張琨

同濟大學汽車學院 （上海 201804）

汽車工業(yè)正逐步向降耗減排、更安全、更環(huán)保的方向發(fā)展，以汽車零部件塑料化為代表的輕量化技術作為減少汽車排放、提高燃燒效率最有效的措施之一，已成為衡量汽車設計和制造水平高低的一個重要指標[1]。因此，塑料在汽車工業(yè)中的規(guī)?；a(chǎn)應用得到了迅速發(fā)展[3]。

現(xiàn)階段，汽車塑料，特別是工程塑料，以其優(yōu)異的性能在汽車領域得到了廣泛應用。其應用已經(jīng)由普通的裝飾件發(fā)展到結構件、功能件[5]。例如，汽車門內(nèi)飾板、座艙、副儀表板等廣泛應用到了聚丙烯（PP）、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS）、尼龍等工程塑料。隨著工程塑料在汽車領域應用的增加，選擇合適的連接方式實現(xiàn)塑料零件之間的連接顯得尤為重要。紅外焊接以反應速度快、柔性化高、清潔無焊渣、可進行3D形狀焊線焊接等優(yōu)點[6]，廣泛應用于手套箱、膝部擋板、儲物盒、地圖袋、風道、副儀表板側板等零件的焊接，成為汽車領域常用的塑料焊接方式之一。

1 紅外焊接原理

紅外焊接采用非接觸式的加熱方法，通過一個由能量控制的紅外發(fā)生器來焊接塑料件。紅外焊接所需波長范圍為0.78～1000μm，分為短波（0.78～1.4μm）、中波（1.4～3.0μm）和長波（3.0～1 000 μm）3個區(qū)域。紅外射線照射在被加熱零件上會發(fā)生反射、吸收、傳輸3種傳導方式，零件通過吸收紅外輻射熱量達到一定溫度從而使材料熔化進行焊接。因此，需要根據(jù)被加熱材料的吸收光譜選擇波長合適的紅外發(fā)生器，以達到更高的能量吸收效率。

紅外焊接時，加熱裝置位于兩個塑料件之間，當工件靠近加熱裝置時，零件焊接筋開始熔化。到達預先設置的加熱時間后，工件表面的塑料焊接筋將達到一定的熔化程度，此時胎膜向兩邊分開，加熱板上升，隨后左右兩個工件合并在一起，當達到一定的焊接時間和焊接深度之后，整個焊接過程完成。具體焊接流程如圖1所示：（1）將零件放到胎膜上，紅外發(fā)生器下降至加熱位置；（2）左右胎膜向內(nèi)移動至加熱位置，紅外發(fā)生器工作，使焊接筋熔化；（3）左右胎膜向外移動，紅外發(fā)生器上升；（4）左右胎膜向內(nèi)移動至焊接位置，保壓并冷卻；（5）左右胎膜打開，取出焊接零件。

2 紅外焊接外觀凸起問題研究

紅外焊接過程中，零件經(jīng)歷受熱到冷卻的過程，所以焊接完成后產(chǎn)品會由于內(nèi)應力而產(chǎn)生凹凸不平等外觀問題。此外，紅外焊接工藝參數(shù)以及紅外焊接設備模具的設計結構也會影響焊接總成的外觀。

某副儀表板左、右側板（壁厚2.5 mm、無加強筋）通過紅外焊接與本體骨架連接在一起，焊接完成后側板表面呈現(xiàn)不同程度凸起，觸感明顯。

圖1 紅外焊接流程圖

紅外焊接是一種比較成熟的塑料焊接工藝，之前的生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)過外觀明顯凸起的缺陷。為了研究造成該缺陷的原因，選取外觀良好的A零件和外觀有明顯凸起的B零件為研究對象。對比A，B兩個零件，其材料供應商、產(chǎn)品壁厚、焊筋數(shù)量、加強筋數(shù)量等均不同。

2.1 零件變形量分析

使用GOM藍光三維掃描設備對焊接總成件A和B進行了掃描，結果如圖2所示。紅色表示測點位置高于零件表面，用“+”表示；綠色表示測點位置低于零件表面，用“-”表示；顏色越深表明變形量越大。2個零件的變形量分別如表1，表2所示。

圖2 A，B零件GOM藍光掃描圖

表1 A零件表面變形量 mm

表2 B零件表面變形量 mm

從表1，表2中可以看出，A零件表面變形量均小于0.25 mm，且A零件表面目視及觸摸均沒有明顯的凸起；B零件表面變形量在0.25～0.77 mm之間，目視凸起明顯，觸感也非常明顯。上述數(shù)據(jù)表明將零件表面變形量控制在0.25 mm以內(nèi)，就不會出現(xiàn)明顯的凸起及觸感。

2.2 紅外焊接外觀凸起的影響因素分析

紅外焊接工藝參數(shù)主要包括加熱時間和紅外燈管功率。加熱時間越長、燈管功率越大，零件所吸收熱量越多，變形趨勢越大；其中燈管功率在焊接胎膜設計時已經(jīng)確定無法更改。為了避免零件非焊接區(qū)域受熱變形，焊接胎膜上會增加擋光板；擋光板在焊筋處開孔以使紅外射線照射在零件上，擋光板和焊接零件之間的距離會影響紅外射線照射在零件上的區(qū)域大小，從而影響零件變形區(qū)域的大小。此外，零件本身的結構設計特點，如壁厚、加強筋的數(shù)量和形狀等因素也會影響零件本身的抗變形能力。

為了研究不同影響因素組合下的零件變形量，制作了對應的試驗工裝，工裝由紅外加熱燈管、擋光板、千分表等組成。利用紅外燈管對零件進行加熱，燈管功率與焊接胎膜一致；擋光板與零件之間的距離根據(jù)試驗需求進行調(diào)整；千分表可以測量零件表面的變形量。試驗時零件放置在擋光板上方，按照設定的加熱時間進行加熱，測量并記錄零件變形量。

選取了壁厚、焊筋數(shù)量、焊筋形式等5種產(chǎn)品結構影響因素，每個因素賦予2個水平，具體如表3所示。將產(chǎn)品結構因素進行隨機組合得到11組試驗樣件，如表4所示。在不同擋光距離、加熱時間組合下進行了試驗，零件變形量結果如表5所示。

表3 試驗樣件矩陣

表4 試驗樣件矩陣

表5 試驗零件變形量 mm

從表5可以看出：擋光板與零件距離一定時，零件變形量隨加熱時間的增加普遍呈上升趨勢；當加熱時間一定時，零件的變形量隨擋光距離的增加而增大。對比11種不同結構組合下的零件變形量，11#組合（A2B2C1D1E2）下的零件變形量最小，即零件壁厚為3 mm、焊接筋數(shù)量為3根、湖石注塑粒子、直筋、零件有加強筋時，零件的變形量最小。

根據(jù)驗證結果更改了產(chǎn)品結構，將壁厚更改為3 mm，增加加強筋，同時縮短了加熱時間，并減小擋光板與零件間的距離。優(yōu)化后的焊接零件表面凸起問題解決，GOM藍光掃描結果如圖4所示，零件變形量如表6所示，均在0.25 mm以內(nèi)。

圖4 優(yōu)化后B零件GOM藍光掃描圖

表6 優(yōu)化后B零件表面變形量 mm

3 結語

紅外焊接過程中，零件由于紅外射線照射而吸收大量的熱量。零件表面鼓包的根本原因是受熱變形。為了解決這個問題，可以從2個方面入手：一是減少焊接過程中零件吸收的熱量，如適當縮短加熱時間、擋光板盡可能靠近焊接零件等，但是零件必須吸收一定的熱量才能熔化進而焊接，所以該措施效果有限；二是從產(chǎn)品結構設計出發(fā)，通過增加零件壁厚、增加加強筋等方式提高零件本身的抗變形能力。實際生產(chǎn)過程中需要綜合2種方式，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)以及產(chǎn)品結構來得到最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量。