激光焊接技術在車燈領域的應用

摘 要：隨著汽車行業的飛速發展。汽車零配件的生產技術也隨之不斷創新。汽車車燈作為車輛重要的照明外裝配件，在功能上外觀上都影響了汽車的商品性。為順應消費者對品質及美感的追求，激光焊接技術逐漸廣泛被應用於車燈領域。然而在新技術複雜工藝導入的同時，相應也會產生影響產品質量的潛在隱患，導致車燈機能不良甚至有發生交通事故的可能，文章結合FMEA（設計潛在失效模式）的思想，提供了幾種在設計階段保證產品質量的分析方式，以及在試做以及量產後對品質進行管理的常用方法。

引言

近年來隨著全球汽車市場需求的擴大，在汽車智能化進程加速推進的同時，以激光技術為代表的先進位造技術也在不斷推動汽車製造業的更新換代，先進激光製造技術與汽車生產的結合已是大勢所趨。激光焊接技術於2002年10月首次引入中國，並迅速在車身焊接領域嶄露頭角，而其在車燈領域的應用也在迅速發展。

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車燈領域激光焊接技術概要

1.1 原理

車燈領域的激光焊接焊接的對象為樹脂，其他原理與車身焊接相同。它是將待焊接的兩個或多個樹脂部件通過激光產生的熱能使樹脂部件熔化並完全粘合的技術，以此實現車燈的良好密封性。

其步驟分為：（1）將待焊接的兩個部件通過治具夾具固定。（2）上下治具閉合，將部件夾緊在一起，然後以近紅外線激光NIR（波長810-1064nm），透射過第一個部件，然後被第二個部件吸收所，所吸收的近紅外線激光化為熱能，將兩個部件的接觸表面熔化，形成焊接區。（3）施加壓力，使焊接區牢固。

1.2 特點[2]

優點：（1）能量集中，多餘能耗極小。（2）熔化樹脂體積小，產生多餘樹脂屑少。（3）因不屬於接觸式焊接製程，機具的耗損及變形皆可降至最低。（4）激光路徑可通過簡單光學折射原理控制，因此適用於各種形狀的產品。（5）激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件。（6）可焊材質種類範圍大，亦可相互接合各種異質材料。（7）易於以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控制。（8）可以切換裝置將激光源共享在多個設備上。

缺點：（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦範圍內。（2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的最終位置在公差允許範圍內。（3）樹脂材料的顏色會對焊接性有影響。（4）設備昂貴。

可見激光焊接在滿足車燈密封性的前提下，在外觀，節能環保以及適用面廣等多方面都存在優勢。但由於精度高，需要相應產品及夾治具有嚴格的尺寸公差要求。

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車燈焊接技術FMEA

2.1 FMEA是什麼

在企業實際的質量管理體系運作中，雖然都會去編製一份有關「預防措施」的形成文件的程序，但真正可以達到預見性地發現較全面的潛在問題通常存在較大難度。為能有效地實施「預防措施」，使可能存在的潛在問題無法出現，需要一個從識別問題到控制潛在影響的管理系統，其制定方法即「潛在失效模式及後果分析」，或簡稱為FMEA[3]。

2.2 為何要將FMEA應用到車燈激光焊接技術中

（1）生產條件要求高。激光焊接技術對尺寸位置精度的要求是多方面的，首先要對焊接部全周的激光路徑進行模擬，結合焊接部的形狀，可以計算出允許的位置偏差量。而實際生產中不但要考慮產品本身的變形，還要考慮到使用夾治具等所有有可能產生位置偏差的尺寸及公差。同時激光設備及加壓設備的參數設定也較複雜。（2）使用條件差異大。現如今激光焊接技術在車燈行業內的應用雖已趨於成熟，但由於車燈形狀不同，與車體間的連接方式不同等原因，不同地域，不同使用條件下。所以在量產前需要一系列的方法去評估該產品是否達到可量產的條件。

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激光焊接量產前評估方法介紹

常見的評估方式有：應力分析，作業條件分析，拉伸強度測定，焊接沉入量測定等方法[3]。

3.1 應力分析

車燈與車身一般通過螺栓連接，在安裝時車燈會受力並無法釋放，導致車燈內長期存在應力。此應力作用於焊接部上，有導致焊接部分離的可能。因此在產品設計階段應通過模擬軟體對燈具在安裝時可能產生的應力進行模擬分析。若應力大小低於安全值則判定為合格。

3.2 作業條件分析

激光焊接工程在實際生產過程中需要考慮各種可能導致焊接不良問題的發生，常見需要考慮的問題有：作業尺寸，激光入射角度，激光折射角度，光源位置，加壓角度，加壓力，治具尺寸公差，作業員安全性等。其中治具尺寸公差雖然微小，但不可忽略，它與激光能否有效進入焊接部是息息相關的。產品在設計時應考慮極限位置偏差狀態下，激光是否保證全周都可以有效進入焊接部，而不發生能量損失甚至反射。

3.3 拉伸強度分析

汽車作為最常見的交通工具，消費者在顛簸的路面高速行駛等惡劣條件下，也要保證車燈各項性能達標。所以即使氣密檢查合格也需要對焊接部的拉伸強度進行評價分析，評價方法為：將車燈的焊接部分段切割，固定一側，利用拉伸力計強行將焊接部件拉致脫離焊接部，測定該力是否高於安全值。

3.4 焊接壓入量分析

激光焊接設備的參數設定較為複雜，時間，壓力，位移量都會影響焊接質量。其中位移量可以通過切割斷面測量，可以直觀的判斷壓入量與拉伸強度間的關係。其方法為將焊接區分段切割成幾部分，並將斷面打磨至可清晰分辨出兩種材質分界線的狀態，測量壓入被溶化部件的壓入量是否高於安全值。

上述四種方法需同時判斷合格後才可以判斷為具備量產條件，並且每項評價內容需測定n=25以上的工程能力值。

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激光焊接量產品質管理方法

在激光焊接各項品質均達到要求後，產品進入量產階段，但量產中產品形狀變更，生產場地變更等情況時有發生，因為激光焊接的精密性，每一個微小的變化都有影響焊接品質的可能，所以在產品進入量產階段後也要持續對焊接品質進行評估。其常用評估方法有：氣密檢查法，吹爆試驗法，破壞試驗法等。

4.1 氣密檢查法

氣密檢查法是將完成激光焊接的部件放置於治具上，對開口部進行加壓，觀察氣壓計讀書是否發生變化，氣壓保持不變判斷為合格。此方法適用於各種焊接工藝，一般對全品進行檢查。

4.2 吹爆試驗法

吹爆試驗法是指從開口部對完成激光焊接的部件進行充氣，直至焊接部破裂，觀察氣壓計的最大讀數作為破壞瞬時氣壓，判斷該壓力是否高於安全至。此法一般僅對首末件進行檢查。

4.3 破壞試驗法

破壞試驗法是將完成激光焊接的部件用鎚子等工具破壞，並將激光透過的部件強行從被溶化部件剝離，觀察剝離後的結合部狀態，是否焊接部全周均為脆性破壞。此法一般僅對首末件進行檢查。

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結束語

文章通過對國內車燈企業的調查，發現大部分車燈製造商都意識到激光焊接技術在車燈領域的優勢，並或多或少在一些車型上有所嘗試，但與此同時新技術引入所產生的隱患在一些製造商中未能被很好的意識到，導致因焊接品質不良發生漏水，導致一些客戶投訴的情況發生。通過對激光焊接技術較成熟的製造商的調查，意識到先進的生產技術必須要以先進的品質管理技術支持才能真正發揮其優勢。

參考文獻

[1]許文濤，等，激光焊接的工作原理及其主要工藝參數[J].中國機械，2010.

[2]李康.環保燈具設計[J].設計與創新，2012.

[3]原田陽史.FMEA基礎（第二版）[M].日本規格協會，2010.

作者簡介：劉彧，男，天津市人，工作單位：天津斯坦雷電氣有限公司，職務：系長，研究方向：車燈設計。

來源：劉彧

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