紅外焊接技術(shù)在汽車內(nèi)飾件制造加工中的研究與應(yīng)用

沈琳燕

(上海延鋒金橋汽車飾件系統(tǒng)有限公司，上海 201206)

紅外焊接技術(shù)在汽車內(nèi)飾件制造加工中的研究與應(yīng)用

沈琳燕

(上海延鋒金橋汽車飾件系統(tǒng)有限公司，上海 201206)

主要介紹自主研發(fā)的燈泡式紅外焊接技術(shù)的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，并闡述該技術(shù)工藝在汽車內(nèi)飾件制造加工中的性能表現(xiàn)和應(yīng)用。

塑料；紅外焊接；制造；汽車

隨著塑料材料的廣泛應(yīng)用，如何連接塑料使之滿足塑料件外觀及使用性能的要求且操作簡(jiǎn)單已成為塑料連接技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵性問題。除了機(jī)械緊固和粘接等連接手段，塑料焊接技術(shù)在工業(yè)界及科研界已得到越來越廣泛的重視。常用的塑料件焊接方法有超聲波焊接、熱樁焊、熱板焊等[1]。這些方法通?？捎糜谌魏晤愋偷臒崴苄圆牧?，常見的有聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯等，且焊接效果還與塑料中是否添加玻纖、滑石粉及其填充物含量有關(guān)。以上焊接工藝均可使塑料熔融并成型，但是生產(chǎn)成本較高，且有些塑料會(huì)拉絲或粘在焊頭上。

為了克服以上焊接缺點(diǎn)，紅外焊接工藝正在被人們熟知并廣泛應(yīng)用，紅外焊接技術(shù)的來源是紅外線照射燈光，熱傳輸模式是安全型的輻射。本文所描述的紅外焊接技術(shù)采用精確定向的紅外光均勻地加熱塑料焊接柱，再由低壓氣缸驅(qū)動(dòng)焊頭冷壓成型。

1 紅外焊接技術(shù)原理

1.1 焊接單元的構(gòu)成

本文所描述的紅外焊接技術(shù)，其焊接單元由鍍金反射套、焊頭、反射器、燈座、氣缸耦合器、主體、磁鐵、氣缸、導(dǎo)電螺栓組成，如圖1所示。其中，鍍金反射套用于集中平行向下的紅外燈光，上直徑32 mm，下直徑15 mm，下端收緊部位角度45°，該反射套方便拆卸，易于檢查焊頭狀態(tài)；反射器用于反射從點(diǎn)光源發(fā)射出來的紅外燈光，使之平行地向下反射，承受焊頭下壓時(shí)氣缸耦合器對(duì)下部產(chǎn)生的壓力；氣缸耦合器用于連接壓頭，并通過磁鐵控制焊頭復(fù)位，通過氣缸控制焊頭下壓。

1.2 紅外焊接原理

紅外焊接技術(shù)的主要基本步驟為：夾緊、加熱、成型、復(fù)位，如圖2所示。

(1)夾緊

焊頭下降至產(chǎn)品表面，反射套套住焊柱，如圖2a所示。塑料件通常存在尺寸波動(dòng)問題，該紅外焊接技術(shù)在焊柱被加熱前被部分壓緊，確保工件在加工過程中兩個(gè)對(duì)焊的工件位置被固定，可彌補(bǔ)工件由于尺寸波動(dòng)而造成的翹曲變形。

(2)加熱

該紅外焊接技術(shù)可加工所有帶顏色或者半透明塑料材料[2]。其中深色不透明的材料吸收紅外能量的速度比淺色半透明材料更快，加熱周期更短。熱量來源于一個(gè)12 V、100 W的工業(yè)級(jí)鹵鎢燈，當(dāng)燈泡通電時(shí)，紅外光從燈泡發(fā)出通過焊頭四周的金屬反射罩垂直向下，再集中反射到整個(gè)焊柱上，如圖2b所示。每個(gè)焊接單元都可以獨(dú)立加熱，過程控制參數(shù)可獨(dú)立設(shè)置。

(3)成型

紅外照射技術(shù)，焊頭下壓，同時(shí)吹氣冷卻。焊頭模腔的大小，是根據(jù)焊柱的體積來設(shè)計(jì)的，確保每個(gè)焊柱可以形成一個(gè)飽滿的焊頭。金屬反射罩是鍍金的，更容易集中并反射紅外線能量，它的位置和冷卻氣流確保反射罩保持一個(gè)合理的溫度，從而可把塑料的熔融熱量快速導(dǎo)出。當(dāng)材料中填充玻纖時(shí)，焊頭需采用鋼材料，有效降低磨損[3]。

焊頭模腔有幾種不同的幾何形狀。對(duì)于圓形的焊柱，半球鉚焊和翻邊鉚焊比較常見，兩者在焊接強(qiáng)度上比較接近。事實(shí)上，焊柱通孔直徑的大小往往會(huì)影響連接處的連接強(qiáng)度，這種影響比焊頭形狀的影響大很多。半球形設(shè)計(jì)最大限度地減小了塑料的位移，但缺乏一個(gè)中心定位點(diǎn)，這將降低其敏感性，焊柱往往是稍微偏離中心的。

焊接深度可以通過以下幾個(gè)方面調(diào)整：①整個(gè)焊接單元與設(shè)備連接處的螺栓。②壓頭的長(zhǎng)度。③控制壓頭下壓的氣缸壓力大小。壓頭下壓深度的調(diào)節(jié)也與加熱時(shí)間有關(guān)。加熱時(shí)間越長(zhǎng)，壓頭下壓深度可相應(yīng)調(diào)?。环粗?，加熱時(shí)間越短，所需下壓深度越大。

(4)復(fù)位

在焊點(diǎn)冷卻凝固成型保持其形狀和結(jié)構(gòu)后，焊頭復(fù)位。此處金屬反射罩還有一個(gè)功能，可以壓住焊點(diǎn)四周，保證不隨焊頭一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)焊頭復(fù)位后，金屬反射罩才會(huì)隨同一起復(fù)位。

1.3 紅外焊接的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)安全性

該種紅外焊接模塊是通過輻射的形式將燈泡發(fā)出的紅外能量傳遞給焊柱，由于工作區(qū)域是封閉式的，一旦開始作業(yè)，操作人員將無法進(jìn)入紅外能量聚焦區(qū)域。由于金屬反射罩表面有一層鍍金層，即使操作人員接觸到紅外焊接模塊的外表面，其表面溫度也是安全的。

(2)能量利用率高

該紅外焊接工藝可以精確地集中紅外能量，以最大限度地減少能耗。此外，使用該設(shè)備前無需預(yù)熱，焊接結(jié)束后只需要使用少量的冷卻空氣，最大限度地減少所需壓縮空氣的量。如表1所示，對(duì)比熱鉚焊接、超聲波焊接，該紅外焊接技術(shù)所需的能耗最少。

表1 不同焊接工藝的能耗對(duì)比

焊接工藝熱源工作電壓/V功率/W預(yù)熱紅外焊接射燈12100無需熱鉚焊接熱電阻22025030min超聲波焊接超聲波發(fā)生器2201100無需

(3)過程控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高

該紅外焊接技術(shù)加熱均勻，紅外能量只能集中照射在焊柱的一部分，熱量通過焊柱逐步往下擴(kuò)散，因此對(duì)產(chǎn)品A面影響極小。對(duì)于不同形狀的焊柱，只需要調(diào)整金屬反射罩和焊頭的幾何形狀和尺寸即可。

該紅外焊接工藝的參數(shù)設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單，紅外燈傳輸?shù)胶钢哪芰坑杉訜釙r(shí)間決定，另一個(gè)參數(shù)是影響熱循環(huán)的冷卻氣流開放時(shí)間。在焊頭下壓的同時(shí)，冷卻氣流通過紅外發(fā)生裝置，可以穩(wěn)定燈泡和燈座的溫度并保持在金屬反射罩上有正壓力。正壓力可以保持表面清潔，隔絕空氣中的污染物；冷卻空氣有利于控制焊柱的表面溫度，防止溫度過高；最重要的是，冷卻氣流可以使焊頭保持較低的溫度，當(dāng)焊頭和熔融的焊柱接觸時(shí)，可以有效地分散塑料的熱量。

此外，紅外控制器可以有效地監(jiān)控加熱環(huán)節(jié)中每個(gè)模塊的電流消耗，如發(fā)生電流過載，設(shè)備會(huì)報(bào)警并停止生產(chǎn)。每個(gè)紅外單元內(nèi)配備有一個(gè)傳感器，用于探測(cè)焊頭在焊接時(shí)是否動(dòng)作到位，焊接結(jié)束后是否復(fù)位。

1.4 紅外焊接的局限性

由于熱塑性材料加熱后有揮發(fā)性物質(zhì)粘附到金屬反射罩內(nèi)層，影響輻射加熱的效果，因此在使用一段時(shí)間后需拆卸焊接單元，對(duì)燈座、反射罩、聚光器等元器件進(jìn)行清潔維護(hù)。

金屬反射罩頭部的尺寸在13～31 mm，如果焊柱與產(chǎn)品周邊結(jié)構(gòu)過近，將無法實(shí)用該種焊接技術(shù)進(jìn)行焊接，經(jīng)驗(yàn)證，焊點(diǎn)之間須留出空間約33～60 mm見方內(nèi)只能有一個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行焊接，否則只能分步焊接。此外，由于焊接結(jié)構(gòu)的局限性，該方法只能用于塑件鉚焊。

2 紅外焊接技術(shù)的參數(shù)研究及應(yīng)用

紅外焊接技術(shù)以其特有的優(yōu)勢(shì)越來越受到市場(chǎng)的青睞，其主要之一長(zhǎng)處是它采用非接觸式的加熱方法對(duì)塑料工件進(jìn)行加熱，經(jīng)壓合冷卻后即完成焊接，并可獲得極高的焊接強(qiáng)度[3]。由于產(chǎn)品形狀的不一致，無法直接考量產(chǎn)品焊接強(qiáng)度用于橫向研究，故本文以單點(diǎn)拉脫力的形式對(duì)單點(diǎn)力值進(jìn)行對(duì)比分析，尋求該紅外焊接技術(shù)合適的加工工藝參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)材料及方案

2.1.1 試驗(yàn)材料

本焊接試驗(yàn)所選取的材料為汽車行業(yè)普遍運(yùn)用的PP-EPDM-T20，是一種改性的PP材料，橡膠增韌含20%滑石粉的專用改性材料，表2為試驗(yàn)材料在室溫下的力學(xué)性能指標(biāo)。

表2 PP-EPDM-T20室溫下力學(xué)性能

密度/(g/cm3)成型收縮率/(%)拉伸強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa1．03～1．071．22535

2.1.2 試驗(yàn)方法

為了提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，根據(jù)產(chǎn)品大小制定單點(diǎn)拉脫力的試驗(yàn)方案如下：

(1)以焊點(diǎn)為中心，取邊長(zhǎng)60 mm×60 mm的正方形劃線，然后將焊點(diǎn)分別切開編號(hào)，如圖3所示。

(2)在正方形樣條上根據(jù)模板打孔，并穿入300 mm的細(xì)繩后打結(jié)。

(3)將樣條平放并固定在測(cè)力設(shè)備的夾緊工裝上，隨后把細(xì)繩掛在測(cè)力設(shè)備的掛鉤上，以500 mm/min的速度勻速向上提拉直至焊點(diǎn)脫開。

(4)電腦顯示屏反饋單點(diǎn)拉脫力的力值曲線及最大力值。

2.2 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

整個(gè)焊接過程中，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，焊柱所吸收的總熱量越大，其熔融程度越好，在時(shí)間模式下，焊接所達(dá)到的深度越深[3]；在適當(dāng)?shù)募訜釙r(shí)間下，保壓時(shí)間越長(zhǎng)，焊點(diǎn)越飽滿，其所呈現(xiàn)的焊點(diǎn)質(zhì)量越好[4-5]。因此，加熱時(shí)間、保壓時(shí)間的相互關(guān)系和工藝窗口的選擇是項(xiàng)目前期開發(fā)過程中的一項(xiàng)重要任務(wù)。

由于試驗(yàn)條件有限，本文設(shè)定焊接壓力、燈泡照射功率一致，并選取工件上的相同位置點(diǎn)，通過單因子法研究不同加熱時(shí)間、不同保壓時(shí)間的相互關(guān)系，依托單點(diǎn)拉脫力的測(cè)試結(jié)果分析并探索每個(gè)焊點(diǎn)的最佳工藝參數(shù)范圍。

2.2.1 加熱時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量的影響

圖5為焊點(diǎn)位置、焊接壓力、紅外照射功率、保壓時(shí)間一定的情況下，單點(diǎn)拉脫力隨加熱時(shí)間的變化曲線。加熱時(shí)間為5～8 s時(shí)，單點(diǎn)拉脫力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)繼續(xù)加長(zhǎng)加熱時(shí)間，焊柱表面溫度逐漸接近材料本身的降解溫度，當(dāng)完成一個(gè)焊接循環(huán)后，焊點(diǎn)嚴(yán)重拉絲，無法形成完整的焊點(diǎn)，與拉脫力數(shù)值急劇減小的結(jié)果相吻合；圖6展示了加熱時(shí)間為5、6、7、8 s時(shí)的焊點(diǎn)質(zhì)量對(duì)比，顯而易見，隨著加熱時(shí)間的加長(zhǎng)，焊點(diǎn)逐步加深，且伴隨著拉絲現(xiàn)象出現(xiàn)，焊點(diǎn)外觀不夠飽滿。

2.2.2 保壓時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在生產(chǎn)過程中，縮短制造節(jié)拍是提高生產(chǎn)效率的一項(xiàng)有效措施，因此在項(xiàng)目前期開發(fā)中，應(yīng)盡可能減少加熱時(shí)間，并在不影響節(jié)拍的前提下延長(zhǎng)保壓時(shí)間，在本文所述的紅外焊接系統(tǒng)中，保壓時(shí)間即為設(shè)備界面上的冷卻延時(shí)時(shí)間。當(dāng)保壓結(jié)束后，整個(gè)焊接單元緩慢上升過程中，以不斷吹壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接單元的冷卻，直到下次焊接開始后再結(jié)束。

圖7是焊接壓力、紅外照射功率一定，加熱時(shí)間分別為5 s和6 s時(shí)，單點(diǎn)拉脫力與保壓時(shí)間的關(guān)系曲線，當(dāng)保壓時(shí)間≥1 s時(shí)，兩種加熱時(shí)間下的單點(diǎn)拉脫力值不再隨保壓時(shí)間的增加而呈現(xiàn)遞增規(guī)律，且兩種加熱時(shí)間的單點(diǎn)拉脫力值在同一區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)焊點(diǎn)呈現(xiàn)出力學(xué)性能和外觀均良好的狀態(tài)，滿足焊接強(qiáng)度要求。

2.3 紅外焊接技術(shù)的穩(wěn)定性驗(yàn)證

在制造業(yè)加工過程中，工藝穩(wěn)定性是生產(chǎn)制造穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是工廠提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量保障的先決條件。由圖7可知，加熱時(shí)間在5～6 s，保壓時(shí)間在1～4 s時(shí)單點(diǎn)拉脫力平均值為282.2 N，方差為49，故擬制定該材料在本文所述紅外焊接工藝下的單點(diǎn)拉脫力標(biāo)準(zhǔn)為282±50 N。

在隨后的小批量生產(chǎn)中，對(duì)以上工藝窗口生產(chǎn)的樣件進(jìn)行單點(diǎn)拉脫力抽測(cè)并繪制SPC圖以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，如圖8所示，過程特性服從穩(wěn)定的隨機(jī)分布，其Cpk=1.42，Ppk=1.36，滿足汽車內(nèi)飾件制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程的SPC要求。

3 結(jié)語

(1)該種燈泡輻射的紅外鉚焊技術(shù)可焊出焊點(diǎn)飽滿，焊接拉脫力滿足焊接強(qiáng)度要求，產(chǎn)品A面符合外觀要求的產(chǎn)品。

(2)總體節(jié)拍較快，單點(diǎn)焊接節(jié)拍不超過10 s，優(yōu)于普通的熱鉚焊，是汽車制造業(yè)中比較優(yōu)質(zhì)的一種鉚焊工藝。

(3)加熱時(shí)間越長(zhǎng)，焊柱所吸收的總熱量越大，其熔融程度越好，在時(shí)間模式下，焊接所達(dá)到的深度越深；在適當(dāng)?shù)募訜釙r(shí)間下，保壓時(shí)間越長(zhǎng)，焊點(diǎn)越飽滿，其所呈現(xiàn)的焊點(diǎn)質(zhì)量越好；加熱時(shí)間越長(zhǎng)，焊接單元的下降高度可相應(yīng)減小，反之加熱時(shí)間越短，所需的下壓深度越大。

[1]馬冬玲, 趙高明, 益小蘇. 塑料焊接方法及其機(jī)理[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用, 1993(3):49-53.

[2]Scott Beute.The InfraStake Process[EB/OL]. 2008.7/2011.6.

[3]《現(xiàn)代塑料》編輯部. 塑料焊接技術(shù)的新進(jìn)展[J].現(xiàn)代塑料, 2015(6):20-22.

[4]Yeh, Hong Jun. Infrared welding of polyethylene pipes using radiant heater[C]. Annual Technical Conference-ANTEC, Conference Proceedings,v1, Processing, 1996:1245-1249

[5]Yeh H J. Infrared welding of polyethylene pipes[J]. Plastics Engineer,1997,53(3):103-105.

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Study and application of the infrared welding in the automotive interior manufacturing

SHEN Linyan

(Shanghai Yanfeng Jinqiao Automotive Trim Systems Co.， Ltd., Shanghai 201206,CHN)

This paper describes the principle and its advantage and disadvantage of infrared welding technology, and the performance and application in the automotive interior parts manufacturing.

plastic; infrared welding; manufacturing; automotive

TB472

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.028

沈琳燕，女，1984年生，碩士，高級(jí)工程師，主要從事新項(xiàng)目工藝開發(fā)。

穎) (

2016-06-21)

161236