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车灯核心技术报告之-激光焊接

时间:2018-04-12   访问量:1024

激光焊接的产品


我们先来看看已经用了激光焊接来生产的汽车尾灯。如果不打开后备箱仔细查看,很难看出和常规焊接的灯有什么差别。



车灯核心技术报告之-激光焊接




激光焊接的原理


汽车车灯的材料主要为树脂,透明面罩为PMMA,灯壳通常为ABS或者PC/ABS。激光焊接的原理其实非常简单,它是将待焊接的两个或多个树脂部件通过激光产生的热能使树脂部件熔化并完全粘合的技术,以此实现车灯的良好密封性。




如下图的原理图所示,将透镜与灯壳两种热塑性材料用夹具夹在一起,透镜在上,灯壳在下,施以一定夹持压力。红外激光束穿透上层透镜,到达下部的灯壳表面,红外激光光能转变成热能,使其表面熔化,同时热量也以传导方式,从底面传递到与其压接的透镜工件的接触面上,形成一个熔融区,从而实现完整密封焊接。



车灯核心技术报告之-激光焊接



焊接在一起的两个部件必须具有不同的传输特性,即其中一个部件对红外激光束的波长是透明的,而另一个部件吸收激光束的能量,吸光的零件在人眼看来并不透明。现在使用的大多数激光器都在近红外波段工作。在焊接过程中,激光束穿过夹紧工具和上部零件。当它碰到第二个零件的表面时,光被吸收并转化为热。然后,这些热量也通过热传导传递到透明部件中,导致两个部件接触部分的材料熔化。塑料在冷却后会再次硬化,以形成一种粘性连接。



由于激光焊接的精度远远高于热板焊和振动摩擦焊接,且可穿过透明面罩对密闭灯壳进行焊接。聚焦后的激光功率密度高达105 -107W/cm2,零件产生的变形极小,热影响区也很窄,零件外观基本没有破坏。因激光焊接需要不吸收激光能量的透明件的存在,故而特别适用于尾灯PC/ABS壳体与PMMA透明外罩的焊接。




在实际应用中,车灯激光焊接又有几种不同的焊接工艺方法:


轮廓焊接:激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并使其熔化,将塑料层逐渐粘结在一起;或者将被夹层沿着固定的激光束移动达到焊接的目的。


同步焊接:来自多个二极管激光器的激光束,通过光学元件将激光束整形,激光束被引导到沿着焊接层的轮廓线上,同时在焊缝处产生热量,从而使整个轮廓线同时熔化并粘结在一起。


扫描焊接:扫描焊接又称准同步焊接,扫描焊接技术综合了上述顺序型周线焊和同步焊接两种焊接技术。利用反射镜产生高速激光束10 米/秒的速度,沿着待焊接的部位移动,使得整个焊接处逐渐发热并熔合在一起。






后面我们着重介绍其中使用最广泛的激光轮廓焊接的方式,激光器沿着需要焊接的轮廓快速移动,从而实现整个尾灯的完整焊接。


激光焊接的设备


我们以乐普科公司常见的激光轮廓焊接为例,焊接头由机器人沿着透镜轮廓移动并使焊接筋熔化,从而将塑料层逐渐粘结在一起,达到焊接密封的目的。


为了加快焊接的效率和提高焊接的质量,现在通常采用混合焊接的方式,就是结合激光和卤素光源的优点。卤素灯已被证明特别适合混合焊接。虽然卤素灯在近红外范围内有最大的发射能量,但这些次级发射源与激光光源不同,它发射的是宽带发射光谱。这些发射源的好处是,在混合焊接中,二次发射光源可以完成两个不同的任务。首先,卤素光的光斑直径远大于激光束。因此,由于两个光源都聚焦在同一点上,它们给出了一个大的辐射圈,在外部急剧减弱,中心有一个高强度峰值来自激光束。当辐射圈穿过焊接线上的一个点时,材料首先被缓慢加热,然后被激光束熔化,然后当它再次进入仅受卤素光影响的区域时,再缓慢冷却。这是混合焊接的最大优点:它可以防止焊缝冷却过快,从而阻止应力在材料中积聚。另一个优点是卤素光斑的连续光谱:当激光几乎完全不受阻碍地通过透明的上部零件时,上层零件吸收了很大比例的二次辐射。这意味着上部透明部件并不像纯激光焊接那样完全通过间接热传导加热,直接吸收二次辐射导致更均匀的温度升高。同时使用混合焊接技术意味着生产线可以不再需要退火,从而省去部分焊接步骤。


车灯核心技术报告之-激光焊接


激光混合焊接头内还增加了一个空气压力滚轮。当机器人沿着焊缝移动时,该空气压力滚轮提供所需的夹紧力,可确保在材料在塑化区域内粘牢。在卤素光源的热量的支持下,上部焊接筋材料变得柔软,空气压力滚轮可以滚压透镜而不留下痕迹,而焊筋上的顶出痕可以很轻易的消除。同时机器人在移动时,可以随时调节空气压力滚轮的移动方向。因此,头部的内部可以独立于外壳旋转。激光束闯过环形卤素光源中间的孔,通过一个普通的聚焦透镜聚焦。空压集成在焊接头上,即使焊接的零件本身有偏差,也能保持恒定的夹紧力。这项技术使得从顶部提供夹紧压力的工具变得不必要,从而降低了设备的成本。



激光焊接的优缺点


较之于尾灯常见的热板焊和振动摩擦焊接,激光焊接有着许多天然的优势。


一是可以焊复杂轮廓的尾灯。常规的振动摩擦焊接,透镜需要相对于灯壳做高频往返振动,焊接区域因为摩擦而融化粘接,从而要求在移动的方向上透镜和灯壳不能有大的转折或斜面,因此对尾灯的3D形状有很多限制。热板焊相应限制少一点,热板需要融化透镜和灯壳的焊接筋,太大的斜面会导致焊渣的分布不均匀。而激光焊则很好的解决了这一问题,可以通过机器人或者光学折射原理来控制焊接的时间和位移,因此可以焊接各种复杂形状的尾灯,符合现今车灯的设计趋势。



二是焊接的外观好。如下图所示,振动摩擦焊的焊渣比较不均匀。而使用热板焊接,产生的焊缝则更加不均匀,控制不好还容易产生树脂烧焦的黑点。为了掩饰振动磨擦焊和热板焊接方法中的焊渣,很多外观要求高的尾灯都要求透镜做成双色注塑,焊接的轮廓区域用不透明的黑色或红色的框架来遮挡焊渣。这种方式无疑会增加透镜的成本。相比较而言,激光焊接需要熔化的焊接筋体积小,因此产生多余的焊渣少,肉眼上很难看出焊接的缺陷。



三是对汽车尾灯透镜的一个重要要求是其耐腐蚀性溶剂,如燃料、乙醇和防腐蜡。所有这些溶剂都会降低热塑性材料的表面应力,如果降低的表面应力低于零件内应力,零件会开裂。对振动磨擦焊和热板焊来说,焊接筋处的内应力非常高。因此在这些溶剂的影响下,焊接筋处很容易开裂。为了降低开裂的风险,车灯供应商在振动磨擦焊或热板焊之后都会对整灯进行退火。因此在装配工艺后会有一个退火箱,将零件加热到80°C并缓慢冷却,这个过程最多需要45分钟,对车灯供应商的精益化生产线的架构提出一定的挑战。而激光焊接则不存在这一问题。



当然激光焊接也有一些缺点:


焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内。


对零件的尺寸要求较高,必须确保焊件的最终位置在公差允许范围内。


设备投资相对振动焊和热板焊来说稍显昂贵。 



车灯核心技术报告之-激光焊接




激光焊接的焊缝光滑、焊接灵活、强度高、焊接速度快等优势,已成为车灯焊接中的潜力股,随着激光技术的发展,设备成本的下降,激光焊接将逐渐成为车灯焊接的主流工艺,近几年的增长趋势已逐步显现。


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