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  • 激光企業的新機遇:塑料激光焊接應用


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    激光焊接技術已經是一項得到廣泛應用的技術,主要應用在金屬加工領域。隨著塑料產業的發展以及它作為鋼鐵、鎂、鋁等金屬的替代品被廣泛的應用于汽車、船舶、包裝、電子等行業,塑料激光焊接技術得到相應的研究和應用,并因其獨特優勢受到推廣和青睞。

     

    盡管塑料激光焊接技術幾十年前就有了,然而早期由于激光技術、吸收劑、焊接方式,尤其是激光加工系統成本高等原因,未受到廣泛關注和應用。

     

    它在應用方面的研究可追溯到1970年使用遠紅外CO?激光。但由于其激光波長較長,塑料材料透過性不夠高,工程塑料的搭接焊因此受限。1985年有采用近紅外ND:YAG激光光源,利用塑料的透過性和吸收性,首次報道了搭接接頭結合面處的焊接方法。隨著技術的進步,相關材料的研究和成本降低,塑料激光焊接技術再獲關注,將在相關行業發光發熱,帶來巨大的社會和經濟效益。

     

    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過性,另一方則具有吸收性,稱為透過式塑料激光焊接。對于吸收性不足的材料,通常采用添加吸收劑(碳黑)的方式。只是碳黑也能吸收可見光,容易造成焊縫顏色變深,與母材顏色不同。英國焊接學會(TWI,The Welding Institute)已研制出對可見光透明的染料,可解決此問題。

     

    激光穿過透過性塑料到達吸收性塑料表面,吸收性塑料在加熱下軟化、熔融。同時由于熱傳導透過性塑料側也軟化、熔融。熔核尺寸達到要求后,撤掉激光熱源,在壓力作用下實現焊接。

     

     

    目前已有多種塑料焊接方法,如:超聲波焊接、摩擦焊接、振動焊接、熱板焊接,各種焊接方法適合不同尺寸、形狀的焊接部件,優劣比較見下圖。

     

     

    由此可見,相較于常規塑料焊接方式,塑料激光焊接能從二維到三維,打破形狀結構的制約,具有高效、高質、自動化優勢,適合更多領域的焊接需求。

     

    塑料激光焊接方式

     

    輪廓焊接:一種激光掃描焊接方式??晒潭üぜ?,令激光光束沿待焊接區域輪廓運動;也可固定激光光束,令待焊接工件沿預定軌跡運動。適用于復雜的二維焊縫,自由度高,靈活性好。

     

     

    同步焊接:利用光學整形元件調整激光束形狀,將一束或多束激光同時投射到待焊接區域,塑料軟化、熔融,完成焊接。

     

     

    準同步焊接:綜合前兩種焊接方式,焊接強度和質量與激光掃描速度、圈數,激光強度相關。

     

     

    掩膜焊接:即在激光光源與待焊接區域之間加一層膜,利用掩膜的遮蔽,使激光束僅作用于希望被焊接的區域。同時,掩膜可根據具體情況來進行設計,因此適用于不同平面幾何形狀,實現精細焊接。

     

     

    放射狀焊接:主要用于圓柱狀被焊物表面圓周線狀的焊接,具體可采用輪廓焊接或準同步焊接方式。

     

     

    GLOBO焊接:又稱球形焊接,Leister公司推出世界上首個3D塑料制件球形焊接系統。不需附加加緊裝置,夾緊壓力和能量作用可以同步優化,可與多維機械手配套使用,適用于二維三維任意形狀焊縫的焊接。

     

     

    瑞士、德國開始塑料激光技術設備研究早,leister、rofin公司網頁有專門針對塑料激光技術的介紹及設備展示,德國LIMO半導體激光器塑料焊接系統,美國相干也是制造塑料焊接用激光器的少數企業之一。

     

    國內對塑料激光焊接技術研究較晚,且多在學術理論方面的研究,實際應用領域的研究相對國外來說比較少。2005年華中科技大學建立了半導體激光焊接系統,2006年上海激光技術研究所研究了塑料的激光焊接工藝,2017年大族激光推出新型透明塑料激光焊接系統。國內技術成果轉化及企業關注程度仍顯不足,市場還有待開發,留給國內企業的空間還很大。

     

    塑料激光焊接應用優勢及前景

     

    環保要求及輕量化趨勢使得塑料越來越多的替代工業制品中的金屬部分,而塑料激光焊接相對其他焊接技術,具有更多優勢:

     

    1)非接觸焊接,與待焊接工件不發生物理接觸,熱塑性塑料不發生化學反應,可在工業環境下操作,適用于需要衛生安全的醫療和食品行業。醫療行業主要用于注射系統、醫療電子設備、各種人造移植及造口產品等。

     

    2)激光束形狀尺寸可調控,從而控制熱影響區和接合區域大小,自由度高,靈活性好。不限制待焊接零部件尺寸及形狀,能夠實現二維甚至三維的焊接,為多樣化定制化零部件生產提供了基礎。

     

    3)焊接速度快,焊縫強度高,無飛邊,無殘渣,能夠保證焊接區域的良好外觀。相關數據顯示,就普通乘用車而言,非金屬材料重量占比約1/3,部分車型這一占比更大,塑料則是車用非金屬四大材料之一。高檔轎車保險杠采用塑料激光焊接能夠達到強度和外觀兩全其美。其他如汽車濾清器、氣液分離器、汽車儀表盤外殼、電子開門器、變速箱等激光焊接都能發揮良好效果。

     

    4)精密牢固,不透氣,不漏水,能極大減少熱應力和振動應力,對于精密電子元器件及易損壞器件來說最適合不過。

     

    總體來說,塑料激光焊接能夠彌補常規塑料焊接方法的不足,而我國是一個巨大的塑料制品市場。2011-2015 年,我國塑料制品產量從 5474.31 萬噸快速增長至 7560.70 萬噸,年復合增長率為 8.41%。2016年,中國塑料制品產量為7717.2萬噸,同比增長2.7%。

     

    在汽車制造行業中,汽車塑料的用量是衡量一個國家汽車生產技術水平的標志之一,自20世紀70年代開始,汽車塑料的應用經歷了從內飾件向外部飾件不斷擴展的發展歷程,用量從約50 kg/輛迅速上升至目前約150 kg/輛,并且仍在持續增長中。

     

    都說見微知著,更何況這已不只是“微”的程度了,塑料激光焊接將是未來的發展趨勢,市場前景廣闊。目前國內已有企業關注到這一市場,并研發用于塑料焊接的激光設備。例如大族激光推出W421透明塑料激光焊接系統,華焯科技自主研發了激光塑料焊接技術設備。對于激光企業來說,現在正是開疆拓土的時刻,誰掌握先機,就能率先占有市場。

    激光焊接技術已經是一項得到廣泛應用的技術,主要應用在金屬加工領域。隨著塑料產業的發展以及它作為鋼鐵、鎂、鋁等金屬的替代品被廣泛的應用于汽車、船舶、包裝、電子等行業,塑料激光焊接技術得到相應的研究和應用,并因其獨特優勢受到推廣和青睞。

     

    盡管塑料激光焊接技術幾十年前就有了,然而早期由于激光技術、吸收劑、焊接方式,尤其是激光加工系統成本高等原因,未受到廣泛關注和應用。

     

    它在應用方面的研究可追溯到1970年使用遠紅外CO?激光。但由于其激光波長較長,塑料材料透過性不夠高,工程塑料的搭接焊因此受限。1985年有采用近紅外ND:YAG激光光源,利用塑料的透過性和吸收性,首次報道了搭接接頭結合面處的焊接方法。隨著技術的進步,相關材料的研究和成本降低,塑料激光焊接技術再獲關注,將在相關行業發光發熱,帶來巨大的社會和經濟效益。

     

    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過性,另一方則具有吸收性,稱為透過式塑料激光焊接。對于吸收性不足的材料,通常采用添加吸收劑(碳黑)的方式。只是碳黑也能吸收可見光,容易造成焊縫顏色變深,與母材顏色不同。英國焊接學會(TWI,The Welding Institute)已研制出對可見光透明的染料,可解決此問題。

     

    激光穿過透過性塑料到達吸收性塑料表面,吸收性塑料在加熱下軟化、熔融。同時由于熱傳導透過性塑料側也軟化、熔融。熔核尺寸達到要求后,撤掉激光熱源,在壓力作用下實現焊接。

     

     

    目前已有多種塑料焊接方法,如:超聲波焊接、摩擦焊接、振動焊接、熱板焊接,各種焊接方法適合不同尺寸、形狀的焊接部件,優劣比較見下圖。

     

     

    由此可見,相較于常規塑料焊接方式,塑料激光焊接能從二維到三維,打破形狀結構的制約,具有高效、高質、自動化優勢,適合更多領域的焊接需求。

     

    塑料激光焊接方式

     

    輪廓焊接:一種激光掃描焊接方式??晒潭üぜ?,令激光光束沿待焊接區域輪廓運動;也可固定激光光束,令待焊接工件沿預定軌跡運動。適用于復雜的二維焊縫,自由度高,靈活性好。

     

     

    同步焊接:利用光學整形元件調整激光束形狀,將一束或多束激光同時投射到待焊接區域,塑料軟化、熔融,完成焊接。

     

     

    準同步焊接:綜合前兩種焊接方式,焊接強度和質量與激光掃描速度、圈數,激光強度相關。

     

     

    掩膜焊接:即在激光光源與待焊接區域之間加一層膜,利用掩膜的遮蔽,使激光束僅作用于希望被焊接的區域。同時,掩膜可根據具體情況來進行設計,因此適用于不同平面幾何形狀,實現精細焊接。

     

     

    放射狀焊接:主要用于圓柱狀被焊物表面圓周線狀的焊接,具體可采用輪廓焊接或準同步焊接方式。

     

     

    GLOBO焊接:又稱球形焊接,Leister公司推出世界上首個3D塑料制件球形焊接系統。不需附加加緊裝置,夾緊壓力和能量作用可以同步優化,可與多維機械手配套使用,適用于二維三維任意形狀焊縫的焊接。

     

     

    瑞士、德國開始塑料激光技術設備研究早,leister、rofin公司網頁有專門針對塑料激光技術的介紹及設備展示,德國LIMO半導體激光器塑料焊接系統,美國相干也是制造塑料焊接用激光器的少數企業之一。

     

    國內對塑料激光焊接技術研究較晚,且多在學術理論方面的研究,實際應用領域的研究相對國外來說比較少。2005年華中科技大學建立了半導體激光焊接系統,2006年上海激光技術研究所研究了塑料的激光焊接工藝,2017年大族激光推出新型透明塑料激光焊接系統。國內技術成果轉化及企業關注程度仍顯不足,市場還有待開發,留給國內企業的空間還很大。

     

    塑料激光焊接應用優勢及前景

     

    環保要求及輕量化趨勢使得塑料越來越多的替代工業制品中的金屬部分,而塑料激光焊接相對其他焊接技術,具有更多優勢:

     

    1)非接觸焊接,與待焊接工件不發生物理接觸,熱塑性塑料不發生化學反應,可在工業環境下操作,適用于需要衛生安全的醫療和食品行業。醫療行業主要用于注射系統、醫療電子設備、各種人造移植及造口產品等。

     

    2)激光束形狀尺寸可調控,從而控制熱影響區和接合區域大小,自由度高,靈活性好。不限制待焊接零部件尺寸及形狀,能夠實現二維甚至三維的焊接,為多樣化定制化零部件生產提供了基礎。

     

    3)焊接速度快,焊縫強度高,無飛邊,無殘渣,能夠保證焊接區域的良好外觀。相關數據顯示,就普通乘用車而言,非金屬材料重量占比約1/3,部分車型這一占比更大,塑料則是車用非金屬四大材料之一。高檔轎車保險杠采用塑料激光焊接能夠達到強度和外觀兩全其美。其他如汽車濾清器、氣液分離器、汽車儀表盤外殼、電子開門器、變速箱等激光焊接都能發揮良好效果。

     

    4)精密牢固,不透氣,不漏水,能極大減少熱應力和振動應力,對于精密電子元器件及易損壞器件來說最適合不過。

     

    總體來說,塑料激光焊接能夠彌補常規塑料焊接方法的不足,而我國是一個巨大的塑料制品市場。2011-2015 年,我國塑料制品產量從 5474.31 萬噸快速增長至 7560.70 萬噸,年復合增長率為 8.41%。2016年,中國塑料制品產量為7717.2萬噸,同比增長2.7%。

     

    在汽車制造行業中,汽車塑料的用量是衡量一個國家汽車生產技術水平的標志之一,自20世紀70年代開始,汽車塑料的應用經歷了從內飾件向外部飾件不斷擴展的發展歷程,用量從約50 kg/輛迅速上升至目前約150 kg/輛,并且仍在持續增長中。

     

    都說見微知著,更何況這已不只是“微”的程度了,塑料激光焊接將是未來的發展趨勢,市場前景廣闊。目前國內已有企業關注到這一市場,并研發用于塑料焊接的激光設備。例如大族激光推出W421透明塑料激光焊接系統,華焯科技自主研發了激光塑料焊接技術設備。對于激光企業來說,現在正是開疆拓土的時刻,誰掌握先機,就能率先占有市場。

     


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