摘 要：隨著我國在塑料及復(fù)合材料領(lǐng)域的不斷發(fā)展，一些高性能復(fù)合材料產(chǎn)品以其獨(dú)特的優(yōu)勢取代了金屬制品，大量應(yīng)用在汽車、微電子、化工等行業(yè)，相應(yīng)的大尺寸、復(fù)雜型面、高亮外觀汽車零部件被設(shè)計(jì)出來。但由于塑料成型工藝的限制，在復(fù)雜的熱塑性塑料部件生產(chǎn)中，采用焊接工藝將諸多注塑零件進(jìn)行連接結(jié)合是首選方案。本文針對汽車高質(zhì)感外觀零部件采用超聲波塑料焊接技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、焊接頭參數(shù)、焊接深度等進(jìn)行探討分析。

關(guān)鍵詞：塑料 超聲波焊接 焊接參數(shù)

1 緒論

由于塑料本身特性的原因，無法完全同等結(jié)構(gòu)代替金屬材料的零件設(shè)計(jì)，因此需要多組件的復(fù)合材料部件結(jié)合運(yùn)用，來達(dá)到金屬零部件的等強(qiáng)度要求。所以復(fù)合材料多零件之間的連接方式對產(chǎn)品質(zhì)量、強(qiáng)度等的影響也是決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。超聲波焊接技術(shù)在塑料連接領(lǐng)域具有效率高、精度高、可靠性高、能耗低、清潔無污染、易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動化生產(chǎn)等特點(diǎn)，已日漸成為取代傳統(tǒng)塑料焊接方式的先進(jìn)工藝技術(shù)。隨著顧客對汽車外觀品質(zhì)越來越挑剔，需要分析解決焊接印記對外觀質(zhì)量的影響。

2 超聲波穿刺焊接原理

超聲波穿刺焊接是眾多超聲波焊接工藝中的一種，焊接的時(shí)候焊頭從上工件穿到下工件，在接觸表面后產(chǎn)生的熱能，使材料熔融和連接，受擠壓的塑料向上流動，并形成一個(gè)環(huán)形突起部分將上下兩個(gè)工件緊密連接。Benatar等提出了一種超聲波焊接模型，包含：①工件的振動；②局部黏彈熱的產(chǎn)生；③熱量的傳遞；④樹脂熔融并流動；⑤分子間傳質(zhì)擴(kuò)散。穿刺焊接的模型與之大體相似，在焊接之初，焊齒接觸上工件振動，隨即焊齒穿刺進(jìn)上工件達(dá)到焊接界面處，產(chǎn)生黏彈熱，熱量的傳遞使材料熔融、超聲促進(jìn)分子間傳質(zhì)擴(kuò)散，并在壓力的作用下實(shí)現(xiàn)材料的連接。具體原理圖如圖1所示。

3 材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種由高性能復(fù)合材料組成的汽車側(cè)圍邊梁總成替代傳統(tǒng)金屬制件側(cè)圍。塑料的模量一般遠(yuǎn)低于鋼材，為使其達(dá)到金屬的等剛強(qiáng)度性能，一般材料增加料厚和組合雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。兼顧耐老化、抗溫度變形性、疲勞穩(wěn)定性等，綜合制造成本，一版采用PC/ABS、PP+EPDM-TD30類材料。通過表1參數(shù)對比可見，PC類相對于PP類材料模量、熱變形性能相對穩(wěn)定些，但是材料成本要高出約1/3以上，因此，綜合材料成本考慮本文選取PP+EPDM-T30材料進(jìn)行研究。

如下圖2所示，某新能源汽車復(fù)合材料頂邊梁內(nèi)外板腔體結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)，外板采用PP+EPDM-TD30，內(nèi)板采用PP+GF20材料。采取超聲波穿刺焊連接如圖3焊點(diǎn)分布所示，要求內(nèi)外板的單點(diǎn)拉脫力大于150N，油漆表面外觀不能有肉眼可見多焊點(diǎn)缺陷。

通過測試驗(yàn)證外板和內(nèi)板的厚度設(shè)計(jì)，在焊接設(shè)備、焊接頭、焊接深度、發(fā)波時(shí)間相同的情況下，對內(nèi)外板焊接不同料厚（A=外板厚度、B=內(nèi)板厚度）做拉拔力分析測試。

方案一：外板焊接面料厚2.8mm，內(nèi)板焊接面部位料厚1.5mm。實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)配合方式，焊點(diǎn)拉拔力在120N左右，外觀表面質(zhì)量在自然光線照射下能看到表面印記（如圖4所示）。

方案二：外板焊接面料厚2.8mm，內(nèi)板焊接面部位料厚1.3mm。實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)配合方式，焊點(diǎn)拉拔力在150N左右，外觀表面質(zhì)量在自然光線照射下能看到表面印記，且比方案一嚴(yán)重。

方案三：外板焊接面料厚3.2mm，內(nèi)板焊接面部位料厚1.5mm。實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)配合方式，焊點(diǎn)拉拔力在120N左右，外觀表面質(zhì)量在自然光線照射下表面印記不易觀察，在平行燈光下能觀察到印記，但是比方案一印記淡化。

方案四：外板焊接面料厚3.2mm，內(nèi)板焊接面部位料厚1.3mm。實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)配合方式，焊點(diǎn)拉拔力在150N左右，外觀表面質(zhì)量在自然光線照射下表面印記不易觀察，在平行燈光下能觀察到局部焊接點(diǎn)印記（如圖5所示），但比方案三印記淡化。

考慮到成本及重量，驗(yàn)證后最終選擇外板主體結(jié)構(gòu)料厚2.8mm，局部焊接位置過渡至3.2mm；內(nèi)板主體料厚2.5mm，焊接區(qū)域料厚設(shè)計(jì)1.3mm。

4 焊接頭設(shè)計(jì)及工藝調(diào)整

根據(jù)上述料厚的驗(yàn)證，同時(shí)對焊接頭進(jìn)行優(yōu)化處理。需要說明的是，如果產(chǎn)品的外觀面是平面，焊接頭可以與產(chǎn)品焊接面垂直，在同等條件下焊接，相對于曲面配合的產(chǎn)品可以弱化表面印記的可視性。但考慮到大尺寸零部件的批量化柔性生產(chǎn)作業(yè)，需要兼顧產(chǎn)品的表面曲率變化情況，結(jié)合后期使用成本考慮，挑選如下適合的焊接頭（如圖6：兩排8針焊接頭和圖7：三排12針焊接頭）型號做驗(yàn)證。

焊接頭詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

結(jié)合產(chǎn)品拉拔力測試，調(diào)整每個(gè)焊接點(diǎn)高度、焊接臂角度（焊接頭盡可能垂直于焊接弧面）、發(fā)波時(shí)間調(diào)整，確保焊接點(diǎn)拉拔力保持在150N以上。通過調(diào)試多輪參數(shù)，對比零件產(chǎn)品外觀印記質(zhì)量，目視效果如下：

方案1：焊接頭兩排8針，焊接針半徑R 0.4×R1.0mm，在保證150N焊接拉拔力下，焊接深度較深，局部焊接印記較明顯。

方案2：焊接頭兩排8針，將焊接針頭直徑減小至R0.3×R0.9mm，在保證150N焊接拉拔力下，需要熔融的樹脂量增多，焊接的深度增加，導(dǎo)致焊接后的局部印記較方案1更明顯。

方案3：為提高單點(diǎn)焊接力，將焊接頭設(shè)計(jì)成三排12針，焊接針直徑、高度、焊接拉拔力保持和方案1一致的情況下，實(shí)際焊接深度減小，局部焊接印記減輕，相較于方案1印記弱化。

方案4：焊接頭三排12針，相對于方案3焊接頭高度保持一致，焊接針直徑減小0.2mm，因焊接針頭直徑減小，實(shí)際焊接深度、速度不變下，抵抗針頭的反作用力降低，熔融樹脂后反向溢出速度加快，局部帶走的熱量增多，相較于方案3產(chǎn)品表面焊接印記明顯降低。

方案5：焊接頭三排12針，相較于方案4焊接針高度降低0.4mm，在焊接針直徑保持一致的情況下，確保同等拉拔力，焊接深度保持基本無變化；因焊接針高度的降低，焊接針的等高梯度增加，插入產(chǎn)品的過程中，材料受針頭擠壓擴(kuò)張的速度也隨之增大。產(chǎn)品外觀印記相較于方案4更明顯。

綜上，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)在確保產(chǎn)品焊接拉拔力的情況下，采取方案4，三排焊接針頭，焊接針半徑R 0.3×R0.9mm，高度3.4mm最優(yōu)。

接著，用方案4的焊接針，改變發(fā)波時(shí)間，考慮生產(chǎn)節(jié)拍的情況下，經(jīng)過對比驗(yàn)證，焊接發(fā)波時(shí)間在0.6-0.65s之間，制品表面焊接缺陷肉眼不可見。

5 結(jié)語及展望

本設(shè)計(jì)方案結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對超聲波穿刺焊接印記進(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計(jì)，該研究驗(yàn)證為類似外覆蓋件內(nèi)外板的焊接料厚、工藝參數(shù)、焊頭的選型奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)影響焊接質(zhì)量的因素還很多，如材料里添加的增強(qiáng)劑，焊接的溫度、速度，是否設(shè)置冷卻吹風(fēng)機(jī)構(gòu)等，需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

超聲波穿刺焊接本身是一種方便快捷可觀測的焊接方法，在電子硬件與軟件高度發(fā)展的當(dāng)下，值得關(guān)注的是將軟硬件和焊接機(jī)器人相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能焊接，有助于加快新產(chǎn)品研發(fā)，以順應(yīng)當(dāng)下新能源汽車產(chǎn)品的更新迭代。

基金項(xiàng)目：安徽省重大專項(xiàng)（202203f070

20008）。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勝玉．塑料超聲波點(diǎn)焊技術(shù)[J]．橡塑技術(shù)與裝備，2019，45（16）：24-27.

[2]趙普，賈松，肖存勇，等.纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料超聲波焊接技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料工程，2023，51（07）：12-21.

[3]BENATAR A， GUTOWSKI T G. Ultrasonic welding of PEEK graphite APC-2 composites[J].Polymer Engineering Science，1989，29（23）：1705-1721.