汽车尾灯不同焊接工艺的研究（二）

杨学成　白克勤　王燕妮

摘 要：目前汽车行业内在用的四种汽车尾灯焊接方式，分别为热板焊接、振动摩擦焊接、超声波焊接和激光焊接，上篇介绍了前两种较为常用的焊接工艺，本篇主要介绍后两种近几年流行起来的新进焊接工艺。同样，也是从基础焊接原理、关键工艺参数、优缺点对比以及常见缺陷模式等几个方面进行讲解，希望能给大家带来帮助。

关键词：车灯 焊接工艺 超声波焊接 激光焊接

1 超声波焊接

1.1 定义

超声波焊接是利用高频振动波（大于16kHZ）传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间熔合[1]的焊接方法。

1.2 分类

按声波的高频振荡能量传播方向可分为如下两种基本类型：

1）声波垂直于焊件表面：指超声波的振动方向与焊接件表面相垂直，适用于塑料焊接;

2）声波切向传递到焊接表面：指超声波的振动方向与焊接件表面相平行，适用于金属焊接。

1.3 工艺原理（过程）

如图1所示，超声波焊接分为以下几个阶段：

1）电源输入220V/50HZ的低频电能，并通过超声波发生器转换为20kHZ或40kHZ的高频电能;

2）高频电能通过换能器转换为用于超声波的高频机械振动能;

3）转换后的超声波机械能由调幅器负责进行整合并传递到焊头，最终通过焊头传至待焊塑料件;

4）超声波机械能从上模待焊件传到焊接面，塑胶分子之间因摩擦而产生热量，最终熔化塑料件;

5）气压装置同时下压运动，将上下待焊件压合到一起，并保持一定时间进行冷却，最终达到焊接目的。

1.4 焊接设备

1）超声波塑料焊接机由于使用场合及焊接材料、焊接尺寸不同，其规格也各不相同，其输出功率从手持超声波焊接机的几十瓦到大型焊接机的几千瓦，而频率一般在15KHz到40KHz范围内;

2）如图，常见的超声波焊接设备有分体式、一体式和手持超声波焊接器几种，其主要由气压传动系统、控制系统、发生器、换能器、调幅器、焊頭和机械装置几部分组成。

1.5 工艺参数

超声波焊接的主要工艺参数有超声波频率、超声波振幅、焊接压力、焊接时间和保压时间。

1）焊接频率：超声波焊接机都有自己固定的频率，频率越大，能量越大，常用的频率有20KHz、30KHz、40KHz几种;

2）焊接振幅：不同的超声波频率与换能器表面振幅的对应关系为：20KHz= 0.02mm;30KHz=0.015mm;40KHz= 0.01mm;

3）焊接压力：可通过压力装置调整，压力越大，能量越大;

4）焊接时间：可通过控制系统调整，时间越大，能量越大;

5）保压时间：保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间，时间越长，形成的焊点越稳定。

1.6 超声波焊接特性

1）优点：①节能环保;②成本低、效率高，易实现自动化生产;③焊接速度快、焊接强度高;④焊点美观，可实现无缝焊接，防潮防水，气密性好;

2）缺点：①对于焊接工件的材料有限制（熔点相近）;②不可焊接面积较大的产品;③超声波对人体听力有危害，需配备防护措施;

1.7 超声波焊接常见失效模式（表1）

2 激光焊接

2.1定义

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法[2]。早期由于费用昂贵，技术复杂，无法与普通焊接工艺相竞争，近几年技术逐步成熟，成本降低，才慢慢得到各制造行业的欢迎。

2.2 分类

较常见的激光焊接方式有轨迹式激光焊接、同步式激光焊接和准同步式激光焊接[3]。

1）轨迹式激光焊接：又名顺序型轴线焊接，是指焊接件和激光束按照预定的路线进行相对移动而完成的焊接;

2）同步式激光焊接：是指焊缝同时被多束激光照射加热的焊接方法;

3）准同步式激光焊接：是轨迹式激光焊接和同步式激光焊接两种方式的结合。

2.3 工艺原理（过程）

1）将待焊接的两个部件通过上下焊接工装分别固定，然后上下工装闭合，将待焊件夹紧在一起;

2）通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，将激光器产生的红外激光束（波长810-1064nm）聚焦在待焊接区域;

3）红外激光穿过上方的透射材料，然后被下方的吸收材料吸收，吸收的光能随即转化为热能，将两个部件的接触表面熔化，形成焊接区[4];

4）持续施加压力，最终使上下部件熔接在一起（如图3所示）。

2.4 焊接设备

激光焊接根据不同的焊接方式，对应不同的焊接设备，但基本都由激光系统、焊接系统、空气净化系统和控制系统几大部分组成（如图3所示）。

2.5 工艺参数

激光焊接的工艺参数较多，影响焊接质量的关键工艺参数主要有：激光功率（激光波长）、焊接速度、焊接压力和塑料材料等几种。

1）激光功率：激光焊接中存在一个激光能量密度阈值（与材料有关），低于此值，熔深很浅;一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高;激光焊接一般采用Nd：YAG激光、CO2激光或者半导体激光作为光源，其中CQ2激光最大功率能达到50KW;

2）焊接速度：焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿;

3）焊接压力：是保证激光焊接后，上下两工件粘接熔和效果的关键参数，通常来说越大越好，但焊接压力过大也会导致溢料严重，影响外观;

4）塑料材料：为了实现激光焊接，灯罩材料必须能够对激光有极高的透过率，而壳体材料则必须对激光有极高的吸收率，若材料本身对激光能量的吸收率不足，则可通过添加吸收剂来满足要求。

2.6 激光焊接特性

1）优点：①效率高、精度高;②焊缝美观，溢料少;③产品外形无限制，而且容易控制，易形成自动化;④可焊材质种类范围大;

2）缺点：①对焊件位置精确度要求高，必须在激光束范围内;②树脂材料的颜色会对焊接性有影响;③设备昂贵。

2.7 激光焊接常见失效模式（表2）

参考文献：

[1]张胜玉.塑料超声波焊接技术（上）[J].橡塑技术与装备，2015，41（08）：7-16.

[2]郑喜军.激光焊接技术综述[J].河南科技，2013（07）：38-40.

[3]朱彩萍，丁浩.车灯材料激光焊接研究[J].汽车零部件，2019（02）：42-44.

[4]刘彧.激光焊接技术在车灯领域的应用[J].科技创新与应用，2015（20）：137.