看塑料焊接技术 助力汽车零部件前沿设计及制造

尽管电动汽车（EV）尤其是自动驾驶汽车可能还需要数年的时间才能被广泛接受，但毫无疑问，它们正在从根本上改变设计人员处理汽车电子产品的方式。传感器、雷达、摄像头和汽车内外高科技照明都涉及敏感电子设备和数以千计的低电阻连接，这些元器件通常被封装在塑料外壳中，必须被可靠、一致地组装，任何精密元器件不得损坏。

图1：传感器、雷达和摄像头将驾驶员（人或自动）与车辆及其周围环境的信息做互联。焊接技术正在进步，将这些通常微小且脆弱的组件组装到塑料外壳中。（图片由艾默生必能信提供）

随着私人和政府对电动汽车和自动驾驶汽车发展的要求越来越高，电子器件的复杂性只会增加，这意味着新型塑料材料，包括增强性塑料，将被大量使用，这为使用胶水和螺钉连接的传统装配技术带来挑战。汽车制造商有必要重新考虑更优的装配技术，塑料焊接技术正在持续发展以应对这些挑战。

然而，塑料焊接不只是一种技术——该术语包括一系列不断发展的连接技术，以满足广泛的汽车装配需求，必须根据不同的应用要求确定最适合的工艺。

汽车设计大趋势

十年前，普通汽车的传感器数量相对较少，主要用于监控引擎和传动系统部件。今天，汽车中电子设备的平均数量超过 200 个——所有这些都旨在将驾驶员（无论是人还是自动驾驶）与车辆本身及其周围环境的信息联系起来，包括车道标记、其他汽车、危险物体甚至人和动物。

图2：使用激光焊接的汽车应用（图片由艾默生必能信提供）

在电动汽车和混合动力汽车中，电池功能强大且可充电，并且需要被封装在安全、防风雨的外壳中。这些外壳通常由高度工程化和增强性的聚合物制成，其在形式、安装和功能方面都是独一无二的，由此带来了一系列焊接和装配挑战。

汽车内外照明现在涉及更多有机 LED（发光二极管）灯，其中包括组装在其中的电子控制组件。这些类型的灯需要更精确而柔和的焊接方法，以避免损坏内部的零部件。更具未来感的前照灯利用传感器技术和互联技术，不仅可以显示前方道路，还可以照亮可能对车辆及其乘客构成危险的周边空间和物体。

图3：必能信GSX E-1 2.0焊接设备提供全新的动态焊接模式，允许根据材料的密度和系统反应性进行双重控制。（图片由艾默生必能信提供）

尾灯也在发生变化，小型的部件结构让位于高风格的设计。当今汽车的贯穿尾灯设计得更大，长度通常可达 1400 毫米，其3D 形状具有高度装饰性且大部分可见。制造商需要在薄件上实现严格的公差，达到无碎屑焊接，同时保护精密组件和内部的电子设备。

随着汽车制造商寻求为驾驶员和乘客创造更加个性化和舒适的氛围，车内照明也在发生变化。今天的车内照明不再只是几个单独的灯来方便进出或照亮地图，而是转向更柔和的“情绪”甚至“智能”照明。即当司机靠近汽车时，遥控钥匙与传感器通信，打开内部照明欢迎其上车，而这些密封组件中广泛使用塑料。驾驶员信息显示器现在是汽车内饰的关键设计元素，从仪表板到交互式地图和卫星广播选择，这些显示器最终连接到汽车中几乎所有可能的传感器和摄像头。塑料外壳需要焊接，控制台内的许多电路板和接线组件也是如此。

塑料装配技术

随着汽车设计向更轻、更省油的方向迈进，塑料在上述新设计领域的采用将进一步加速，组件变得更小、更复杂，塑料外壳和组件的焊接变得更具挑战性。上述提到塑料件的应用趋势，那么，哪些焊接技术分别适合这些新的汽车组件的装配呢？

图4:脉冲铆接技术可以将更多不同的材料与塑料部件或外壳焊接在一起，包括金属垫片或铰链；塑料钥匙或按钮；过滤器、纤维布或绝缘材料；印刷电路板、电子产品或传感器。（图片由艾默生必能信提供）

激光焊接特别适用于快速、准确地焊接小型到大型结构，例如包覆混合动力和电动汽车电池的塑料外壳，同时激光焊接技术可以精确焊接微型组件以及具有关键和复杂几何形状的结构。激光焊接在对预组装部件焊接过程中，不会对内部的精密组件造成振动或高温热源的影响而导致其损坏，这也允许了 3D 焊接筋设计和更灵活的零件设计。由此产生的焊缝几乎没有飞边或碎屑，使激光焊接成为需要清洁焊接应用的理想选择。电池外壳属于这一类，因为电池本身对任何污染物都非常敏感。激光焊接的其他好处包括：
● 焊接周期短
● 一致、可靠、可重复的焊接
● 强密封（密闭/防水装配）
● 出色的美观度
● 设计自由，允许轮廓可见的焊接筋
● 材料兼容性更大，包括软材料
● 无固化时间
● 无需消耗品

超声波焊接在要粘合的部件之间做高频运动产生热量，已用于连接热塑性塑料70 多年。根据经验，当零件太复杂或太昂贵而无法一体成型时，会使用超声波焊接，因此它们被成型为多个零件，高效且经济地焊接在一起。许多汽车部件已经采用超声波焊接。然而，传感器、相机和照明组件的复杂性、脆弱性和精度需求促使艾默生必能信开发了一种新的专利的“动态模式”，现在可作为其最先进的超声波焊机 BransonTM GXS-E1 2.0版本焊接设备的软件选项。动态模式焊接可以自动调整设备自身以响应焊接件之间的变化和独特的材料。例如，这种技术可以安全地将小、薄或复杂的塑料部件直接焊接到传感器或精密电子设备顶部的塑料结构上，而不会造成损坏。它可以在包含可压缩内部元件（例如弹性密封件或芯）的塑料组件上焊接零件，并且可以处理硬度或结构一致性不同的材料，例如复合材料。其他好处包括：
● 焊接周期短（通常小于1秒）
● 成本效益高
● 强密封
● 无固化时间，立即形成牢固焊接
● 无需消耗品
● 出色的可重复性

脉冲铆接是铆接技术的新突破，艾默生必能信收购了开发这项新技术的欧洲HTE工程服务有限公司，并在全球范围内推广此项技术。与始终散发热量的传统铆接铆头不同，脉冲铆接的铆头独立且可即时加热和冷却，可实现局部加热效应。因此，脉冲铆头可以更靠近热敏或振动敏感的电子元件，例如印刷电路板、焊接元件或传感器，而不会出现意外辐射加热的风险。它还可以进行极小的焊接，例如将电路板的四个角固定在塑料外壳内。脉冲铆接的其他用处和优势包括：
● 先进、混合、钢化玻璃或镀铬/金属化塑料
● 具有不同表面轮廓的复杂 3D 零件设计
● 多个紧密对齐的立柱或挡板

结语

电动汽车和自动驾驶汽车虽尚未形成主流，但已经成为现实，许多技术的发展将加快其被接受的程度，并且这些技术已经被使用在当今销售的许多车辆中。传感器、摄像头、雷达和大量连接电子电路都安装在越来越复杂的塑料结构中，这对设计师来说既是挑战也是机遇。将汽车提升到一个新的水平所需的塑料焊接技术已经存在，并不断改进，这要归功于像艾默生必能信这样的焊接方案供应商准确认识到市场趋势。随着更多未来汽车的开发，装配技术将有助于使设计师的愿景成为现实。

关于作者

严其华，必能信中国区焊接高级经理
服务艾默生必能信11年，带领必能信中国区应用开发团队每年完成超过4,500个实际焊接案例，为消费电子、电池、汽车、无纺布以及医疗行业客户提供可靠且具有成本效益的解决方案。

来源：荣格-《国际汽车设计与制造》


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