王光耀 魏莉霞 馬鳴圖

汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的有效手段之一，汽車輕量化的發(fā)展使塑料及其復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)件上得以廣泛應(yīng)用[1，2]。進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的重要部件，其結(jié)構(gòu)是否合理和制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞。傳統(tǒng)的金屬進(jìn)氣歧管采用鑄造工藝生產(chǎn)，隨著汽車輕量化越來(lái)越受到汽車制造商們的重視，乘用車汽油機(jī)用金屬進(jìn)氣歧管已經(jīng)被塑料進(jìn)氣歧管所替代。

多年來(lái)，在汽車塑料進(jìn)氣歧管的制造方法方面，國(guó)內(nèi)外先后采用了熔模型芯法、注塑成型法、復(fù)合成型法+振動(dòng)焊接法等成型加工方法[3，4]，以及新近出現(xiàn)的激光透射焊接技術(shù)和粘接劑粘合技術(shù)等新型制造方法[5]。目前，汽車塑料進(jìn)氣歧管主要采用“熔模型芯法和注塑成型+振動(dòng)焊接法”。然而，由于用熔模型芯法生產(chǎn)塑料進(jìn)氣歧管的制造成本較高，加以內(nèi)壁尺寸難以控制等問(wèn)題[6]，“注塑+振動(dòng)焊接和注塑+激光透射焊接”越來(lái)越受到關(guān)注。本文重點(diǎn)論述注塑成型的進(jìn)氣歧管組件連接的振動(dòng)焊接和激光透射焊接工藝。

一、振動(dòng)焊接

振動(dòng)焊接是在電磁傳動(dòng)裝置的作用下，相互接觸的2個(gè)塑料組件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（包括線性、角形、軸向）的1種摩擦焊接方法[3]。

焊接汽車塑料進(jìn)氣歧管采用的振動(dòng)焊接方法是在壓力作用下，使2個(gè)塑料進(jìn)氣歧管組件緊密接觸，并沿著同一軸線以一定的頻率做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。工藝進(jìn)行時(shí)，緊密接觸的進(jìn)氣歧管組件因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量，使接觸區(qū)域的聚合物溫度升高；當(dāng)溫度達(dá)到聚合物的熔點(diǎn)時(shí)，聚合物熔化到滿足熔深要求時(shí)，接頭處的聚合物在壓力作用下可凝固形成可靠的連接。

“熔深”是振動(dòng)焊接的重要參照量，它是指在焊接過(guò)程中，壓力使熔化界面處的聚合物側(cè)向外流而產(chǎn)生的2組件之間距離的減少值。根據(jù)熔深的變化情況，振動(dòng)焊接過(guò)程可以分為4個(gè)階段[7]：

①固態(tài)摩擦階段：進(jìn)氣歧管的2個(gè)接觸面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最初在突起部分發(fā)生摩擦、粘接和剪切，在摩擦表面產(chǎn)生摩擦熱，隨著摩擦的進(jìn)行，實(shí)際接觸面積不斷增大，但是此階段仍然是固-固界面摩擦，不會(huì)產(chǎn)生聚合物熔融和側(cè)向流動(dòng)，熔深為零。

②瞬態(tài)階段：隨著摩擦的不斷進(jìn)行，接觸面處的溫度不斷升高，接觸區(qū)域的聚合物開始逐漸出現(xiàn)粘滯現(xiàn)象，由于剪切加熱的作用，處于粘滯狀態(tài)的聚合物厚度增加。隨著摩擦的繼續(xù)進(jìn)行，固-固摩擦生熱逐漸被熔融層的剪切變形生熱所替代。在此階段，接觸面處的聚合物發(fā)生熔融和側(cè)向流動(dòng)，導(dǎo)致熔深逐漸增加。

③穩(wěn)態(tài)階段：該階段，聚合物的熔化速度等于外流速度，熔融層的厚度基本保持恒定，隨著時(shí)間的增加，熔深呈線性增加，熔深達(dá)到一定值時(shí)，振動(dòng)應(yīng)停止。這時(shí)由于過(guò)多的熔融聚合物容易產(chǎn)生過(guò)多的飛邊，影響焊接質(zhì)量。

④冷卻階段：振動(dòng)停止后，接觸區(qū)域的聚合物冷卻，并凝固形成可靠的連接。

對(duì)于塑料進(jìn)氣歧管而言，焊縫是產(chǎn)品的薄弱區(qū)域，汽車塑料進(jìn)氣歧管進(jìn)行水爆試驗(yàn)時(shí)，多在焊縫處發(fā)生破裂。由于焊縫處的纖維聚集或平行于焊縫，不能起到增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度的作用，所以焊縫處的強(qiáng)度只取決于基體材料的原始強(qiáng)度和焊縫質(zhì)量。焊縫質(zhì)量的影響因素主要包括：焊接夾持力、焊縫熔化寬度、振動(dòng)幅度和熔深。研究表明[8]，夾持力對(duì)焊縫的質(zhì)量影響較大。焊接過(guò)程中，增大夾持力使2組件之間熔融層的壓力增大，導(dǎo)致熔融層變薄，從而影響焊縫質(zhì)量。對(duì)于塑料進(jìn)氣歧管的焊接，應(yīng)預(yù)留一個(gè)最優(yōu)焊縫熔化寬度使進(jìn)氣歧管獲得最大的焊縫強(qiáng)度。而振動(dòng)幅度對(duì)焊縫的強(qiáng)度影響相對(duì)較弱。

與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，振動(dòng)焊接技術(shù)具有焊接時(shí)間短、能量利用率高、可重復(fù)性好、適用于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的熔芯法制造塑料進(jìn)氣歧管以及鋁制進(jìn)氣歧管相比，利用振動(dòng)焊制造塑料進(jìn)氣歧管更加節(jié)能環(huán)保，具有更好的進(jìn)氣效率和更低的生產(chǎn)成本。但是，振動(dòng)焊接法只能焊接平面和小弧度曲面。由于焊縫處的玻璃纖維發(fā)生聚集且平行于焊縫，起不到增強(qiáng)的作用，焊縫處的強(qiáng)度只能取決于材料的原始強(qiáng)度和焊縫質(zhì)量，因此焊接是產(chǎn)品制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。

1973年，美國(guó)出現(xiàn)了第1臺(tái)商品化的振動(dòng)焊接機(jī)，1979年，振動(dòng)焊接技術(shù)首次被法國(guó)標(biāo)致雪鐵龍汽車公司用于制造汽車進(jìn)氣歧管。目前，振動(dòng)焊在歐美市場(chǎng)應(yīng)用得到廣泛的應(yīng)用，利用振動(dòng)焊接塑料進(jìn)氣歧管已經(jīng)占據(jù)了歐美國(guó)家發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的大部分份額。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)在近幾年的新發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和引進(jìn)中也廣泛采用該技術(shù)。2004年，中國(guó)第一汽車集團(tuán)使用巴斯夫（BASF）公司的BASF8233GWHS BK102尼龍6玻璃纖維增強(qiáng)材料，利用振動(dòng)焊接技術(shù)制造出了CA4GE發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管，并應(yīng)用在紅旗轎車上。該型號(hào)的塑性進(jìn)氣歧管經(jīng)過(guò)水爆試驗(yàn)、排放試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、道路試驗(yàn)等測(cè)試，各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。與鋁制進(jìn)氣歧管相比，塑料進(jìn)氣歧管質(zhì)量減輕了40%、發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高4%、產(chǎn)品價(jià)格降低20%。同時(shí)，中國(guó)第一汽車集團(tuán)又開發(fā)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的大型塑料進(jìn)氣歧管，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在該領(lǐng)域的突破[9]。但是與國(guó)外技術(shù)水平相比，國(guó)內(nèi)汽車塑料進(jìn)氣歧管的研發(fā)水平和生產(chǎn)規(guī)模仍存在相當(dāng)大的差距，而且所需原料全部由國(guó)外進(jìn)口，這種局面急需改變。

隨著振動(dòng)焊接工藝在塑料進(jìn)氣歧管生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用，針對(duì)振動(dòng)焊接的二次加工性和焊接強(qiáng)度的要求，塑料生產(chǎn)商們開發(fā)出了專用于振動(dòng)焊接生產(chǎn)塑料進(jìn)氣歧管的原材料——纖維增強(qiáng)尼龍6。該材料是通過(guò)化學(xué)和物理改性來(lái)克服尼龍吸水率高、耐乙二醇性能差的缺點(diǎn)，采用25%～35%玻璃纖維，并通過(guò)改善其收縮率制得增強(qiáng)尼龍。與其他塑料相比，纖維增強(qiáng)尼龍6更適用于振動(dòng)焊接性能，焊縫處的爆破強(qiáng)度較高，其高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)因振動(dòng)焊接造成的焊縫處強(qiáng)度的下降。BASF公司最早用尼龍6進(jìn)行進(jìn)氣歧管的研究工作，先后開發(fā)出了多種牌號(hào)。日本宇部興業(yè)公司開發(fā)出了適用于振動(dòng)焊接的纖維增強(qiáng)尼龍6牌號(hào)1015GNKF，日本東麗株式會(huì)社也推出進(jìn)氣歧管專用注塑30%玻纖增強(qiáng)尼龍6牌號(hào)，其耐熱性高，適用于振動(dòng)焊接方法[10]。上述專用于振動(dòng)焊的纖維增強(qiáng)塑料尼龍6所用的增強(qiáng)纖維為短纖維。近年來(lái)，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑性復(fù)合材料（LFT）開始用于汽車零部件的生產(chǎn)。LFT是以10～25mm的玻璃纖維或碳纖維等長(zhǎng)纖維為增強(qiáng)材料的熱塑性復(fù)合材料。與短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料相比，LFT材料的強(qiáng)度、抗撞擊性能和能量吸收率等均有較大提高。2010年，德國(guó)大眾汽車公司和英國(guó)MAHLE過(guò)濾系統(tǒng)公司用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料替代短玻纖增強(qiáng)聚酰胺，用于汽車進(jìn)氣歧管的生產(chǎn)[2]。中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司聯(lián)合甘肅天水銳森特汽車部件有限公司采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP材料制造汽車用進(jìn)氣歧管，其性能已經(jīng)能夠達(dá)到進(jìn)氣歧管的使用要求。

二、激光透射焊接

在一定壓力下，透光塑料和吸光塑料接觸，激光從透光塑料一側(cè)穿過(guò)到達(dá)接觸面，吸光塑料一側(cè)的聚合物受熱熔融（圖1所示）。同時(shí)由于熱傳導(dǎo)的作用，透光塑料一側(cè)的聚合物也受熱熔融。當(dāng)熔核的尺寸達(dá)到要求時(shí)，停止加熱，繼續(xù)對(duì)產(chǎn)品保持壓力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的焊接[11]。實(shí)現(xiàn)激光透射焊接需要產(chǎn)品材料對(duì)激光具有不同的透過(guò)和吸收性能，即上層材料應(yīng)增大透光性，下層材料應(yīng)增大吸光性。為了提高透光材料的激光透過(guò)性，往往添加激光透過(guò)性高的染料，為了提高材料的激光吸收性，常通過(guò)添加碳黑、Clearweld涂層等吸光劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

研究顯示[12-14]，影響激光透射焊接工藝的因素包括激光功率、焊接速度、夾緊力、激光光斑大小、冷卻時(shí)間等。

激光功率和焊接速度是決定焊接質(zhì)量的主要因素。當(dāng)激光光斑一定時(shí)，激光功率和焊接速度決定焊接的能量輸入。提高激光功率或降低焊接速度使能量積累和能量擴(kuò)散更多，導(dǎo)致焊縫寬大，并且容易導(dǎo)致焊接區(qū)域處的溫度過(guò)高，進(jìn)而產(chǎn)生聚合物的燒蝕等缺陷。反之，如果降低激光功率或提高焊接速度容易導(dǎo)致焊接區(qū)域處的焊接溫度過(guò)低，進(jìn)而產(chǎn)生未熔合或氣孔等缺陷。因此，準(zhǔn)確控制激光能量輸入是獲得優(yōu)良焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

在焊接前對(duì)焊接組件施加壓力，一方面可以盡量擠出接觸界面的氣體，降低焊接過(guò)程中因氣體不能及時(shí)排出而產(chǎn)生氣孔缺陷的可能性；另一方面增大了焊接組件接觸界面的有效面積，在焊接時(shí)能夠促進(jìn)熔融材料的結(jié)合，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量?？梢?，適度的夾持力可獲得良好的焊接質(zhì)量，但是過(guò)高的夾持力會(huì)使焊縫強(qiáng)度降低，從而降低焊接質(zhì)量[15]。

與傳統(tǒng)的焊接方法相比，塑料激光透射焊接技術(shù)焊接精度高、柔性好、自動(dòng)化程度高，可獲得牢固和密封的焊縫，焊縫強(qiáng)度可達(dá)到基體材料的強(qiáng)度水平。激光透射焊接制造塑料進(jìn)氣歧管，不僅可以使生產(chǎn)周期降低，而且對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形狀限制較小，利于塑料進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。因此，隨著汽車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，該技術(shù)會(huì)越來(lái)越受到汽車領(lǐng)域的關(guān)注。

塑料激光透射焊接技術(shù)最早在歐美國(guó)家投入使用，瑞士的萊丹（Leister）公司、德國(guó)羅芬（Rofin）公司、德國(guó)比諾馬蒂克（Bielomatik）公司、美國(guó)相干（Coherent）公司等較早開展了塑料激光投射技術(shù)的研究，相繼推出專門用于塑料焊接的激光設(shè)備，并不斷進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)[16]。目前，塑料激光透射焊接主要在歐美國(guó)家流行，在國(guó)外汽車制造領(lǐng)域，已經(jīng)有少量的廠家采用激光透射焊接技術(shù)生產(chǎn)塑料進(jìn)氣歧管，但這門新型的焊接技術(shù)，還沒有被廣泛應(yīng)用[17]。而在國(guó)內(nèi)，塑料激光透視焊接技術(shù)的理論研究大多在高校開展，相關(guān)設(shè)備的研發(fā)處于起步階段[16]。

為了更好地將激光透射焊接技術(shù)應(yīng)用到塑料進(jìn)氣歧管的生產(chǎn)中，很多廠家加大了對(duì)適用于激光透射焊接的材料研發(fā)。德國(guó)拜耳公司開發(fā)出了3種黑色玻纖增強(qiáng)尼龍6，美國(guó)杜邦公司開發(fā)出了纖維增強(qiáng)尼龍6配混料，BASF公司開發(fā)出了纖維增強(qiáng)尼龍6配混料。這些材料均可滿足塑料激光透射焊接對(duì)透射率的特殊要求，使塑料進(jìn)氣歧管激光透射焊接技術(shù)取得了很大的進(jìn)步[14]。

與振動(dòng)焊接法相比，激光透射焊接技術(shù)能夠克服焊接部件的接觸面必須是平面的要求和局限，并且激光透射焊接部件的接觸面不會(huì)出現(xiàn)因振動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象，可以將焊接邊緣設(shè)計(jì)的更小一些，便于進(jìn)氣歧管的裝配。由于成型條件溫和，產(chǎn)品在150℃的高溫條件下，仍可以保持較好的焊接強(qiáng)度，而且制品表面無(wú)焊珠，空氣流過(guò)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生渦流，提高了進(jìn)氣歧管的性能。另外，激光透視焊接技術(shù)還容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，可以提高塑料進(jìn)氣歧管的生產(chǎn)效率[18]。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著全球氣候問(wèn)題日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排的呼聲日益高漲，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的塑料化是汽車輕量化發(fā)展的必然趨勢(shì)，需求也必然隨著汽車產(chǎn)量的增加而增加。振動(dòng)焊接和激光透視焊接憑借其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)必然會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。但是，面對(duì)汽車進(jìn)氣歧管性能、輕量化水平、制造成本等要求，振動(dòng)焊接和激光透射焊接技術(shù)仍然有待提高：一是振動(dòng)焊接和激光透射技術(shù)需進(jìn)行工藝優(yōu)化，以適應(yīng)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料等新材料在進(jìn)氣歧管上的應(yīng)用；二是開發(fā)出性能更好、價(jià)格低廉、適用于汽車進(jìn)氣歧管的焊接專用塑料是汽車輕量化和原料國(guó)產(chǎn)化、高性能化的必然要求；三是激光透射焊接應(yīng)克服設(shè)備成本偏高，能量利用率和工業(yè)化生產(chǎn)能力尚需提高的問(wèn)題，以利于推廣應(yīng)用。

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