塑料激光焊接技术在TPMS中的应用

吴英

摘 要：对激光塑料焊接技术及其原理进行了介绍，对塑料激光焊的材料，设备夹具、工艺参数、产品可靠性进行了阐述，以及该项技术在TPMS传感器的应用实例。

关键词：激光技术;塑料焊接;胎压监测系统（TPMS）

中图分类号：TQ320.674 文献标识码：A

0 前言

随着科技的兴起，近年来激光焊接技术在加工领域应用十分广泛，如金属材料加工领域，其优异的性能被各个应用行业所接受，且成果显著。随着全球绿色环保理念贯彻，以及工业生产成本控制方面的考虑，塑料材料作为一种性能优异可再生的非金属材料，正在广泛地应用在各行业的零部件设计和制造上，越来越多的金属部件正在被拥有同样工作性能的塑料部件替代，同时对塑料焊接技术的可靠性提出更高的要求。

1 激光焊接

1.1 激光焊接的原理

激光焊接本质上是非透明物质和激光相互作用的过程。整个过程是极其复杂的反应过程，宏观上表现为熔化、吸收、汽化和反射，微观上是一个量子过程。塑料激光焊接技术是利用透射焊接原理，选用红外激光作为焊接热源，一般以800 nm～1 100 nm波段的激光为主，这一波段的激光对于大部分可焊接的透明塑料来说吸收率比较低，激光穿过这些材料时能量损失很少。其上层为透明材料，下层为吸热材料，由于下层材料具有较高的吸收率，激光在两层材料的结合面处吸收能量并产生热量，使得该处的塑料熔化，在适当压力作用下发生二次聚合，这样冷却后在上下两层材料之间形成焊缝而使它们连结在一起。

1.2 对塑料材料的要求

塑料材料可以分为热熔性塑料和热固性塑料两大类，对于热熔性塑料来说，可以采用常规塑料焊接（振动、超声波、热板）的方式来连接，所以理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。由于采用的是激光透射焊接原理，所以对于需要焊接的热熔塑料材料应满足一定的透过率要求，一般说来，当上层透过材料对近红外线激光的透过率高于50%，下层热作用区材料透过率低于20%时，激光塑料焊接会获得较好的效果。

1.3 塑料激光焊接的工艺参数

越来越多的金属部件正在被拥有同样工作性能的塑料部件替代，同时对塑料焊接技术的可靠性提出更高的要求。正确控制和设定影响焊接质量的工艺参数，对保证焊接质量有着重要的意义。塑料激光焊接涉及的工艺参数主要有激光功率、焊接圈数、速度、光斑直径、夹具压力等，这些参数要结合焊接材料的物理化学特性来筛选优化，合理搭配，才能获得理想的焊接强度和效果。

2 激光塑料焊接在TPMS传感器的应用实例

TPMS汽车轮胎智能监测系统作为汽车三大安全系统之一，与汽车安全气囊、防抱死制动系统（ABS）一起被大众认可并受到应有的重视。胎压监测系统（TPMS）强制性国家标准规定：自2019年1月1日起，中国市场所有新认证乘用车必须安装TPMS;自2020年1月1日起，所有在产乘用车开始实施强制安装要求。轮胎压力监测系统（TPMS）传感器传统的加工工艺采用灌封方式进行密封，其加工工艺复杂，包括灌胶、固化，其生产节拍漫长，还涉及到化学品污染不利于环境等，塑料激光焊接具有生产节拍快，不涉及到化学品污染等，正在被大量应用。

2.1 塑料激光焊接的工艺试验

2.1.1 焊接设备

本次焊接实验所用设备主要参数如下：机械部分主要包括：基座、外罩钣金、顶升气缸、专用夹具等。激光部分主要包括：激光器、焊接头、位移质量监控系统等。

2.1.2 专用夹具

为了确保焊接的一致性和焊接的质量，设计了该产品焊接专用夹具，其实物如图1所示，专用夹具包括：1下压气缸、2顶升气缸、3产品仿形工装、4位移传感器、5透明石英玻璃板。通过顶升气缸、仿形工装和下压气缸，实现产品的夹紧和松开，可通过气源压强调整夹具的压力。其中压板为石英玻璃，激光可直接透过石英玻璃实现焊接轨迹。

2.1.3 激光焊接试验

（1）根据设备相关参数分析影响焊接效果参数主要因子如下：

功率：指照射在单位面积上的激光功率，功率必须超过特定值才能使塑料熔化，功率低会造成温度不够，功率过大会造成塑料热退化。

焊接速度：激光移动速度，功率不变条件下，焊接速度需要确保足够的熔化量形成焊缝，而热扩散速率受材料限制，焊接功率和焊接速度配合控制。

焊接圈数：功率、焊接速度不变条件下，焊接圈数确保足够的熔化量形成焊缝，而热扩散速率受材料限制，与焊接功率和焊接速度配合控制。

压紧力：压紧力必须克服零件变形，焊接过程使焊接面贴紧。

（2）根据影响焊接效果参数主要因子進行DOE（Design of Experiment）试验，工艺指标选择位移量，具体如下：

4因子进行全试验16组试验：

可用因子设计表

16组试验

位移量主效应响应，A功率、C 圈数、AC功率圈数组合、BC速度圈数组合、ABC功率圈数速度组合，其中影响最大的是功率;

根据产品设计塌陷位移量目标300 um，允许范围250 um

～350 um;

试验数据优化拟合出最佳参考参数;

最佳参数其置信度达到0.996 97，远远大于0.95置信度。

综合上述，实验结果分析，最优焊接参数为：功率：80瓦、速度1 100 mm/s、圈数15、压力3.5。

2.1.4 激光焊接产品可靠性测试

胎压传感器工作压力通常在2.2 bar左右，参照IP69K试验标准和实际工作情况，将样件置于常温水中，对各样件依次施加3 bar，4 bar，5 bar，6 bar的压缩空气1 min，观察样件表面是否有连续气泡产生。试验结果产品都达到此设定要求，焊接的产品具有良好的密封性。

3 结论

本次介绍了激光焊接的原理及材料的要求、焊接装备和专用夹具，以及焊接参数的制定和激光焊接技术在TPMS胎压传感器上的应用。

参考文献：

[1]袁晖，赖建军，何云贵.热塑性塑料的激光焊接实验研究[J].光学与光电技术，2005，3（01）：18-21.

[2]王又良，崔瑛，王健超，等.塑料的激光焊接工艺[J].应用激光，2006（04）：96.