潘明清，鄧亮，周一汛，薛夢萍

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

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汽車車燈激光焊接的應(yīng)用研究

潘明清，鄧亮，周一汛，薛夢萍

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

汽車車燈的焊接質(zhì)量直接影響車燈及整車外觀。目前車燈的焊接方式有多種，激光焊接技術(shù)在汽車金屬件焊接已應(yīng)用成熟，如車身激光焊接已大規(guī)模應(yīng)用，但在車燈焊接領(lǐng)域方興未艾。對比了幾種常用的車燈連接方式及各自的優(yōu)劣勢，開發(fā)了一種新式車燈激光焊接技術(shù)，并做了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果證明：激光焊接效率高，質(zhì)量可靠，外觀美觀，具有良好的應(yīng)用前景。

車燈；激光焊接；應(yīng)用研究

0 引言

車燈作為汽車重要的零部件之一，其外觀直接影響整車觀感。而車燈的焊接質(zhì)量對車燈外觀有著重要影響。因此車燈焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高。激光具有方向性好、單色性好、相干性好和光脈沖可以極窄的特點(diǎn)[1]。近年來隨著汽車智能化進(jìn)程加速推進(jìn)，以激光技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)也在不斷推動汽車制造業(yè)的更新?lián)Q代，同時對汽車塑料零件之間的焊接連接技術(shù)和焊接質(zhì)量也提出更高的要求，這些變化為激光焊接技術(shù)在汽車塑料焊接領(lǐng)域的應(yīng)用提供了契機(jī)[2]。

1 車燈材料連接工藝

車燈的材料以塑料為主，傳統(tǒng)的車燈燈罩與殼體連接方式有粘膠粘接、熱板焊接、振動摩擦焊接等幾種方式[3-4]。

粘膠粘接采用熱熔膠，經(jīng)過加熱融化后經(jīng)熔膠頭進(jìn)入到燈體的灌膠槽，完成灌膠后進(jìn)行燈罩和燈體壓合冷卻。熱熔膠起到密封和粘接作用，其耐熱性和粘接強(qiáng)度較低，遇到氣溫變化大時，熱熔膠會松弛或膨脹，導(dǎo)致局部漏氣，影響整燈的氣密要求。這種連接方式可靠性差，對環(huán)境要求較高。

熱板焊接一般使用熱封機(jī)操作，分別對被焊接的燈罩和殼體連接面加熱，封口部位受熱變?yōu)檎沉鳡顟B(tài)，在連接面上形成一層熔化層，加壓使之粘接，冷卻后具有一定強(qiáng)度和密封性能。熱板焊接同類熱塑性塑料，效果較好。但是對于不同類型的塑料焊接，兩塑料之間溫度有差異，需要分別加熱，給熱板的制造和加工帶來困難。

振動摩擦焊的原理是利用振動摩擦焊機(jī)產(chǎn)生高頻振動，使上下工件的熔接部位因局部摩擦產(chǎn)生高熱熔化后結(jié)合。摩擦焊加工時間短、功效高，缺點(diǎn)焊后外觀上有少量溢出熔料，需要去除溢邊，有一定噪聲。

超音波焊接是利用超音波換能器把高頻電能轉(zhuǎn)換為高頻率機(jī)械振動能，燈罩和燈榖在加壓的條件下，接觸面發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱量，熔著筋熔融接合。超音波熔接適用于熔著面積較小、結(jié)構(gòu)規(guī)則和熱塑性高的制品,并且要求熔著面精度較高。一般用于小燈,如側(cè)標(biāo)識燈。

2 車燈激光焊接原理

塑料激光焊接的基本原理是：兩種塑料在低壓力下被夾緊在一起，近紅外線激光NIR(波長810～1 064 nm)穿過一個制品(近紅外線激光透射)，然后被另外一個制品吸收(近紅外線激光吸收)。吸收激光能量的制品將光能轉(zhuǎn)化為熱能，在塑料的接觸面熔化，同時熱也傳導(dǎo)到透射近紅外激光制品表面，形成熔化區(qū)。在夾緊力的作用下，兩零件熔化緊密接觸。在材料熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)力和夾緊外力的共同作用下，熔化區(qū)域產(chǎn)生分子混合，在快冷過程中形成焊縫[5]。激光焊接的特點(diǎn)是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)方法高。圖1是塑料激光焊接原理示意圖。

圖1 塑料激光焊接原理圖

車燈的燈罩和底殼是兩種塑料材質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)車燈的激光焊接，待焊的燈罩和殼體在特定波長下的光學(xué)吸收性不應(yīng)相同。燈罩應(yīng)盡可能透射激光，燈殼應(yīng)具有高的吸收率。兩零件的反射率應(yīng)保持最小，因?yàn)殡S著反射量的增加，需要更多的能量產(chǎn)生焊接所需的熱量。同時在焊接前需要確保焊筋表面沒有凹坑、凸點(diǎn)等不良問題。

采用波長980 nm的紅外激光，經(jīng)過材料可焊性研究，殼體材料選用黑色的PC+ABS，燈罩材料選用透明的PMMA，透光率達(dá)到94.5%以上。

3 車燈焊接系統(tǒng)

車燈激光焊接系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)，圖2是激光焊接系統(tǒng)框圖。PLC與各組件用Profibus總線連接，HMI與機(jī)器人用工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)。PLC控制器控制機(jī)器人帶動機(jī)器手臂運(yùn)動，激光器搭載在機(jī)器手臂上。激光系統(tǒng)由激光電源和激光器(包括光纖和激光頭)組成。由于激光發(fā)熱功率大，用水冷卻系統(tǒng)散熱。人機(jī)界面設(shè)置激光焊接的工藝參數(shù)，設(shè)定激光發(fā)出的功率、焊接時間、焊接速度、工件夾緊力等參數(shù)。環(huán)境溫度保持在0～28 ℃，相對濕度小于55%。焊接工裝用于對燈罩、殼體進(jìn)行定位以及夾緊。工裝一般選用4個旋轉(zhuǎn)壓頭，旋轉(zhuǎn)壓頭需要均勻地分布在燈具四周。旋轉(zhuǎn)壓頭由旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動，相對的兩個旋轉(zhuǎn)氣缸共用同一路氣源，兩者同步動作。

圖2 激光焊接系統(tǒng)框圖

4 焊接效果驗(yàn)證

激光焊接的效果需要進(jìn)行外觀評價和可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。首先檢驗(yàn)車燈焊接外觀，如果焊縫無分解、無熔融氣泡、無虛焊，則認(rèn)為外觀良好。進(jìn)一步通過破壞性拉力試驗(yàn)檢驗(yàn)焊縫結(jié)合的牢固程度。

截取燈具焊接的局部件，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。圖3、圖4分別是拉力試驗(yàn)前后的狀況圖，用顯微鏡觀察試驗(yàn)樣件斷裂的截面。

圖3 拉力試驗(yàn)前狀態(tài)

圖4 拉力試驗(yàn)后狀態(tài)

如果燈罩與殼體沒有充分熔化，只是表面的剝離，則焊接質(zhì)量不合格。如圖5所示，破壞表面很光滑，沒有凹凸不平的狀態(tài)。

圖5 不合格的焊接截面圖

如果焊接破壞面清晰可見部分燈罩?jǐn)嗔褮埩粢约按罅炕臍埩?，如圖6所示，證明焊接強(qiáng)度大于單一PMMA強(qiáng)度，焊接質(zhì)量可靠。

圖6 合格的焊接截面圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評估焊接質(zhì)量，進(jìn)而調(diào)整焊接參數(shù)，不斷優(yōu)化工藝參數(shù)可以得到較為滿意的焊接效果。

焊接過程表明采用激光焊接車燈有諸多優(yōu)點(diǎn)：激光焊接速度快，聚焦好，焊接功率密度高，這使得焊接過程中材料熔化很快，焊接部位的熱變形和熱影響區(qū)很小；激光焊接材料范圍廣，既可以焊接同類材料，也能對異性材料施焊，效果良好；激光可焊接微小區(qū)域，激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，所以車燈焊筋的設(shè)計比普通焊接窄很多，焊接效果美觀。

激光焊接也存在著一定的局限性：對被焊件加工質(zhì)量要求高，零件變形過大則不適用，因?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱叽缧?，焊縫窄，若工件加工精度達(dá)不到要求，容易造成局部漏焊。對零件加工質(zhì)量作嚴(yán)格管控，可以大大降低焊接偏差。

5 結(jié)論

汽車行業(yè)的金屬激光焊接方式已經(jīng)得到日益廣泛的推廣，而汽車塑料的激光焊接方式，尤其是對于有復(fù)雜曲面的車燈，激光焊接正作為一種新型專業(yè)化的焊接技術(shù)，以其優(yōu)良的焊接質(zhì)量、易于控制的特點(diǎn)逐漸成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。隨著激光焊接材料和焊接技術(shù)的不斷深入，車燈激光焊接技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

【1】劉會霞,張惠中,季進(jìn)清,等.激光焊接塑料的方法及發(fā)展現(xiàn)狀[J].激光技術(shù),2008,32(2):166-170.

LIU H X,ZHANG H Z,JI J Q,et al.Methods and Present Status of Laser Welding of Plastics[J].Laser Technology,2008,32(2):166-170.

【2】劉彧.激光焊接技術(shù)在車燈領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(20):137.

【3】王子敬.車燈行業(yè)中常用的幾種熔著技術(shù)[J].科技資訊,2013(9):98.

【4】陶永亮.汽車燈罩與燈體裝配連接方式[J].汽車工程師,2012(11):55-58.

TAO Y L.Assembly Connecting Modes of Automotive Lamp Hood and Lamp Body[J].Auto Engineer,2012(11):55-58.

【5】谷鈺,張麗杰,呂翹楚,等.熱塑性塑料的光纖半導(dǎo)體激光透射焊接系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2015,43(10):42-46.

GU Y,ZHANG L J,LV Q C,et al.Fiber-optic Semiconductor Laser Transmission Welding System for Thermoplastics[J].Optic and Precision Engineering,2015,43(10):42-46.

Application Research of Laser Welding for Automotive Lighting

PAN Mingqing，DENG Liang, ZHOU Yixun, XUE Mengping

(Changzhou Xingyu Automoitve Lighting Systems Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213000, China)

The welding quality of lights influences the appearances of the automotive lamps and vehicles. At present, there are a variety of ways for light welding. Laser welding in automobile metal parts has been used maturely, such as car body. But in the field of lights welding, laser welding has less application. Several connecting methods of lights were introduced. The advantages and disadvantages of each method were contrasted. Laser welding as a new technology was developed on lights. The experiment proves that laser welding has high efficiency and reliable quality, beautiful appearance. This technology will have a more widely application on automotive lighting.

Automotive lighting; Laser welding; Application research

2016-07-29

潘明清(1978—)，博士，高級工程師，主要從事智能裝備制造、激光焊接工藝和生產(chǎn)技術(shù)研究工作。E-mail：panmingqing@xyl.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.014

U463.99

A

1674-1986(2016)10-058-03