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激光企业的新机遇:塑料激光焊接应用

来源:光电汇

  发布:星之球科技

关键词:激光焊接 技术分析

2017-08-23

激光焊接技术已经是一项得到广泛应用的技术,主要应用在金属加工领域。随着塑料产业的发展以及它作为钢铁、镁、铝等金属的替代品被广泛的应用于汽车、船舶、包装、电子等行业,塑料激光焊接技术得到相应的研究和应用,并因其独特优势受到推广和青睐。
 
尽管塑料激光焊接技术几十年前就有了,然而早期由于激光技术、吸收剂、焊接方式,尤其是激光加工系统成本高等原因,未受到广泛关注和应用。
 
它在应用方面的研究可追溯到1970年使用远红外CO₂激光。但由于其激光波长较长,塑料材料透过性不够高,工程塑料的搭接焊因此受限。1985年有采用近红外ND:YAG激光光源,利用塑料的透过性和吸收性,首次报道了搭接接头结合面处的焊接方法。随着技术的进步,相关材料的研究和成本降低,塑料激光焊接技术再获关注,将在相关行业发光发热,带来巨大的社会和经济效益。
 
塑料激光焊接原理
 
塑料激光焊接要求焊接材料一方具有激光透过性,另一方则具有吸收性,称为透过式塑料激光焊接。对于吸收性不足的材料,通常采用添加吸收剂(碳黑)的方式。只是碳黑也能吸收可见光,容易造成焊缝颜色变深,与母材颜色不同。英国焊接学会(TWI,The Welding Institute)已研制出对可见光透明的染料,可解决此问题。
 
激光穿过透过性塑料到达吸收性塑料表面,吸收性塑料在加热下软化、熔融。同时由于热传导透过性塑料侧也软化、熔融。熔核尺寸达到要求后,撤掉激光热源,在压力作用下实现焊接。
 
 
目前已有多种塑料焊接方法,如:超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接、热板焊接,各种焊接方法适合不同尺寸、形状的焊接部件,优劣比较见下图。
 
 
由此可见,相较于常规塑料焊接方式,塑料激光焊接能从二维到三维,打破形状结构的制约,具有高效、高质、自动化优势,适合更多领域的焊接需求。
 
塑料激光焊接方式
 
轮廓焊接:一种激光扫描焊接方式。可固定工件,令激光光束沿待焊接区域轮廓运动;也可固定激光光束,令待焊接工件沿预定轨迹运动。适用于复杂的二维焊缝,自由度高,灵活性好。
 
 
同步焊接:利用光学整形元件调整激光束形状,将一束或多束激光同时投射到待焊接区域,塑料软化、熔融,完成焊接。
 
 
准同步焊接:综合前两种焊接方式,焊接强度和质量与激光扫描速度、圈数,激光强度相关。
 
 
掩膜焊接:即在激光光源与待焊接区域之间加一层膜,利用掩膜的遮蔽,使激光束仅作用于希望被焊接的区域。同时,掩膜可根据具体情况来进行设计,因此适用于不同平面几何形状,实现精细焊接。
 
 
放射状焊接:主要用于圆柱状被焊物表面圆周线状的焊接,具体可采用轮廓焊接或准同步焊接方式。
 
 
GLOBO焊接:又称球形焊接,Leister公司推出世界上首个3D塑料制件球形焊接系统。不需附加加紧装置,夹紧压力和能量作用可以同步优化,可与多维机械手配套使用,适用于二维三维任意形状焊缝的焊接。
 
 
瑞士、德国开始塑料激光技术设备研究早,leister、rofin公司网页有专门针对塑料激光技术的介绍及设备展示,德国LIMO半导体激光器塑料焊接系统,美国相干也是制造塑料焊接用激光器的少数企业之一。
 
国内对塑料激光焊接技术研究较晚,且多在学术理论方面的研究,实际应用领域的研究相对国外来说比较少。2005年华中科技大学建立了半导体激光焊接系统,2006年上海激光技术研究所研究了塑料的激光焊接工艺,2017年大族激光推出新型透明塑料激光焊接系统。国内技术成果转化及企业关注程度仍显不足,市场还有待开发,留给国内企业的空间还很大。
 
塑料激光焊接应用优势及前景
 
环保要求及轻量化趋势使得塑料越来越多的替代工业制品中的金属部分,而塑料激光焊接相对其他焊接技术,具有更多优势:
 
1)非接触焊接,与待焊接工件不发生物理接触,热塑性塑料不发生化学反应,可在工业环境下操作,适用于需要卫生安全的医疗和食品行业。医疗行业主要用于注射系统、医疗电子设备、各种人造移植及造口产品等。
 
2)激光束形状尺寸可调控,从而控制热影响区和接合区域大小,自由度高,灵活性好。不限制待焊接零部件尺寸及形状,能够实现二维甚至三维的焊接,为多样化定制化零部件生产提供了基础。
 
3)焊接速度快,焊缝强度高,无飞边,无残渣,能够保证焊接区域的良好外观。相关数据显示,就普通乘用车而言,非金属材料重量占比约1/3,部分车型这一占比更大,塑料则是车用非金属四大材料之一。高档轿车保险杠采用塑料激光焊接能够达到强度和外观两全其美。其他如汽车滤清器、气液分离器、汽车仪表盘外壳、电子开门器、变速箱等激光焊接都能发挥良好效果。
 
4)精密牢固,不透气,不漏水,能极大减少热应力和振动应力,对于精密电子元器件及易损坏器件来说最适合不过。
 
总体来说,塑料激光焊接能够弥补常规塑料焊接方法的不足,而我国是一个巨大的塑料制品市场。2011-2015 年,我国塑料制品产量从 5474.31 万吨快速增长至 7560.70 万吨,年复合增长率为 8.41%。2016年,中国塑料制品产量为7717.2万吨,同比增长2.7%。
 
在汽车制造行业中,汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的标志之一,自20世纪70年代开始,汽车塑料的应用经历了从内饰件向外部饰件不断扩展的发展历程,用量从约50 kg/辆迅速上升至目前约150 kg/辆,并且仍在持续增长中。
 
都说见微知著,更何况这已不只是“微”的程度了,塑料激光焊接将是未来的发展趋势,市场前景广阔。目前国内已有企业关注到这一市场,并研发用于塑料焊接的激光设备。例如大族激光推出W421透明塑料激光焊接系统,华焯科技自主研发了激光塑料焊接技术设备。对于激光企业来说,现在正是开疆拓土的时刻,谁掌握先机,就能率先占有市场。