度，如圖5a所示，若焊接筋位于燈罩上，為確保焊接效果，一般使1.8 mm≤W1≤2 mm，1.4 mm≤W2≤1.6 mm，如圖5b 所示，若焊接筋位于殼體上，則使2 mm≤W1≤3 mm[8]。

圖5 焊接筋寬度

4 結(jié)束語

塑料材料應(yīng)用前景廣闊，隨著新能源車輛近幾年的高速發(fā)展，高分子材料在汽車制造業(yè)內(nèi)應(yīng)用量十分龐大，這也促使著其加工方式的變化。其中激光焊接作為一種在塑料行業(yè)內(nèi)較為先進(jìn)的加工方式，因其高效、環(huán)保而受到重視。

深入研究分析激光塑料焊接技術(shù)的原理、焊接過程及其在汽車燈具行業(yè)的應(yīng)用，概述激光焊接效果影響因素并設(shè)計試驗論證，針對生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)的虛焊、過焊、外觀不良等缺陷，結(jié)合生產(chǎn)實例從焊接材料、功率、壓力、速度、焊接次數(shù)等方面提出焊接改良措施，為激光塑料焊接技術(shù)在汽車燈具行業(yè)的后續(xù)應(yīng)用及研究提供參照。