陈纯青
柳州裕信方盛汽车饰件有限公司 广西 柳州 545006
摘要：汽车内外饰所用到的大多是塑料制品，塑料成型有成本低，效率高的特点。塑料根据自身特性分为热固性材料和热塑性材料，其中的热塑性材料聚丙烯应用尤为广泛，汽车的仪表板、门板、前后蒙皮等大型塑料件中，基本上都使用聚丙烯。塑料件的广泛应用，需求要有可靠的连接方式，常用塑料的连接方式有螺钉、卡扣等紧固件连接，有振动摩擦焊连接，有超声波焊接。其中，螺钉、卡扣等连接简单，成本低，为最常见应用，振动摩擦焊和超声波穿刺焊成本高，需要对应开发设备，由于焊接连接可节省空间，塑料件超声波焊接应用日益广泛。
关键词：超声波焊接；塑料件；扰流板
1.目的和意义
塑料件超声波穿刺焊是一种高效、稳定的连接方式，零件结构或者焊接效率需求不同对焊接设备选型方案影响非常大。结合外饰零件的焊接特点，对焊接原理及工艺方案进行分析，明确焊接结构与材料的要求，提出最优焊接工艺设备选型方案。超声波焊接工艺的特点决定焊接设备无法标准化，现在市场上充斥不同类型的焊接设备，不同焊接设备的成本千差万别。本文通过研究超声波焊接的原理，不同形式的焊接实现方法，寻求焊接设备最优的开发形式，在设备的设计及优化过程中提供可借鉴的参考，从而达到缩短设备开发周期，减少设备开发成本，提高设备使用率的目的。
2.超声波焊接原理
超声波焊接是由50Hz~60Hz低频电流经过超声波发生器转换为15kHz~70kHz高频电流，高频电流经过换能器转换成焊接需要的机械振幅，振幅经调幅器和焊头进一步放大，达到塑料熔融所需的振幅，即可实现塑料的焊接。超声波发生器是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作，超声波发生器成本高，市场上面常见及常用的都是国外品牌，超声波发生器数量的多少决定了超声波焊接设备的大部分成本。换能器主要有陶瓷晶片和传动头，电能令陶瓷片不断膨胀收缩，带动金属部件膨胀收缩形成振幅，相对于超声波发生器，换能器的成本要少得多。最终与零件接触的是焊头，焊头材料一般是钛合金、铝合金或者钢，焊头在一定的压力下，使塑料和塑料的分子相互撞击摩擦而产生能量，熔融塑料，然后冷却成型，即可达到焊接效果。
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图1超声波焊接原理
3.焊接结构和材料要求
塑料件多用于内外饰，这些零件有一个特点，既需要满足一定的强度，又要满足外观要求。所以焊接的变形量需要控制，焊接的强度也要满足要求，在一般设计塑料件的焊点时，根据零件的大小，焊点区域有4dm2~50dm2不等，在如此狭小的区域要满足焊接强度及外观要求，零件设计就要有一定的结构，最常采用的结构是零件设计导熔线，导熔线不仅能让有效连接面积加大，增大强度，还能防止溢料，改善焊接外观。
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图2导熔线设计
4.焊接设备
焊接设备通常为非标设备，需要依据产品的结构不同对应进行设计，焊接设备通常有以下几部分组成，焊接机架、焊接胎模和焊接单元组成，目前常用的焊接设备有机器人焊接，焊接机器人把焊头装在机器手臂上，超声波发生器，换能器与机架部分结合，机架工作台上是零件定位的胎模，实现产品的焊接。另外的一种常用设备是焊接专机，该种设备可以延伸为通用机，把焊头和零件定位的胎模集合成为一个统一的模具，机架和超声波发生器集合成为一体，整个设备就如压机设备一样，设备和模具的接口设计标准化，即可实现焊接不同的产品通过焊接模具切换完成。在外饰零件的焊接中，主要焊接零件是安装零件的支架，如雷达探心支架、雾灯和大灯支架等，根据安装零件大小的不同，单点焊点需要的拉脱力最少需要100N以上，对于安装大型零件的支架焊接，单点焊接力需要150N或者更大的拉脱力，仅设计产品的导熔线还不能完全满足焊接强度等需求，在材料的选择上也要正确。焊接是塑料熔融后冷却成型连接，材料分子极性不同会造成强度不足，相同材料的焊接性能是最优良的，做产品设计时优先采用相同的材料，就比如聚丙烯材料零件上的焊接，对应零件材料推荐使用聚丙烯，如果使用ABS材料，就达不到焊接效果。
焊接胎模作为零件的定位部分，其实对零件焊接质量的影响非常大。如前蒙皮来,焊接后会出现变形情况，变形的大小是需要控制的，目前主机厂的基本要求是焊点处在特定的光栅下不能出现光栅扭曲，焊接变形大在光栅下可以看到光栅扭曲的现象，而胎模的设计可以优化零件的变形。胎模一般是仿零件形状设计，在保证零件定位准确的情况下，充分考虑人机工程的容易实现使用的材料大多为树脂，在焊点位置，由于零件是熔融冷却的，零件变形避免不了，为了减小变形量，焊接需要及时把热量散掉，这就需要胎模上镶嵌导热材料。黄铜有很好的导热性能，常用于散热。如果散热还不够，就需要对焊点进行吹气冷却。
5.焊接产品选择设备方法
产品的焊点一共52个，选用不同的设备形式焊接，对设备的开发成本和生产效率完全不同。单个焊点焊接，依据经验需要6s完成，焊接机器人焊接是串联的，完成一个焊点后在转到下个焊点继续焊接，效率低，焊接专机则相反，在设备设计所有焊点对应的焊头，焊接并联起来，一次完成所有焊点的焊接，不过由于要设计多个焊头，两个超声波焊头用一个超声波发生器的话，52个焊点至少需要26个超声波发生器。焊接机器人生产效率低，但是焊接机器人在实现产品的切换时有巨大的优势，新增产品，只要开发一套胎模，设置机器人对应的焊接程序，即可实现产品的焊接，这可以非常大的提高设备的利用率。而焊接专机，生产效率非常高，但是也有显著的不足，在焊点数量变多时，焊接设备的费用显著提高，而且这只能针对一个产品，在产品生命周期结束后，设备将难以改造利用。
结论
本文对目前焊接工艺、材料和设备做了简单说明，焊接设备的选型对于产品的开发成本及效率影响很大，目前产品开发周期越来短的情况下，车型推新越发加快，对于产品生命周期短的情况，推荐使用焊接机器人实现超声波焊接，这样在新产品开发时可利用机器人，投入焊接胎模等很小的成本即可实现新产品焊接，而对于焊点多的产品，产能大的产品，焊接专机是最好的选择，可以提高生产效率。
参考文献：
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