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径向对称激光焊接工艺的应用

发布时间:2020-03-06

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径向对称激光焊接工艺的应用


在人们认为激光能够焊接金属的时候,考虑用激光焊接塑料的人并不多。的确,这是一件难事。为了形成搭接焊缝,在试图熔化底层时,顶板由于强烈地吸收CO2激光束通常熔化得太多;而对焊则由于安装要求和塑料熔体的支托比较困难而难于实现。然而,径向对称塑料部件的激光焊接是当下塑料连接技术最有效的方法之一,此工艺在连接洁净度及高精度方面具有强大的技术优势及经济性可行性。


基本原理

依据焊接产品的几何结构,根据激光能量的控制方式可以分为轮廓焊接,准同步焊接及同步焊接这几种方式。在轮廓焊接中,激光束与工件焊接位置相对绕转而成的径向对称焊接特殊方式。在焊接过程中,激光束沿着既定轨迹对产品进行一次或多次的激光束慢速扫描使待焊接产品接触面升温熔化,然后渐次冷却,形成焊接轮廓。

此种焊接方式与一般激光塑料焊接最大的区别是焊接过程中施加的加持力方式有所不同,在径向对称产品焊接过程中,需要依据产品的机构采用过盈配合的方式施加焊接过程中所必须的压力,这样就无需准备外部施力结构。此种焊接方式具有明显的经济可行性及缩短了整个焊接节拍。因此两件产品件的配合公差就显得尤为重要,前期准备工作中结构设计、注塑等环节中要引起足够重视。

三种不同工艺方式

下图展示了径向对称旋转焊接在工业生产中常用的三种方式图例及其解释,最主要的区别是激光束的运动控制方式的不同。


径向对称激光焊接工艺的应用


(a) 激光束固定,产品旋转

目前应用最为简洁并且广泛的一种方式为固定光学路径产品旋转系统(见图1a),尤其是对于没有线束,管道等相对复杂的机构的产品。在此种焊接过程中,产品被固定在一个旋转平台上,产品会沿着既定激光束旋转一周或是多周,其中最主要的一个工艺参数就是产品的圆周进给速度及所需要的激光束能量,这些参数都可以进行工艺设定及进行相应的优化。

此种焊接方式具是一种经济型的解决方案,并且利于设计实现的便捷性,其最大的优势是可以使用高温计或是远红外相机实现过程控制。但是这种工艺在高自动化及加工产品尺寸上具有一定的局限性(如产品总体外观尺寸,管线长度等…)

(b) 产品固定,激光束绕转

第二种工艺方式与第一种工艺方式实现方式有所不同,并且也已有十多年的应用经验。在此种工艺中,工件被固定在载具上面,激光束通过合适的光学结构(光学臂)绕转工件,主要的工艺参数与上述第一种工艺方式一致。

这种焊接方式一个最大的优势是可以实现较大几何尺寸产品的焊接,或是在非焊接部位有线缆的产品,就使得部分焊接产品的线缆可以很长,甚至长达数米。全新一代的焊接模组具有广泛的适用性,易于实现自动化集成,该组激光安全等级可达1级。

(c) 产品固定,激光束通过反射镜透射到产品上

目前最新的径向焊接技术是基于激光扫描技术的准同步焊接。扫描振镜引导控制激光束的移动,并且投射到锥形镜面上,锥形镜面将激光束反射到待焊接位置(Fig1.c),在此种结构下,激光束作环形运动形成沿着产品绕转的能量光束。

与上述焊接方式相较,除了适用较大产品尺寸以及含有线缆的产品焊接,此焊接工艺还有一个最主要的优势就是可以实现焊接轨迹的最大自由化变换,不仅仅是圆形焊接轨道,还可以实现准同步多轨道的焊接。另外一个优势就是得益于高速扫描振镜的加工速度,焊接速度可以大幅提升。由于采用了更多的光学部件,使得在线监测变得一定程度上的受限,另外还要对这些光学器件进行定期的监测、维护。

焊接工艺比较

由于每一种的焊接方式都有一定的优势及相应的局限性,下表展示了同焊接方式的在使用上的优劣性供参考。在实际使用中这三种方式根据各自的需要都有采用,并且都在汽车电子产业中实现了规模化的工业生产。


径向对称激光焊接工艺的应用


工艺过程监控

一般常用的轮廓焊接中都需要使用工艺过程监控,工业生产中最常用也是迄今为止最为经济有效的方法是通过高温计来监测焊接区域的温度。在上述三种焊接方式中均是将高温计耦合至激光传输光路中进行同步测量。依据材料及其添加剂的不同,温度量测信号实时而动,并且可以设定上下限范围,上下焊接件之间的不良接触或是空气间隙都能通过这种方式监测出来。通过这种方法还可以根据温度曲线变化适时调节激光器的输出能量。


径向对称激光焊接工艺的应用

图2,高温计量测温度曲线示意图


应用实例

径向焊接较为广泛的应用主要有管线相关的连接器,输油管或SCR管线的阀组件以及瓶体相关的应用。Fig.3 即为一个径向焊接产品图例,管体本身为激光吸收型材料,接头为激光透过性材料。本产品选用配套光学手臂的结构,并辅以高温计来进行工艺过程监控及优化。紫宸激光上下料系统提供紧凑型集成设备VP700是专为此种应用而开发的装备,并可保证激光的安全等级为1级,这样就无需集成商再进行结构复杂的安全防护罩设计。


径向对称激光焊接工艺的应用

图3,管线焊接样品图示


设计规范

激光塑料焊接对于材料和产品的几何结构都有必要的要求,尤其是对于径向对称的产品焊接必须要求在焊接位置径向对称结构设计。随着光学产品和工艺技术研发,激光塑料焊接可以扩展至椭圆焊道甚至更复杂结构的旋转焊接。一般来说,此种工艺最重要的是两工件之间的过盈配合效果。


径向对称激光焊接工艺的应用

图4,过盈配合结构设计


由于径向焊接无需外加焊接夹持压力,所以焊接位置的机构设计至为重要。装配时需要保证两工件之间提供较好的过盈配合压力,确保接触面之间无空隙。常见的过盈配合结构可参考图4设计以确保合适的过盈配合压力。两工件之间的公差很大程度上依赖于工件的尺寸及材料本身性能,必要时需要进行系列测试来确定最终的配合公差尺寸。在塑料玻璃化状态下,液态塑料在一定压力下会外溢、流动,因此焊接位置尽量避免直接暴露在显眼的位置影响产品的美观性。

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