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摘要：通過對汽車攝像頭聚丙烯(PP)封裝材料進行激光焊接工藝實驗，得到焊縫強度超過200N/mm2的兩組工藝參數。進一步的密封性測試結果表明，當激光功率為50W、焊接速度為50mm/s時，焊縫滿足密封性要求。焊縫狀態分析結果表明，僅當焊縫內部無氣孔時才能滿足密封性要求。

關鍵詞：汽車攝像頭；聚丙烯；激光焊接；工藝

目前，節能和環保已成為汽車行業發展的技術瓶頸。而汽車輕量化是實現汽車節能環保的技術路線之一[1-2]，采用塑料替代金屬及合金材料，可有效減輕車重，進而減少燃油消耗以及碳氫化合物的排放[3-5]。塑料部件加工成本低，可回收再利用，可減少汽車生產制造過程中的資源消耗，從而達到節能環保的目的。塑料一般具有力學性能良好、抗腐蝕能力強、使用壽命長、可靠性好等優點，已被廣泛應用于汽車工業，如水泵、輸油管、風扇、儀表盤等汽車部件中[6-9]。塑料部件的傳統焊接方式主要為超聲波焊接，該方法是通過機械高頻振動在接縫界面處產生熱量，從而實現焊接。超聲波焊接工藝成熟、設備成本低、對材料實用性廣，是目前使用最多的塑料焊接方式[10-13]。但是超聲波焊接也存在明顯的缺點，如：當產品表面鍍層或者電子元件貼合力不足時，會因超聲波產生的機械高頻振動而脫落；超聲波焊接會產生噪音，長時間在超聲波焊接環境下工作可能會產生耳鳴。激光焊接技術具有熱影響區小、效率高、可遠距離加工(因而不會受到產品結構的干涉)、不會對產品外觀造成壓傷等優點，已廣泛應用于金屬焊接[14-16]。激光焊接同樣可以應用于塑料焊接，但對塑料的材質有較大選擇性，因而目前尚未得到廣泛應用[17-18]。此外，塑料激光焊接工藝較復雜，因而需要經過大量的實驗才能獲得合適的工藝窗口。汽車攝像頭內部有電子芯片，超聲波焊接過程中的機械振動有可能對其造成損傷，而利用激光焊接技術可以解決上述問題。本研究通過對汽車攝像頭的聚丙烯(PP)封裝材料進行激光焊接工藝實驗，得到焊縫強度最大的工藝參數，從而為實際生產提供技術參考。

1實驗部分

1.1實驗材料

待焊接產品為汽車攝像頭封裝件，材料為PP樹脂，厚度0.35mm。由于是汽車部件，對焊接接頭強度要求較高，焊縫拉伸強度需達到200N/mm2以上；焊接后進行密封性測試，要求不漏氣。具體產品結構如圖1所示。

1.2實驗設備

采用銳科激光公司生產的半導體激光器(LD-100)作為焊接光源，激光束通過傳輸光纖進行傳輸，經過準直鏡片后，激光束變成平行光，然后經過聚焦鏡形成聚焦激光，在激光焦點處光斑直徑為0.4mm，焊接實驗平臺如圖2所示。采用上海傾技儀器儀表公司生產的智能拉力試驗機(QJ210A)測試焊接接頭的焊接強度。

2結果與討論

2.1工藝實驗及焊接拉力測試

影響塑料焊接效果的主要工藝參數為激光功率和焊接速度，本研究采用單因素法進行實驗。首先對激光功率進行優化實驗，設置焊接速度為50mm/s固定不變，激光功率分別設為30、40、50、60、70W。焊接拉力測試得到的焊縫強度分別為113、184、232、192、156N/mm2。結果表明，隨著激光功率的增加，焊縫強度先增大后減小，其中當激光功率為50W時，焊縫強度達到最大值。圖3為不同激光功率下的焊縫外觀。從圖3可以看出，當激光功率為30和40W時，焊縫表面無痕跡且無燒焦現象；當激光功率50W時，焊縫表面有輕微痕跡，但未出現燒焦現象，這種外觀在實際生產中可以滿足要求；當激光功率為60和70W時，焊縫表面出現燒焦現象。隨著激光功率的增加，焊縫表面的痕跡越來越嚴重，而且當激光功率超過60W以后，出現燒焦現象，這種外觀是不允許的。焊縫表面燒焦是由于激光功率過大造成焊縫溫度過高，使塑料分解炭化，進而導致焊縫強度降低。對焊接速度進行單因素實驗，設置焊接功率為50W固定不變，焊接速度分別設為60、50、40、30mm/s。焊接拉力測試得到的焊縫強度分別為223、232、192、187N/mm2。結果表明，隨著焊接速度的降低，焊縫強度先增大后減小，其中當焊接速度為60及50mm/s時，焊縫強度均超過200N/mm2，滿足焊接接頭的強度要求。圖4為不同焊接速度下的焊縫外觀。從圖4可以看出，當焊接速度為60mm/s時，焊縫表面無痕跡且無燒焦現象；當焊接速度為50mm/s時，焊縫表面出現輕微痕跡但是無燒焦現象；當焊接速度為40和30mm/s時，焊縫表面出現燒焦現象。這是因為焊接速度過低時，熱量集中在焊縫表面且無法及時散去，導致材料溫度過高而產生炭化現象，進而使焊縫強度降低。

2.2焊縫密封性測試

由工藝實驗及焊接拉力測試可知，當工藝參數分別為激光功率50W、焊接速度60mm/s以及激光功率50W、焊接速度50mm/s時，均能滿足焊縫強度超過200N/mm2且焊縫表面無燒焦的要求。本研究對這兩種工藝參數下的焊接產品進行了密封性測試，如圖5所示，即用熱封膠將產品其他部位封住，留出一個部位插入塑料管，從塑料管輸入壓縮空氣(氣壓0.2MPa，通氣時間5s)，將整個產品浸入水中，當焊縫沒有出現水泡，則表明焊縫達到密封性要求。密封性測試結果表明，當激光功率為50W、焊接速度為60mm/s時，焊縫無法達到密封性要求；當激光功率為50W、焊接速度為50mm/s，焊縫能夠達到密封性要求。

2.3焊縫破壞性測試

將焊縫強度超過200N/mm2的兩個產品分別進行破壞性測試，分析焊縫狀態(圖6)。結果表明，當工藝參數為激光功率50W、焊接速度60mm/s時，焊縫界面有部分區域未完全熔合，形成氣孔；當激光功率為50W、焊接速度為50mm/s時，焊縫界面處完全熔合。這是因為當激光功率一定時，焊接速度過快會使熱量累積不足，造成部分區域未完全熔融，從而導致氣孔的產生。這種情況下不僅焊縫強度會有所降低，其密封性亦無法達到要求。

3結論

對汽車攝像頭PP封裝材料進行激光焊接工藝實驗。結果表明：隨著激光功率的增加，焊縫強度先增大后減小，其中當激光功率為50W時，焊縫強度達到最大值232N/mm2，且焊縫表面無燒焦等不良現象；隨著焊接速度的降低，焊縫強度先增大后減小，其中當焊接速度為60和50mm/s時，均能滿足焊縫強度超過200N/mm2且表面無燒焦的要求。焊縫密封性測試及內部焊縫狀態分析結果表明，當激光功率為50W、焊接速度為50mm/s時焊接效果達到最優，此時焊縫強度超過200N/mm2，且焊縫完全熔合、內部無氣孔，滿足密封性要求。

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作者：張振珠 單位：重慶工程職業技術學院