汽车零部件生产中的塑料激光焊接技术

塑料激光焊接不会产生飞边、粉尘或者烟气，它是一种热影响范围非常小的清洁焊接工艺。自动化塑料激光焊...

塑料激光焊接不会产生飞边、粉尘或者烟气，它是一种热影响范围非常小的清洁焊接工艺。自动化塑料激光焊接设备能实现非常高的产量，同时几乎不需要任何日常耗材，设备的维护也相当简单。

高分子材料的多样化发展及其性能的不断提高，让越来越多的汽车部件开始使用塑料制件，这一趋势使得塑料焊接技术在汽车零部件行业得到广泛应用。除了传统的超声波焊接、摩擦焊接及热板焊接等以外，激光焊接作为一种有效的补充，日益被汽车零部件厂商所重视。本文主要介绍瑞士莱丹公司的塑料激光焊接技术在扬州奥力威公司（以下简称“奥力威公司”）气液分离器焊接项目上的应用。

气液分离器（LVS）

汽车制造厂商一直以来都是环保技术的引领者，原因在于越来越多的购车者将省油及环保作为首要考虑因素，这使得厂家的研发部门持续不断地对产品进行改进，以期达到省油及低排放的目的。新研发的气液分离器能够帮助整个汽车油箱系统进一步实现省油以及降低排放。

在汽车工业早期，油料经过燃烧后直接排放进入大气，不经过过滤及尾气处理。这使得未经充分燃烧的气态油料及有害气体进入大气。如今，汽车行业有多种方法来净化油箱系统产生的废气，气液分离器就是其中的一种。气液分离器放置在油箱及活性炭罐的中间，主要用于分离气态的汽油并将其回收，同时将废气传送给下一环节处理。

油箱系统内温度的变化会导致油箱内压力变化，饱和气体在降温或者加压过程中，一部分可凝气体组分会形成小液滴随气体一起流动，这会导致油箱系统内有部分汽油变成气态。气液分离器将气态汽油截流，使其返回到油箱，而将废气输送到活性炭罐过滤。由此，气液分离器起到了省油以及保护环境的作用。

项目背景

气液分离器是油箱系统的主要部件之一，每一种车型的气液分离器都略有差别，它们主要通过注塑或者吹塑成形。

该项目的气液分离器为大众的Polo车型设计，亚普汽车部件有限公司（以下简称“亚普公司”）负责这一产品的组织生产。亚普公司选择了塑料激光焊接来完成该产品的封装，该产品主要由注塑的POM上盖和壳体组成，每年产量在15万套左右。整个气液分离器的压力要求为0.3 MPa，在产品的某些部位出于焊接强度要求，加有凸点及凸出的焊接线（见图）。

奥力威公司是亚普公司的供应商，负责该产品的焊接工艺设计。项目初始，奥力威公司尝试了许多种塑料焊接工艺，比如超声波焊接、振动摩擦焊、塑料激光焊接以及热板焊接等。最终，塑料激光焊接工艺的效果让奥力威公司决定选用莱丹公司的GLOBO塑料激光焊接工艺。

莱丹公司是知名的塑料激光焊接工艺提供商，除了拥有准同步焊接等通用激光焊接工艺外，还有掩膜焊接、GLOBO焊接及放射状焊接等专利工艺。所有的焊接工艺都可以通过莱丹公司的交钥匙工作站或者客户自己集成系统实现。

本项目中，奥力威公司使用深圳远望自动化公司为其集成塑料激光焊接系统，莱丹公司提供激光器及镜头，并提供相关的技术咨询。

塑料激光焊接原理

塑料激光焊接要求焊接的两层塑料对激光有不同的穿透或吸收性能，上层为激光可穿透材料，下层为激光可吸收材料。焊接时，激光穿透上层材料，在下层材料表面激光能量被吸收。激光能量被吸收后转变成热能，下层材料表面融化。由于上下层塑料在焊接时有夹具夹紧，因此下层的热量会传导到上层材料，从而使上层材料焊接面融化。这一热量传导的影响范围只局限在上下层材料焊接面上很浅的一层，不会影响工件的其他部位。因此，塑料激光焊接不会产生飞边、粉尘或者烟气，它是一种热影响范围非常小的清洁焊接工艺。

如前文所述，塑料激光焊接时需要用夹具将上下塑料件夹紧，以保证上下焊接面紧密贴合。而本项目采用的莱丹公司GLOBO焊接工艺，其GLOBO镜头端部本身已经集成了一个气垫式的玻璃球夹具装置，这个玻璃球不仅可以聚焦激光能量，同时也充当夹具夹紧。玻璃球还可以无摩擦地在工件表面任意滚动，可以焊接形状复杂、三维及大尺寸工件。

项目挑战

为保证气液分离器内部能承受足够压力，在分离器壳体内的某些部位加入了特殊的焊接点（线）以提高焊接强度。但是，这些增加的焊接柱及焊接筋增大了焊接的难度。与塑料激光焊接相比，普通的塑料焊接方法不能达到很高的工艺稳定性及焊接强度。增加的五个焊接点位及叉状焊接筋成凸起状，使用普通的夹具很难在这些位置提供足够的焊接压力，而GLOBO焊接工艺通过镜头端部的玻璃球接触工件，可以非常方便地在这些凸起的位置施加焊接压力。同时，镜头将焊接能量精确传导到焊接点，达到优质的焊接效果。

项目实现

本项目采用的是客户集成焊接系统，为保证高产量，系统采用了四工位的旋转工作台。操作工只需要将工件放入夹具，按下工作台上的起动按钮，夹具就会旋转入焊接位置。运动平台带着GLOBO镜头沿着工件表面的焊接路径移动来完成焊接。焊接所需要的压力通过一个接入GLOBO镜头的可调小气缸来提供。焊接凸起的焊接点及焊接筋的时候，不需要更改焊接程序及参数，只需在镜头行程途中对高度做补偿即可。

在工件焊接的时候，操作工可以在旋转工作台空的装夹工位放置工件。前一个工件焊完，即可起动按钮进行新工件的焊接。

总结

实践证明，GLOBO焊接非常适合异形、三维或大尺寸工件的焊接。自动化塑料激光焊接设备能达到非常高的产量，同时几乎不需要任何日常耗材，设备的维护也相当简单。在汽车行业，莱丹公司的GLOBO、准同步以及轮廓焊等塑料激光焊接工艺被广泛使用在各类传感器、车灯、仪表板、油罐、进气歧管及门锁系统等产品的焊接上。