灯具超声波焊接结构研究.pdf

1、Equipment Manufacturing Technology No.7袁20230引 言随着现代汽车工业不断发展，对于重量及生产效率有越来越高要求，车灯作为汽车上重要部件也同样有轻量化及高效生产要求。车灯上大部分由塑料注塑成型，超声波作为一种塑料件连接方式，比起粘胶连接、热板焊接、振动焊接及激光焊接具有更高生产效率及更好成本优势、更低生产产地要求，因而越来越多灯具使用该工艺。1超声波焊接技术及设备简介1.1 超声波焊接原理超声波焊接（图 1）一般是由通过超声波发生器将 50 60 Hz 低频电流通过转换发出高频电能，将转换高频电能通过换能器换为同等频率的机械振动，使得焊接表面区域接收到

2、高频能量发生快速振动，塑料件在振动摩擦过程中所产生的热量在连接处有局部高温，并通过上方压力使得塑料件以凝固方式形式焊缝将零部件连接一体，其中焊接过程可以大致分为四个阶段（图 2）：融化阶段、耦合阶段、稳定融化阶段和保压冷却阶段1，2。超声波焊接特点是焊接完成强度能接近于原材料强度，焊接材料不会因焊接发生质变，保持原有材料塑料特质，对焊接完成产品的弹性和机械强度影响很小，符合现代灯具生产工艺需求3，4。1.2 超声波焊接设备超声波焊接设备大体可以分为压力机、发生器、换能器、变幅杆、焊头和零件支撑工装等（图 3）。超声波发生器如上文所述主要是工频电压转变为超声波电压。其次由换能器、变幅杆、焊头组成

3、焊接套件，主要是提供超声波振动，并且套件振动频率需要匹配来自发生器的信号频率；套件中换能器通过逆压电效应将超声波发生器的超声频电压转为同频率的机械振动，其零件组成一般为两块金属中间压着压灯具超声波焊接结构研究马铭茂（南宁燎旺车灯股份有限公司，广西 南宁 530007）摘要：随着科技发展，汽车灯具中塑料占比越来越多，占地小、耗能低且效率高的超声焊接使用越来越广泛，超声波焊接可靠性主要三个要素分别是焊接材料、焊接工艺及焊接结构设计。该研究着重对灯具中三维设计中焊接结构尺寸及配合间隙变化对于超声波焊接生产影响作出探究，通过设计不同导能筋尺寸及配光镜与灯壳之间预留焊缝深度对焊接影响，通过实际生产验证：

4、使用相同材料、相同工艺但不同焊接结构的两个产品，不同焊接结构对于焊接可靠性差异，并结合两款产品差异性给出之后焊接结构设计优化方案，最终达到提升焊接强度及生产合格率提升的效果。关键词：超声波焊接；塑料；汽车灯具；焊接可靠性中图分类号：TG456文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0256-04收稿日期：2023-03-20作者简介：马铭茂（1981-），男，广西都安人，研究方向：焊接结构设计.图 2超声波焊接 4 个阶段图 1焊接基本原理20kHz超声波发生器50/60Hz焊头调幅器换能器256装备制造技术 2023 年第 7 期电陶瓷片，在电极提供的正弦电信号压电片会伴

5、随膨胀收缩，产生 15 20 滋m 的轴向运动；套件中变幅杆作用是放大机械振动并传递给焊头及提供焊头在焊接压力机上安装位置；套件中焊头是向待焊零件提供能量装置，并在多数焊接应用中也起到放大机械振动作用。压力机作用是固定焊接套件并给焊接零部件施加焊接压力，压力机底座作用是焊接过程中支撑零件，是为了防止零件在振动作用下发生位移，通常是加工成紧密匹配零件表面轮廓的形状。2车灯超声波焊接影响因素影响超声波焊接的因素很多，其中不单单有超声波焊接工艺参数：如频率、振幅、焊接时间、保压时间、焊接压力等，还有材料本身的性质，焊接结构设计等影响因素5-7。2.1 材料性能影响因素灯具超声波焊接可靠性可以大致通过

6、下方塑料焊接性能的表征公式分析G=滋姿KE籽ct式中，G 为产品零件的可焊性，系数越高代表焊接性能越好；K 为焊件形状因子，取决于焊件的壁厚、尺寸大小及焊头的形状尺寸；E 为塑料的弹性模量，GN/m2；姿 为焊接塑料导热系数，W/（m益）；滋 为焊接塑料的摩擦因数；籽 为焊接塑料的密度，kg/m3；c 为材料比热容属性即 1 摩尔物质升高 1 开尔文所需热量，J/kg k；t 为焊接材料熔点，k。由上表可以看出材料性能会直接影响影响到超声波焊接可靠性，从塑料焊接性能表征公式及日常验证实验，可以看出塑料件物理性能会会直接影响焊接，焊接性能 G 与材料弹性模量 E、塑料件的摩擦系数 姿、导热系数

7、滋 呈正比关系即物理性能越好焊接可靠性越高，对于材料熔点、比热容及密度等参数成反比关系。因此一些刚度高材料，焊接可靠性能更优，因为其传递超声波能量性能更优，反之一些柔性材料因为能量衰减在焊接区域能量不足，会导致产品焊接不良。2.2 塑料种类影响焊接零件材料种类对于焊接可靠性有直接影响，从图 4 中看出并非所有材料可以进行超声波焊接，材料构成分子结构约为相近、相容性越好焊接性能越好，在选择超声波焊接工艺时，对玻壳材料选择需要参考附表所示材料，避免后期出现焊接不良的问题。2.3 焊接工艺影响超声波工艺包含有焊接频率、振幅、焊接时间及焊接压力等参数，每个灯具良好焊接需要针对于不同的形状、尺寸及焊接材

8、料等进行调整，才可以获得最佳焊接产品。焊接频率在常用的有 15 80 kHz，车灯塑料大多为非结晶材料，因此 15 20 kHz 是常用频率，因为低频率有更高的谐振波长并且超声波在零件衰减也大大降低。振幅是超声波焊接的关键，焊接中高振幅用于开始材料熔化，低振幅用于控制熔化材料黏度，一般对于焊接上增加振幅可以有效提高焊缝质量减少焊接时间。焊接时间是指施加振动时间，保焊接时间控制是避免时长不足导致焊缝的连接强度不足问题。3车灯数据及实例焊分析灯具焊接结构设计是超声波焊接的重要影响因素，整体结构设计应在零件处于开发阶段时就进行整体布局设计，并作为后期开发及沟通造型中的硬点属性进行设计。3.1 常见焊

9、接接头形式超声波焊接有各种类型接头设计且每一种都有其具体的特点和优点，灯具常用几种接头方式不可少的是导能筋（也称导熔线、超声线）。其作用主要有：首图 4材料之间焊接性能图 3超声波焊接设备控制装置超声波发生器超声波发生器换能器变幅器焊头产品底座257Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023先，使初始接触面限制在较小区域能并且可以使得超声波能量更为集中在该尖角区域部分，使得焊接循环过程中，超声波能量更为聚集更容易将导能筋融化；其次，能较好避免虚焊产生，提升焊接强度，灯具有导能筋焊接发生虚焊，其外观会体现出段差，使得质检人员更容易发现问题，避免故障件

10、外流造成损失；再次，使用导能筋也可以使用更少能量完成焊接，而且导能筋使得连接区域焊缝更小就可以满足焊接要求，避免出现溢料、飞边的问题，使得焊接产品具有更好外观品质。车灯中采用接头设计的多为以下三种：对接接头（图 5）及阶式接头（图 6），还有较为少用的榫槽接头（图 7）。对接接头是指焊接区域凸起三角状导能筋垂直于焊接配合平面上进行焊接，该焊接接头形式最为常见，对接接头需要注意是对接接头导能筋连接强度大部分为导能筋底宽处，因此需要保证尖头部分尽量尖利，设计角度一般在 60毅依5毅可以使得导能筋宽度约为30%40%壁厚。导能筋建议放置于靠近超声波能量传递方向，可以更好焊接。如果是异种材料进行焊接，

11、一般建议将导能筋放置于起那个材料具有最高硬度或者更高熔点一侧。阶式接头是指在焊接接头成阶梯状，焊接时候塑料流入垂直间隙，这样会使得同材料同焊接状态下的焊接强度更优于对接接头，并且阶式接头的特性，其剪切强度、拉伸强度具有较好力学性能，并且叠放形式使得其具有更好外观，一般多用于需要有较高外观要求情况，比如焊接区域外露面或者是不能有飞边的焊接边界。但是由于阶式接头需要分成两块区域，因此要求厚度较高，一般最少需要 2 mm，建议厚度 2.5 3 mm。榫槽接头是指在焊接接头另外一侧开出凹槽进行定位的接头形式，该接头焊接产品是常见 3 种焊接接头的焊接性能最高，多用于扫描焊接或焊件内外侧不允许出现飞边情

12、况使用。3.2 产品数据对比分析使用对比两款产品，其设计塑料种类相同，整体外形尺寸基本接近，并且外观轮廓趋势造型基本相同，主要针对对接接头焊结构差异进行对比，已验证改善改良接头结构及导能筋对于性能提升作用。两款回复反射器皆使用对接接头。图 8 为旧设计方案中三维数据横断面截图，上侧配光镜配光镜与下侧灯壳在焊缝区域，设计装填成零贴未放置间隙，会造成实际焊接状态及设计状态出现偏差；并且其配光镜与周圈灯壳限位间隙放置 0.5mm，导能筋设置角度 70毅并且顶部区域未有倒圆，实际模具加工中是存在圆角难以加工成完全尖角形式，并且由于没有给定 R 角数值，反而会造成该处圆角偏大，或者是使用镶块形式进行拼接

13、可以实现尖角，但是镶块会造成拼接位置有飞边问题使得焊接面不齐平，设计状态灯壳焊接平面为光滑平面。图 9 为优化设计后横断面数据，上侧配光镜配光镜与下侧灯壳在焊缝区域，根据灯具大小设计间隙焊缝厚度约 0.2 mm，保证灯具焊接完成状态接近设计状态；配光镜与周圈灯壳限位间隙 0.5 mm，局部增加限位筋与配光镜间隙 0.2 mm，保证需要对齐边界配光镜和灯壳焊接时候不出现位移问题；导能筋设计角度 58毅（符合规范 60依5毅）顶端区域制作 R0.2 圆角更符合实际模具需求，并且在灯壳焊接平面增加磨砂花纹：Branson 600-Mold Tech 11050-6（深度 0.15mm）。3.3 实例

14、分析两例回复反射器焊接使用相同材质分别为配光镜 PMMA（罗姆化学 8N）及灯壳 PC+ABS（科聚孚R3），使用相同焊接设备，使用 20KHZ 进行焊接，设置相同焊接压力，焊接时长 1.5 s，分别制取成品。对产品超声波切割机横向切割回复反射器成品，获取样件横向断面。图 10 可以看出，优化前玻壳超声波焊接的配光镜连接灯壳焊接深度较浅，并且边界区图 5对接接头图 6阶梯接头图 7榫槽接头图 8优化前结构设计配光镜（0.5）70毅灯壳258装备制造技术 2023 年第 7 期域飞边溢料较多，而且可以看出配光镜与灯壳位置相对于设计状态有一些偏移；图 11 是优化结构后回复状态，对比图 10 焊筋

15、深度更高并且周圈飞边溢料小，外观状态更好，相对位置居中更为接近设计状态。连接强度测试，随机抽取 3 套样对产品进行冲压测试，不断增加填充压力直至产品开裂，以便获取产品耐受最高承受压力极限，测试统计值见表 1，进行焊接结构调整后回复反射器具有更好的焊接性能，玻壳连接强度更高，具有更好连接刚度能耐受更高冲击性。表 2 为批量化生产不良产品数量对比，两个产品生产工艺按照相同参数调试生产且生产材料为相同厂家批次，排出一些因为生产过程中由于生产工人熟练度差异、注塑环节产品优劣差异，可以明显看出优化过后的产品合格率高于旧结构产品合格率，可以表明优化焊接结构对于生产产品合格率有显著提升。4结 论随着汽车工业

16、发展扩大，汽车灯具也随着不断发展，超声波这种高效、节能生产工艺使用越来越多，针对越来越高的要求，对于焊接状态质量也有多要求。超声波工艺要求也要不断提升，焊接可靠性三要素材料性能、零件焊接结构设计及工艺调整参数，材料会按照灯具造型外观及相应技术要求基本锁定，后端的生产设备及生产工艺也是日趋成熟，调整幅度较小，因而焊接结构设计就显得更为重要，对于日常出现相应问题要做好总结归纳，不断提升设计水平，提升超声波焊接生产可靠性。参考文献：1 张胜玉.塑料超声波焊接技术C.2014 年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集，2014：301-309.2 万旭.塑料超声波焊接工艺研究J.科技风，2020（24）

17、：132-133.3 玉大辉，罗杰，滕祺，等.超声波焊接在灯具生产中的应用解析J.轻工科技，2014，30（7）：123-124.4 南剑，罗华，罗堂清，等.塑料超声波焊接加工的工艺参数研究进展J.机电工程技术，2019，48（9）：4-5，84.5 卞迎春，雷玉成.汽车塑料件超声波焊接技术J.焊接，2020（3）：46-49，67.6 韦明凤，黎景华.汽车外饰塑料件超声波穿刺焊应用J.装备制造技术，2020（9）：194-197.7 张想，谭伟超，石绍伟，等.塑料超声波焊接技术的研究分析J.橡塑技术与装备，2023，49（2）：46-48.图 10优化前回复反射器图 11优化后回复反射器表 1冲压测试对比数值123结构优化前承受压力值/MPa4.24.04.5结构优化后承受压力值/MPa5.15.55.3生产总数350550400420380结构优化前焊接不良产品数（套）61512148结构优化后焊接不良产品数（套）27653表 2生产总数及不良产品数统计图 9优化后结构设计0.50.20.258毅半径 0.2灯壳配光镜259