干货 | 塑料激光焊接技术在车灯领域的应用

  为顺应消费者对品质及美感的追求，激光焊接技术逐渐广泛被应用于车灯领域。然而在新技术复杂工艺导入的同时，相应也会产生影响产品质量的潜在隐患，导致车灯机能不良甚至有发生交通事故的可能，文章结合FMEA（设计潜在失效模式）的思想，提供了几种在设计阶段保证产品质量的分析方式，以及在试做以及量产后对品质进行管理的常用方法。 

  随着汽车行业的飞速发展。汽车零配件的生产技术也随之不断创新。汽车车灯作为车辆重要的照明外装配件，在功能上外观上都影响了汽车的商品性。为顺应消费者对品质及美感的追求，激光焊接技术逐渐广泛被应用于车灯领域。然而在新技术复杂工艺导入的同时，相应也会产生影响产品质量的潜在隐患，导致车灯机能不良甚至有发生交通事故的可能，文章结合FMEA（设计潜在失效模式）的思想，提供了几种在设计阶段保证产品质量的分析方式，以及在试做以及量产后对品质进行管理的常用方法。 

  引言 

  近年来随着全球汽车市场需求的扩大，在汽车智能化进程加速推进的同时，以激光技术为代表的先进制造技术也在不断推动汽车制造业的更新换代，先进激光制造技术与汽车生产的结合已是大势所趋。激光焊接技术于2002年10月首次引入中国，并迅速在车身焊接领域崭露头角，而其在车灯领域的应用也在迅速发展。 

  1.车灯领域激光焊接技术概要 

  1.1 原理 

  车灯领域的激光焊接焊接的对象为树脂，其他原理与车身焊接相同。它是将待焊接的两个或多个树脂部件通过激光产生的热能使树脂部件熔化并完全粘合的技术，以此实现车灯的良好密封性。 

  其步骤分为：（1）将待焊接的两个部件通过治具夹具固定。（2）上下治具闭合，将部件夹紧在一起，然后以近红外线激光NIR（波长810-1064nm），透射过第一个部件，然后被第二个部件吸收所，所吸收的近红外线激光化为热能，将两个部件的接触表面熔化，形成焊接区。（3）施加压力，使焊接区牢固。 

  1.2 特点[2] 

  优点：（1）能量集中，多余能耗极小。（2）熔化树脂体积小，产生多余树脂屑少。（3）因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形皆可降至最低。（4）激光路径可通过简单光学折射原理控制，因此适用于各种形状的产品。（5）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。（6）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。（7）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。（8）可以切换装置将激光源共享在多个设备上。 

  缺点：（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置在公差允许范围内。（3）树脂材料的颜色会对焊接性有影响。（4）设备昂贵。 

  可见激光焊接在满足车灯密封性的前提下，在外观，节能环保以及适用面广等多方面都存在优势。但由于精度高，需要相应产品及夹治具有严格的尺寸公差要求。 

  2.车灯焊接技术FMEA 

  2.1 FMEA是什么 

  在企业实际的质量管理体系运作中，虽然都会去编制一份有关“预防措施”的形成文件的程序，但真正可以达到预见性地发现较全面的潜在问题通常存在较大难度。为能有效地实施“预防措施”，使可能存在的潜在问题无法出现，需要一个从识别问题到控制潜在影响的管理系统，其制定方法即“潜在失效模式及后果分析”，或简称为FMEA[3]。 

  2.2 为何要将FMEA应用到车灯激光焊接技术中 

  （1）生产条件要求高。激光焊接技术对尺寸位置精度的要求是多方面的，首先要对焊接部全周的激光路径进行模拟，结合焊接部的形状，可以计算出允许的位置偏差量。而实际生产中不但要考虑产品本身的变形，还要考虑到使用夹治具等所有有可能产生位置偏差的尺寸及公差。同时激光设备及加压设备的参数设定也较复杂。（2）使用条件差异大。现如今激光焊接技术在车灯行业内的应用虽已趋于成熟，但由于车灯形状不同，与车体间的连接方式不同等原因，不同地域，不同使用条件下。所以在量产前需要一系列的方法去评估该产品是否达到可量产的条件。 

  3.激光焊接量产前评估方法介绍 

  常见的评估方式有：应力分析，作业条件分析，拉伸强度测定，焊接沉入量测定等方法[3]。 

  3.1 应力分析 

  车灯与车身一般通过螺栓连接，在安装时车灯会受力并无法释放，导致车灯内长期存在应力。此应力作用于焊接部上，有导致焊接部分离的可能。因此在产品设计阶段应通过模拟软件对灯具在安装时可能产生的应力进行模拟分析。若应力大小低于安全值则判定为合格。 

  3.2 作业条件分析 

  激光焊接工程在实际生产过程中需要考虑各种可能导致焊接不良问题的发生，常见需要考虑的问题有：作业尺寸，激光入射角度，激光折射角度，光源位置，加压角度，加压力，治具尺寸公差，作业员安全性等。其中治具尺寸公差虽然微小，但不可忽略，它与激光能否有效进入焊接部是息息相关的。产品在设计时应考虑极限位置偏差状态下，激光是否保证全周都可以有效进入焊接部，而不发生能量损失甚至反射。 

  3.3 拉伸强度分析 

  汽车作为最常见的交通工具，消费者在颠簸的路面高速行驶等恶劣条件下，也要保证车灯各项性能达标。所以即使气密检查合格也需要对焊接部的拉伸强度进行评价分析，评价方法为：将车灯的焊接部分段切割，固定一侧，利用拉伸力计强行将焊接部件拉致脱离焊接部，测定该力是否高于安全值。 

  3.4 焊接压入量分析 

  激光焊接设备的参数设定较为复杂，时间，压力，位移量都会影响焊接质量。其中位移量可以通过切割断面测量，可以直观的判断压入量与拉伸强度间的关系。其方法为将焊接区分段切割成几部分，并将断面打磨至可清晰分辨出两种材质分界线的状态，测量压入被溶化部件的压入量是否高于安全值。 

  上述四种方法需同时判断合格后才可以判断为具备量产条件，并且每项评价内容需测定n=25以上的工程能力值。 

  4.激光焊接量产品质量管理方法 

  在激光焊接各项品质均达到要求后，产品进入量产阶段，但量产中产品形状变更，生产场地变更等情况时有发生，因为激光焊接的精密性，每一个微小的变化都有影响焊接品质的可能，所以在产品进入量产阶段后也要持续对焊接品质进行评估。其常用评估方法有：气密检查法，吹爆试验法，破坏试验法等。 

  4.1 气密检查法 

  气密检查法是将完成激光焊接的部件放置于治具上，对开口部进行加压，观察气压计读书是否发生变化，气压保持不变判断为合格。此方法适用于各种焊接工艺，一般对全品进行检查。 

  4.2 吹爆试验法 

  吹爆试验法是指从开口部对完成激光焊接的部件进行充气，直至焊接部破裂，观察气压计的最大读数作为破坏瞬时气压，判断该压力是否高于安全至。此法一般仅对首末件进行检查。 

  4.3 破坏试验法 

  破坏试验法是将完成激光焊接的部件用锤子等工具破坏，并将激光透过的部件强行从被溶化部件剥离，观察剥离后的结合部状态，是否焊接部全周均为脆性破坏。此法一般仅对首末件进行检查。 

  5.结束语 

  文章通过对国内车灯企业的调查，发现大部分车灯制造商都意识到激光焊接技术在车灯领域的优势，并或多或少在一些车型上有所尝试，但与此同时新技术引入所产生的隐患在一些制造商中未能被很好的意识到，导致因焊接品质不良发生漏水，导致一些客户投诉的情况发生。通过对激光焊接技术较成熟的制造商的调查，意识到先进的生产技术必须要以先进的品质管理技术支持才能真正发挥其优势。