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汽车制造行业中的几种常见焊接方式

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发表时间:2016-07-06 10:45作者:李工 13510929282来源:深圳市恒波超声波设备有限公司技术部网址:https://www.chaoshengbohanjieji.com/h-nd-207.html

  一件塑料成品可能由多种材料或部件制成,要将各部件结合起来,可使用机械固定件、粘合剂及焊接工艺加工。在这三种接合方式中,机械固定件可快速将两种部件连接,但接缝的防漏功能较差,局部应力也会容易使聚合物材料之间脱离;粘合剂可形成防漏功能优良的接缝,可是其处理难度较大,固化速度慢。同时,采用粘合剂粘合时,接缝准备程序和表面清洁度要求较高;而焊接工艺的效果最佳,可产生粘合稳固的接缝,其力学性能接近于母体材料,且焊接形式多样,可根据不同材料、尺寸和用途而使用不同的焊接工艺。
  所谓塑料部件的焊接,就是采用加热的方式使两个热塑性塑料部件的表面同时熔融,在外力的作用下使两个部件结合为一体。塑料焊接工艺可分为两类:一是机械移动式焊接工艺,包括超声波焊接、摩擦焊接和振动焊接;二是外部加热式焊接工艺,包括热板焊接、热气焊接和植入焊接。根据加热方式的不同,还可以分为加热工具焊接、感应焊接、超声波焊接、高频焊接、热板焊接、激光焊接、振动摩擦焊接、红外线焊接、热桩焊接以及热风焊接等。
  
  在现代车辆的外装饰件、内装饰件、功能件与结构件上,到处可以看到塑料制件的影子。由塑料代替传统的金属材料,达到了十分突出的减重效果,这对于节约能源、降低温室气体排放都具有重要的意义。
  如汽车塑料进气歧管替代金属可减轻40%~60%的质量,且表面光清、流动阻力小,可提高发动机性能,并在提高燃烧效率、降低油耗和减振降噪方面都可起到一定的作用。据统计,汽车用塑料品种目前已达几十种,包括聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、ABS、尼龙和热固性复合材料等。平均每辆汽车塑料用量已占汽车自重的5%~10%,轻量化、安全性和装饰性的要求也带动了塑料焊接技术在汽车领域的发展。
 
  目前,塑料焊接技术已被成功地运用于汽车保险杠、仪表板和仪表盘、刹车灯、安全气囊、汽车工具箱、汽车门板以及其他与发动机有关的零部件制造工业中。随着许多传统使用金属的零部件开始用塑料代替,如进气歧管、仪表指针、散热器加固、油箱和过滤器等,塑料焊接领域的新技术应用及技术研究得到了非常好的发展机遇,低能耗、高效率、无毒且无污染的焊接设备将成为今后汽车焊接线上的技术进步趋势。

  红外线焊接
  
  在上述焊接工艺中,红外线焊接技能以其特有的优势而越来越受到市场的青睐,其一大长处是采用非接触式的加热方法对塑料工件进行加热。两个待焊接的零件表面在红外线的映照下可疾速凝聚,经压合冷却后即粘接在一起,并可获得极高的焊接强度。这就意味着即使是复杂的三维待焊接面也可以被塑化,相应地,很多采用其他焊接工艺不能完成的设计方案在此就可以被随意地完成。因此,红外线焊接技能特别适合用于复杂曲面的零件以及大型结构性塑料零件。经红外线焊接后的两个部件,它们之间的接合强度远比采用其他焊接工艺的强度要高。部件间的焊缝可抵达100%的气密性,因而不会有漏风或漏液体的现象发生。与汽车行业中常常采用的振动摩擦焊接相比,经红外线焊接的部件不会在焊缝处出现焊渣或飞边,因此极其适用于大型汽车零部件,如仪表板、中控台和门护板等,以及一些复杂曲面的小型部件,如过滤器、排风系统元件和刹车油盘等部件的焊接。作为一家具有多种焊接技能的制造商,德国FRIMO公司供应的红外线焊接设备是一种基于短波红外线的发生器,其特征是启动和封闭都非常快速。
  
  在疾速移动到待加热的塑料零件表面后,仅需短短的数十秒钟,即可将工件的表面按设定的深度极速塑化。
  
  热风焊接
  
  所谓塑料部件的热风焊接,是利用压缩空气或惰性气体经过焊接枪中的加热器加热到焊接塑料所需温度的热气流(典型的温度为200℃~300℃,流速达15~60L/min),同时对焊条和焊件加热,当材料表面软化达到黏稠状态时,焊条连续压进到焊缝中。焊条材料完全与母材成份相同,通常是圆形的(直径约3mm),焊接厚板时采用多焊道焊接。圆形焊条的一个缺点是,在多焊道过程中空气泡容易截留在焊缝中,造成强度降低,这个问题可以通过采用三角形截面焊条解决。可用热风焊接的典型材料包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯乙烯、尼龙和ABS等。该方法的主要优点是适应性强,可用简单的便携式设备加工大型、复杂的零部件,适用于不规则结构。但此法速度慢,焊接质量在很大程度上依赖于操作者的技能,故很少用于批量生产,通常用于修理操作。
  
  热风焊接由供气系统、焊枪调压变压器及其他附属设备组成,所用的气体随焊件的种类而异,如对PVC用空气,对易氧化的聚乙烯、聚丙烯等最好用氮气或一氧化碳。热风焊接的焊缝强度主要取决于焊件和焊条的塑料种类、焊缝结构、待加工面的机械加工质量和焊接技术。
  

  通常,焊条的化学组成与焊件相同,但也可用主要成份相似的焊条。对圆杆状焊条来说,其直径大则焊缝被加热的次数减小,焊缝强度高。但如果焊条直径超过5mm,则其外表和内部受热不均,可能会产生裂缝,通常要求焊条直径应不大于3.5mm。圆形焊条有单焊条和双焊条之分,后者为双条并联、中间有槽的焊条,与单焊条相比,它具有受热面积大而均匀延伸率低、焊接强度可提高60%~70%、焊缝小且美观等特点。
  
  在焊接过程中,热风温度是影响焊接质量的关键。温度过高易引起塑料降解或产生气泡而影响强度,反之则熔合不良。在实际操作中不要求塑料焊条熔融和流动,只需要达到软化至黏稠状态即可获得良好的接合效果。焊接时,首先将焊条放在接口处,焊枪喷嘴朝着接口并和焊条保持一定的距离,在摆动焊枪的情况下,使喷出的热气流对待焊的两个表面和焊条作均匀的加热。当待焊的两个表面和焊条已软化时,就使焊条在适当的压力下并与焊面保持一定的角度,沿焊接的方向作等速的前进。
  
  挤出焊接是热风焊接的一种,其热风用于预热焊件,焊条的加热熔化是使用一个微型的手持式挤出机,它将焊条挤入料筒使其熔融,再挤出到焊接表面。由于焊接表面已经预热黏稠,在PVDF焊靴模嘴的压力作用下,挤出的焊料焊接在塑件上,再经冷却变硬使得焊接部件结合为一体。
  
  振动摩擦焊接
  
  振动摩擦焊接也称为线性摩擦焊接,两个热塑性部件在适当的压力、频率和振幅下相互摩擦,直到产生足够的热量使聚合物熔融为止。振动停止后,部件彼此对齐,熔化的聚合物固化后便完成焊接,且固化后的接口强度与塑料的本体强度相当。
  
  振动摩擦焊接类似于旋转焊接,区别在于运动为直线运动而非旋转运动。这一焊接法十分快速,振动频率一般为100~240Hz,振幅为1~5mm。此焊接工艺的主要优点在于能高速焊接大型复杂线性部件,以及能同时焊接多个部件,所用焊接工具简单,几乎能焊接所有热塑性材料,包括无定形树脂如ABS、PC、PVC、PMMA及PES,半结晶树脂如HDPE、PA、PP和TPO。可焊接的部件包括注塑部件、挤塑部件、吹塑部件、热成型部件、发泡部件和冲压部件,主要应用于汽车和家用电器行业。
  
  旋转摩擦焊接是通过工件的相对高速旋转摩擦,将机械能转换成热能,使被焊接工件的接触面摩擦升温而熔化后再加压,从而焊接在一起。该工艺不受工件尺寸和材料的限制,并且焊接强度比其他塑料焊接工艺更高,几乎接近塑料的本体强度,适用于壁厚大、连接强度要求高的回转体工件的焊接,如进气歧管等。


  热板热熔焊接
  
  热板热熔焊接是利用表面热传导方式,使被焊接塑料工件表面熔化的热塑性焊接工艺。对于塑料接合来说,热板焊接是最简单的批量生产技术。高温热板夹于待接缝的部件表面之间,直到表面软化为止。此时,将热板抽出,两表面在受控压力之下贴合,保持一段特定的时间后熔合在一起。然后,冷却熔融表面从而完成焊接。
  
  热板焊接的焊接工具或加热组件配有内置电热器,以避免塑料粘连于焊接工具上。根据待焊接材料的厚度和类型,焊接温度一般介于180℃~230℃之间。这种焊接方法常用于焊接供气、供水、排水塑料管和化工行业所用塑料管的端头,以及将加油管和接头焊接于汽车用吹塑油箱上。热板热熔焊接不受零件材料和尺寸的限制,且焊接密封性好,适用于超声波焊接难熔的塑料件和大尺寸异形工件焊接,如安全气囊、仪表盘、遮阳板、车载饮水机、尾灯、膨胀水箱和刹车油杯等。许多日常用品也采用这一焊接工艺,例如吸尘器外壳,洗衣机和洗碗机部件、制动液油箱、汽车后灯和指示灯等汽车部件。热板焊接法的弊端在于焊接速度较慢,小型件的焊接时间一般为10~20s,大型管的焊接时间则长达30min。
  
  热板焊接设备可控制热板焊接模具横向或纵向移动,传动系统采用气动、液压驱动或伺服电动机推动。热板焊接技术的优点是可应用于大小不同的工件,无面积限制,适用于任何焊接面,允许塑料余量补偿,焊接强度有保证,还可根据各种材料的需要来调整焊接程序(如调整焊接温度、焊接时间、冷却时间、输入气压、熔接温度及转接时间等),在焊接过程中设备能保持良好的稳定性、一致的焊接效果及工件加工后高度的准确性。
  
  超声波焊接
  
  
超声波焊接的原理是通过超声波发生器将50/60Hz的电流转换成15、20、30或40kHz的电能,被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动,随后机械运动通过一套可以改变振幅的调幅器装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部,在该区域,振动能量被通过摩擦方式转换成热能将塑料熔化,从而达到焊接的目的。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料,还可加工织物和薄膜。
  
  超声波焊接系统的主要组件包括超声波发生器、换能器/调幅器/焊头三联组、模具和机架。超声波焊接可处理各种热塑性部件,在焊接时,既不需要添加任何粘接剂、填料或溶剂,也不消耗大量热源,具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高和生产效率高等优点。因此,该技术得到了越来越广泛的应用,绝大部分的超声波焊接可以在0.25~0.5s内完成。超声波焊接适用于焊接面积较小、结构规则和热塑性的塑料件,如车窗马达、内置音响、脚垫、门板、离合拔叉、备胎箱、保险杠、滤清器和前挡板等汽车部件。
  
  激光焊接
  
  激光焊接塑料的基本原理是,两种塑料在低压力下被夹紧在一起,近红外线激光NIR(波长810~1064nm)透射过一个制品,然后被另外一个制品吸收,吸收激光能量的制品将光能转化为热能,在两种塑料的接触面熔化并形成一个焊接区。一般来说,激光束固定,塑料工件置于受程序控制的多维可移动的工作台上,激光束便沿着焊缝处快速扫描从而达到焊接的目的。如通过掩膜照射,激光束仅加热制品上没有被掩膜遮住的部分,可以快速焊接复杂的焊缝。
  
  激光焊接技术主要有以下几方面的优点:能生成精密、牢固和密封(不透气和不漏水)的焊缝,树脂降解少、产生的碎屑少;易于控制,具有良好的适应性,可焊接尺寸小或外形结构复杂的工件;极大地减小了制品的振动应力和热应力;能够将许多种类不同的材料焊接在一起。这种焊接方法能够形成超过原材料强度的焊接缝,主要用于连接敏感性的塑料制品,例如线路板、有塑料零件的电子感应器、复杂形状的塑料制品及医疗塑料等要求严格密封及洁净的制品。
  
  目前,激光焊接技术在医疗器械制造业中得到了极其广泛的使用,但在汽车等行业中的应用还不是十分成熟。随着技术的进步与发展,如今,已经有多家公司开始相继推出激光焊接设备,而新型的塑料和添加剂,也令彩色塑料制品的激光焊接成为了可能。塑料供应商一直在不断地改进其现有配方,以优化塑料对激光的透射率或吸收率。这些因素均使得塑料制品的激光焊接工艺得到了迅速发展。事实上,在某些应用中,相对于超声波焊接、振动焊接和热平板焊接等工艺,激光焊接更具有成本和性能方面的优势。

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