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浅谈汽车摄像头激光焊接工艺

2019/07/16 阅读:

摘要:通过对汽车摄像头聚丙烯(PP)封装材料进行激光焊接工艺实验,得到焊缝强度超过200N/mm2的两组工艺参数。进一步的密封性测试结果表明,当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s时,焊缝满足密封性要求。焊缝状态分析结果表明,仅当焊缝内部无气孔时才能满足密封性要求。

关键词:汽车摄像头;聚丙烯;激光焊接;工艺

目前,节能和环保已成为汽车行业发展的技术瓶颈。而汽车轻量化是实现汽车节能环保的技术路线之一[1-2],采用塑料替代金属及合金材料,可有效减轻车重,进而减少燃油消耗以及碳氢化合物的排放[3-5]。塑料部件加工成本低,可回收再利用,可减少汽车生产制造过程中的资源消耗,从而达到节能环保的目的。塑料一般具有力学性能良好、抗腐蚀能力强、使用寿命长、可靠性好等优点,已被广泛应用于汽车工业,如水泵、输油管、风扇、仪表盘等汽车部件中[6-9]。塑料部件的传统焊接方式主要为超声波焊接,该方法是通过机械高频振动在接缝界面处产生热量,从而实现焊接。超声波焊接工艺成熟、设备成本低、对材料实用性广,是目前使用最多的塑料焊接方式[10-13]。但是超声波焊接也存在明显的缺点,如:当产品表面镀层或者电子元件贴合力不足时,会因超声波产生的机械高频振动而脱落;超声波焊接会产生噪音,长时间在超声波焊接环境下工作可能会产生耳鸣。激光焊接技术具有热影响区小、效率高、可远距离加工(因而不会受到产品结构的干涉)、不会对产品外观造成压伤等优点,已广泛应用于金属焊接[14-16]。激光焊接同样可以应用于塑料焊接,但对塑料的材质有较大选择性,因而目前尚未得到广泛应用[17-18]。此外,塑料激光焊接工艺较复杂,因而需要经过大量的实验才能获得合适的工艺窗口。汽车摄像头内部有电子芯片,超声波焊接过程中的机械振动有可能对其造成损伤,而利用激光焊接技术可以解决上述问题。本研究通过对汽车摄像头的聚丙烯(PP)封装材料进行激光焊接工艺实验,得到焊缝强度最大的工艺参数,从而为实际生产提供技术参考。

1实验部分

1.1实验材料

待焊接产品为汽车摄像头封装件,材料为PP树脂,厚度0.35mm。由于是汽车部件,对焊接接头强度要求较高,焊缝拉伸强度需达到200N/mm2以上;焊接后进行密封性测试,要求不漏气。具体产品结构如图1所示。

1.2实验设备

采用锐科激光公司生产的半导体激光器(LD-100)作为焊接光源,激光束通过传输光纤进行传输,经过准直镜片后,激光束变成平行光,然后经过聚焦镜形成聚焦激光,在激光焦点处光斑直径为0.4mm,焊接实验平台如图2所示。采用上海倾技仪器仪表公司生产的智能拉力试验机(QJ210A)测试焊接接头的焊接强度。

2结果与讨论

2.1工艺实验及焊接拉力测试

影响塑料焊接效果的主要工艺参数为激光功率和焊接速度,本研究采用单因素法进行实验。首先对激光功率进行优化实验,设置焊接速度为50mm/s固定不变,激光功率分别设为30、40、50、60、70W。焊接拉力测试得到的焊缝强度分别为113、184、232、192、156N/mm2。结果表明,随着激光功率的增加,焊缝强度先增大后减小,其中当激光功率为50W时,焊缝强度达到最大值。图3为不同激光功率下的焊缝外观。从图3可以看出,当激光功率为30和40W时,焊缝表面无痕迹且无烧焦现象;当激光功率50W时,焊缝表面有轻微痕迹,但未出现烧焦现象,这种外观在实际生产中可以满足要求;当激光功率为60和70W时,焊缝表面出现烧焦现象。随着激光功率的增加,焊缝表面的痕迹越来越严重,而且当激光功率超过60W以后,出现烧焦现象,这种外观是不允许的。焊缝表面烧焦是由于激光功率过大造成焊缝温度过高,使塑料分解炭化,进而导致焊缝强度降低。对焊接速度进行单因素实验,设置焊接功率为50W固定不变,焊接速度分别设为60、50、40、30mm/s。焊接拉力测试得到的焊缝强度分别为223、232、192、187N/mm2。结果表明,随着焊接速度的降低,焊缝强度先增大后减小,其中当焊接速度为60及50mm/s时,焊缝强度均超过200N/mm2,满足焊接接头的强度要求。图4为不同焊接速度下的焊缝外观。从图4可以看出,当焊接速度为60mm/s时,焊缝表面无痕迹且无烧焦现象;当焊接速度为50mm/s时,焊缝表面出现轻微痕迹但是无烧焦现象;当焊接速度为40和30mm/s时,焊缝表面出现烧焦现象。这是因为焊接速度过低时,热量集中在焊缝表面且无法及时散去,导致材料温度过高而产生炭化现象,进而使焊缝强度降低。

2.2焊缝密封性测试

由工艺实验及焊接拉力测试可知,当工艺参数分别为激光功率50W、焊接速度60mm/s以及激光功率50W、焊接速度50mm/s时,均能满足焊缝强度超过200N/mm2且焊缝表面无烧焦的要求。本研究对这两种工艺参数下的焊接产品进行了密封性测试,如图5所示,即用热封胶将产品其他部位封住,留出一个部位插入塑料管,从塑料管输入压缩空气(气压0.2MPa,通气时间5s),将整个产品浸入水中,当焊缝没有出现水泡,则表明焊缝达到密封性要求。密封性测试结果表明,当激光功率为50W、焊接速度为60mm/s时,焊缝无法达到密封性要求;当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s,焊缝能够达到密封性要求。

2.3焊缝破坏性测试

将焊缝强度超过200N/mm2的两个产品分别进行破坏性测试,分析焊缝状态(图6)。结果表明,当工艺参数为激光功率50W、焊接速度60mm/s时,焊缝界面有部分区域未完全熔合,形成气孔;当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s时,焊缝界面处完全熔合。这是因为当激光功率一定时,焊接速度过快会使热量累积不足,造成部分区域未完全熔融,从而导致气孔的产生。这种情况下不仅焊缝强度会有所降低,其密封性亦无法达到要求。

3结论

对汽车摄像头PP封装材料进行激光焊接工艺实验。结果表明:随着激光功率的增加,焊缝强度先增大后减小,其中当激光功率为50W时,焊缝强度达到最大值232N/mm2,且焊缝表面无烧焦等不良现象;随着焊接速度的降低,焊缝强度先增大后减小,其中当焊接速度为60和50mm/s时,均能满足焊缝强度超过200N/mm2且表面无烧焦的要求。焊缝密封性测试及内部焊缝状态分析结果表明,当激光功率为50W、焊接速度为50mm/s时焊接效果达到最优,此时焊缝强度超过200N/mm2,且焊缝完全熔合、内部无气孔,满足密封性要求。

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作者:张振珠 单位:重庆工程职业技术学院

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