創新的雷射焊接解決方案

2020-12-05 OFweek維科網

用高溫計配合掃描振鏡進行同步過程控制

作者：Wolfgang Horn

  Wolfgang Horn畢業於德國達姆施達特應用技術大學物理系。1995年進入德國曼海姆大學的焊接研究院 (SLV)深造。1997－2002年，Wolfgang在曼海姆大學焊接研究院的製程部負責研發工作。2002年，Wolfgang正式加入DILAS Diodenlaser GmbH,負責德國DILAS的工業雷射系統產品。


　　德國DILAS新型掃描振鏡，融合了同軸溫度探測器在準同步材料表面溫度控制以及快速光線掃描的兩大優勢。該掃描振鏡不但能使用在準同步聚合物焊接中，且能用在同一工作面內非機械定位的某些多焊點回流焊。在焊接過程中，溫度控制過程穩定、可靠。

　　高溫計控制的雷射過程

　　與其他類型的雷射器相比，半導體雷射器能將能量（電流）直接轉化為雷射輻射。半導體雷射器允許對雷射能量進行快速調節，這對於使用高溫計進行閉環溫度控制的快速加工過程至關重要。在聚合物的輪廓焊接、熔接及熱處理應用中，可以把高溫計傳感器與加工用的光學元件整合在一起，從而能從加工區域探測同軸熱輻射。

　　為避免高溫計與雷射源相互幹擾，高溫計的探測器的敏感波長必須與雷射源的波長不同。用於材料加工中的高溫計，大多使用在1800～2100nm波長範圍內高度敏感的探測器，而半導體雷射器的波長通常為810nm或980nm。

　　為確定處理製程的絕對溫度，必須要知道材料的一些屬性，如輻射係數及表面特性。然而對於大部分過程而言，材料的這些屬性並沒有確定。例如在軟焊過程中，焊料的狀態是從固態變到液態、然後又回到固態，因此焊料的光學屬性也在變化。在聚合物焊接過程中，熱輻射被玻璃、顏料或其他填充材料所吸收或散射。

　　對大部分應用來講，一個相應的溫度測量對於開環或閉環過程控制來講已經足夠了。高溫計的控制器能存儲焊接溫度、雷射輸出功率等處理數據，以供存檔和分析使用。因此，高溫計是用於質量控制和產品開發的一個有用工具。

　　掃描振鏡與高溫計

　　當需要對雷射斑進行快速定位或移動時，一種常用的方法是使用掃描振鏡。典型的應用是聚合物的準同步焊接或回流焊。反射鏡使雷射束偏離透鏡的光軸，並使光束不再與光軸平行。這會對高溫計的使用產生一些嚴重的後果。標準平場透鏡的光學屬性，如焦距及防反射塗層只能在很小的特定波長範圍內工作。因為高溫計和雷射器的波長不同，色差將致使兩者的焦點位置並不相同（見圖1）。也就是說，在加工過程中，高溫計所探測到的輻射並不是來自雷射的焦點處。因而，這就不可能實現閉環過程或者甚至是溫度監控了。但是，通過特別設計，能夠實現一個糾正色差的平場透鏡，從而使高溫計和雷射的焦點重合。圖2顯示了DILAS的掃描振鏡DL.S20P，它整合了單色高溫計和糾正色差的平場透鏡。該掃描振鏡與DILAS公司生產的COMPACT光纖耦合半導體雷射系統配合使用，隨系統還附有用于振鏡和高溫計控制的成熟的軟體。

 
圖1：高溫計和雷射在標準的平場透鏡（左）下有不同的焦點，而糾正色差的平場透鏡（右）實現了兩者的焦點重合。

 
圖 2：DILAS 掃描振鏡 DL.S20P 為閉環溫度控制整合了軸向單色高溫計。


　　準同步焊接
　　為了檢驗焊接的特性，我們設計了一個盒子形狀的測試部件，這種部件在汽車行業中最為常見（見圖3）。盒蓋是由摻雜了30%玻璃的PBT（聚丁烯對苯二酸鹽）製成的。我們使用壓縮空氣來漲破盒子來檢驗焊接的質量。

 

 
圖 3：雷射焊接測試盒


　　在開環過程中，處理溫度變化範圍很小。使用固定的焊接速度，雷射功率必須要保證±2％的穩定性，這樣才能達到大約11.2帕的最大破壞氣壓。

　　在閉環過程中，處理溫度能夠從210℃變化到280℃，對焊接結果沒有太大的影響。處理溫度變化範圍比在開環過程中大，並且破壞氣壓超過11.7帕。在高溫計的測量範圍中，焊接過程會受到雷射透射部件的光學屬性的限制。在近紅外區的透射決定了所能實現的最大焊接速度。掃描振鏡及糾正色差平場透鏡的工作面積範圍，限制了焊接部件的大小。

　　焊接
　　用高功率半導體雷射器實施的雷射焊接，除了在電子製造領域具備優勢外，也能在薄膜太陽能電池焊接應用中大顯身手。使用連續半導體雷射器焊接，能獲得幾平方毫米大小的焊點（見圖4）。雷射焊接是一種非接觸性焊接技術，而且能精確散熱，熱影響區非常小。這限制了焊接過程中太陽能電池產生的熱應力。

　　通常矽太陽能電池互相連接成一條細線，然後層疊在模塊裡。這種技術要求使用額外的設備來處理又長、又易碎的細線。採用雷射焊接，能通過直接焊接疊層，完全避免對細線的處理。這些模塊的層疊順序一般是玻璃、聚合乙烯乙烯醋酸酯 （EVA）、鍍錫帶、太陽能單元、鍍錫帶和透明 PVF 底層(聚乙烯化合物氟化物)。PV模塊的前面和後面能夠透射雷射。焊接可以在層疊之前或之後進行。關於焊點的拉力和接觸電阻，雷射焊點的質量超過其他連接技術。雷射焊點的拉力比其他方法高出3倍，而熱阻只有其他方法的14%[1]。

　　不需要移動光學透鏡及太陽能電池單元，掃描振鏡可以焊接太陽能電池模塊上的所有連接點。由於平場透鏡有限的工作面積，必須要移動掃描振鏡以處理模塊的所有單元。

　　圖5顯示了閉環焊接過程中，溫度和雷射功率相對於時間的變化曲線。溫度上升了150ms後，保持了200ms的穩定，以將熱影響降至最小。
 

圖 4：太陽能電池單元模塊中的雷射焊接


 圖5：閉環焊接過程中的溫度曲線

　　結論
　　使用快速反應的雷射光源及新開發的光學元件，可以將閉環高溫計控制和用掃描振鏡實現的快速光束定位結合在一起。測試結果顯示了一個具有更寬處理溫度範圍的、更穩定的焊接過程。該技術為工業製造開闢了一種新的加工方法，能大大減少生產中產出的廢料。

　　參考文獻

　　[1]W.Horn, High power Diode lassers for industrial Applications, ICALEO(2007).
　　[2]E.jaeger, Diode lasers in Electronics and Plastics Production,6th Workshop Application of High Powr Diode lasers,Dresden Germany(2006)

相關焦點

  • 氫燃料電池雙極板雷射焊接解決方案
    氫能源汽車燃料電池雙極板焊接方式雙極板焊接分流道區域焊接和密封區域焊接，對應的材料大部分是金屬和複合板，單片材料的厚度分布在0．05mm～0．3mm之間進行焊接。雷射焊接雙極板按照雷射輸出、雷射器、焊接頭等不同，可進行多種分類。
  • 新技術|高質高效的不鏽鋼機器人焊接解決方案閃耀工博會
    第二十一屆中國國際工業博覽會在國家會展中心(上海)機器人展，由江蘇哈工智慧機器人股份有限公司旗下蘇州哈工易科機器人有限公司研發設計的不鏽鋼焊接：一級焊縫系統解決方案」，憑藉多項技術創新吸睛無數，成為熱門產品。
  • 慕尼黑上海光博會:感受尖端科技,探尋雷射光學解決方案
    行業買家齊聚，探尋雷射加工解決方案 雷射生產與加工技術設備館將成為本屆展會的重點展館，將覆蓋上海新國際博覽中心整個 W2 館，屆時將有雷射加工領域的眾多知名展商為您帶來有關雷射切割、雷射打標、雷射鑽孔、雷射焊接、雷射熱處理、精密零部件加工、表面處理、雷射快速成型、雷射刻劃、雷射晶化、雷射偵查對抗、雷射陀螺、雷射測距、雷射融覆、雷射修復等先進加工技術
  • 從雷射切割到雷射焊接,「爆款」技術掀起ITES光電盛宴
    >該系統通過高精密六軸機械手輔助，能輕易實現三維空間自動焊接&切割，解決了焊接、切割行業以前面臨的多維度空間連續焊接或切割難題。現場品牌：大族雷射、創新雷射、逸飛雷射、銘鐳雷射、海維雷射、大粵雷射、晨皓達、賽碩雷射、恆德光電、優控雷射、思博威、力星雷射、亞威股份、銳創、宏山雷射等。
  • 中科煜宸雷射焊接技術及裝備在新能源汽車領域大放異彩
    中科煜宸擁有國內領先的雷射焊接技術及裝備，在新能源汽車領域，中科煜宸成功攻克了全鋁車身及零部件的雷射焊接、電機轉子銅合金雷射焊接等難題，成為國內首家提供全鋁車身側圍雷射焊接裝備和電機轉子雷射焊接裝備的供應商。中科煜宸可提供新能源汽車從材料創新設計、製造工藝到集成製造裝備等全面的系統解決方案。
  • 整裝待發 Laser Welding Asia廣州國際雷射及焊接工業展覽會
    安德雷射為國內外客戶提供一整套雷射加工解決方案及相關配套設施，主要產品包括：雷射打標機系列、雷射焊接機系列、雷射切割機系列、及雷射設備周邊自動化方案等多個系列100餘種工業雷射設備及其配套產品。4、深圳市駿騰發自動焊接裝備股份有限公司 駿騰發集團成立於1995年，是一家集科研、開發、製造、銷售於一體的自動化焊接裝備高新技術企業。
  • 雷射焊接技術最新研究進展及應用現狀？
    ，焊接頭設計並應用到實際的焊接加工場所，其提供了不同焊接要求的解決方案。比如雷射需要分出多束光來提高焊接效率，此時應用掃描振鏡焊接頭能夠有效地解決高效率的要求。如圖8的擺動焊接頭，其能有效改善焊縫內部和外觀質量，提高易產生缺陷材料的焊接性。
  • 雷射焊接在汽車行業應用與前景
    雷射焊接技術主要用於汽車白車身頂蓋雷射自動焊接、多聯齒輪雷射焊接、安全氣囊點火器雷射焊接、傳感器雷射焊接、電池閥雷射焊接等，具體如下：圖表 1 雷射焊接技術在汽車製造工業中的應用部位資料來源：OFweek產業研究院汽車領域雷射焊接方式的應用在汽車工業，雷射焊接通常被應用於車身焊接的關鍵工位以及對工藝有特殊要求的部位，如：用於車頂與側圍外板焊接能解決焊接強度、效率、外觀及密封性的問題；用於後蓋焊接可解決直角搭接問題；用於車門總成的雷射拼焊可有效提高焊接質量及效率。
  • 徑向對稱塑料產品的雷射焊接
    近年來，雷射塑料焊接的應用逐漸增加，尤其是在汽車電子，醫療技術和家用電器等行業越來越廣泛，一方面是因為雷射焊接本身的技術優勢，另一方面得益於汽車相關行業的不斷創新需求和產品的成本管控的壓力。因此，汽車行業供應商一直在尋找更多的創新技術，以便以更低的成本為客戶提供更優質的產品服務。
  • 雷射焊接技術最新研究進展及應用現狀
    據實際的焊接需求，焊接頭設計並應用到實際的焊接加工場所，其提供了不同焊接要求的解決方案。；船舶所用的板材與普通機械產品的板材選取有著很大的差異，採用雷射焊接技術，可以有效地解決焊縫更長、船板出現翹曲變形問題。
  • 雷射焊接技術最新研究進展及應用現狀
    世界各製造業大國為更好應對未來製造業競爭，相繼提出本國製造業升級換代的國家戰略，比較著名的為德國工業製造4.0和美國的工業網際網路，其積極地推出製造業產業升級的新政策，鼓勵製造業的技術創新並給予重點資助，其中雷射焊接作為高端裝備技術重要的一部分而備受關注。
  • TUV萊茵於AMTS 2016展示汽車工業雷射生產系統安全解決方案
    上海2016年8月29日電 /美通社/ -- 2016年8月24-26日，第十二屆上海國際汽車製造技術與裝備及材料展覽會（AMTS 2016）在上海新國際博覽中心舉辦，匯聚了來自世界各地科研及工業領域的企業、專家和學者，以國際化的視角呈現汽車工程領域全方位的新技術、新理念，攜手展示創新的尖端技術及解決方案。
  • 聯贏雷射的系列雷射焊接設備介紹
    打開APP 聯贏雷射的系列雷射焊接設備介紹 工程師曾玲 發表於 2018-07-06 09:01:00 1、1000w直接半導體雷射焊接機 用於薄板不鏽鋼的快速雷射焊接，由於半導體優秀的光束均勻性，使其在焊接薄板不鏽鋼時焊縫成形非好好，不用二次加工；且半導體雷射器是目前電光效率最高的雷射器，客戶的使用成本將進一步降低。
  • 雷射錫焊之雷射焊接錫膏的應用與優勢
    雷射錫焊之雷射焊接錫膏的應用與優勢錫膏雷射焊接是以半導體雷射為熱源，對雷射焊專用錫膏進行加熱的焊接技術，廣泛應用於汽車電子行業業、半導體行業和手機消費電子行業錫膏雷射焊接的光源採用半導體雷射，波長在900-980nm。其通過光學鏡頭可以精確控制雷射能量，聚焦在對應的焊點上，雷射錫膏焊接的優點是其可以精確控制所需要的焊接能量。其廣泛應用在選擇性的回流焊工藝後端或者採用送錫絲焊接的接插件。如果是SMD元器件則需要首先點塗錫膏，然後再進行雷射焊接。
  • 雷射焊接與電阻焊接有哪些區別
    ，雷射焊接的誕生解決企業生產對高端焊接的需求， 也徹底改變了焊接的加工方式，其無汙染無輻射的焊接方式及高效高質量的焊接技術註定著其將成來未來焊接加工 技術的唯一選擇。那麼雷射焊接與電阻焊接到底差別在哪裡，下邊我們先來了解什麼是電阻焊及其優缺點。一、兩種焊接方法的定義：電阻焊：是一種以加熱方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的製造工藝及技術，是工件組合後通過電極施加壓力，利用電 流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法。雷射焊：雷射焊接是利用高能量密度的雷射束作為熱源的一種高效精密，無接觸，無汙染，無輻射的焊接方法。
  • 大族雷射陸雲波:雷射焊接技術在3C行業的應用
    雷射焊接是將雷射束直接照射到被焊材料表面，通過雷射與材料的作用，將被焊材料加熱至熔化溫度以上熔合而完成焊接。雷射焊接實質上是雷射與材料相互作用的過程，涉及到反射、吸收、加熱、熔化、汽化等現象。分類包括：熱傳導焊接（其中包含微焊接）和深熔焊接。
  • Amtron專注半導體雷射塑料焊接控制技術
    、金屬等材料的焊接。，一直致力於高品質半導體雷射控制器、半導體雷射控制系統、溫度/功率傳感器等產品的開發創新並為客戶提供系統的解決方案，特別適合在塑料焊接，醫療，國防，固體雷射器泵浦等行業使用。>塑料焊接三大必要條件：焊接溫度、焊接壓力、作用時問。
  • 這設備多少錢,5軸雷射加工,可用於精密切割、焊接和鑽孔
    展會將全方位呈現先進雷射及加工應用技術、機器視覺與應用、自動化及機器人、電子製造智能化解決方案、線束加工與連接技術、點膠注膠設備及材料六大模塊及智慧工廠特色環節，打通產業鏈，為上下遊企業提供更具針對性的互動交流平臺。
  • 雷射軟釺焊之雷射焊錫膏焊接過程介紹
    與其他焊接技術相比，雷射焊接技術是一種現代的新型焊接技術雷射軟釺焊雷射軟釺焊技術是利用雷射束直接照射釺焊部位。>焊的焊接過程分為兩步：首先對雷射軟釺焊錫膏進行預熱，在錫膏預熱的同時，焊點也會被預熱，然後高溫把錫膏融化成錫液，讓錫液完全潤溼焊盤，最終形成焊接。
  • 加大雷射焊接技術應用 IPG收購Laser Depth Dynamics
    IPG Photonics日前宣布，已經收購了為雷射焊接應用提供過程質量監測和控制解決方案的公司Laser Depth Dynamics （LDD）。LDD專有的內聯相干成像（ICI）技術是首個能夠通過在焊接頭上添加近紅外測量光束，以對焊縫深度進行高精度實時直接測量的工業解決方案。