徑向對稱塑料產品的雷射焊接

2020-12-01 OFweek維科網

徑向對稱塑料部件的雷射焊接是當下塑料連接技術最有效的方法之一，此工藝在連接潔淨度及高精度方面具有強大的技術優勢及經濟性可行性。

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。

雷射塑料焊接有其自身的工藝特點，如柔性加工，便捷的過程控制，非接觸性加工，精準加工區域控制，熱影響區較小及焊接部位較小的應力等，為此雷射塑料焊接可以充分應用其工藝優勢並對生產工藝進行不斷地優化調整。另外，相較於其他焊接方式，雷射塑料焊接是一種完全無磨損的工藝方式。對於一些含有敏感元器件的產品焊接，高強度焊接需求，尤其是對於潔淨度和無粉塵要求的產品，雷射塑料焊接是最佳之選。

基本原理

現在的雷射塑料焊接主要是透過式的焊接方式。一般來說，塑料件輔以不同的添加劑或是添加劑的濃度不同會造成不同的雷射穿透率。焊接時，待焊接兩個部件彼此疊置，雷射束穿透上層透過率較高的材料，聚焦於下層雷射吸收層上，高能雷射束使其熔化，同時熱量通過熱傳導的方式傳遞給深層高透明材料使其熔化，在一定的壓力下，上下兩部件連接在一起，形成焊接。

依據焊接產品的幾何結構，根據雷射能量的控制方式可以分為輪廓焊接，準同步焊接及同步焊接這幾種方式。在輪廓焊接中，雷射束與工件焊接位置相對繞轉而成的徑向對稱焊接特殊方式。在焊接過程中，雷射束沿著既定軌跡對產品進行一次或多次的雷射束慢速掃描使待焊接產品接觸面升溫熔化，然後漸次冷卻，形成焊接輪廓。

此種焊接方式與一般雷射塑料焊接最大的區別是焊接過程中施加的加持力方式有所不同，在徑向對稱產品焊接過程中，需要依據產品的機構採用過盈配合的方式施加焊接過程中所必須的壓力，這樣就無需準備外部施力結構。此種焊接方式具有明顯的經濟可行性及縮短了整個焊接節拍。因此兩件產品件的配合公差就顯得尤為重要，前期準備工作中結構設計、注塑等環節中要引起足夠重視。

三種不同工藝方式

下圖展示了徑向對稱旋轉焊接在工業生產中常用的三種方式圖例及其解釋，最主要的區別是雷射束的運動控制方式的不同。

（a） 雷射束固定，產品旋轉

目前應用最為簡潔並且廣泛的一種方式為固定光學路徑產品旋轉系統（見圖1a），尤其是對於沒有線束，管道等相對複雜的機構的產品。在此種焊接過程中，產品被固定在一個旋轉平臺上，產品會沿著既定雷射束旋轉一周或是多周，其中最主要的一個工藝參數就是產品的圓周進給速度及所需要的雷射束能量，這些參數都可以進行工藝設定及進行相應的優化。

此種焊接方式具是一種經濟型的解決方案，並且利於設計實現的便捷性，其最大的優勢是可以使用高溫計或是遠紅外相機實現過程控制。但是這種工藝在高自動化及加工產品尺寸上具有一定的局限性（如產品總體外觀尺寸，管線長度等…）

（b） 產品固定，雷射束繞轉

第二種工藝方式與第一種工藝方式實現方式有所不同，並且也已有十多年的應用經驗。在此種工藝中，工件被固定在載具上面，雷射束通過合適的光學結構（光學臂）繞轉工件，主要的工藝參數與上述第一種工藝方式一致。

這種焊接方式一個最大的優勢是可以實現較大幾何尺寸產品的焊接，或是在非焊接部位有線纜的產品，就使得部分焊接產品的線纜可以很長，甚至長達數米。全新一代的焊接模組具有廣泛的適用性，易於實現自動化集成，該組雷射安全等級可達1級。

（c） 產品固定，雷射束通過反射鏡透射到產品上

目前最新的徑向焊接技術是基於雷射掃描技術的準同步焊接。掃描振鏡引導控制雷射束的移動，並且投射到錐形鏡面上，錐形鏡面將雷射束反射到待焊接位置（Fig1．c），在此種結構下，雷射束作環形運動形成沿著產品繞轉的能量光束。

與上述焊接方式相較，除了適用較大產品尺寸以及含有線纜的產品焊接，此焊接工藝還有一個最主要的優勢就是可以實現焊接軌跡的最大自由化變換，不僅僅是圓形焊接軌道，還可以實現準同步多軌道的焊接。另外一個優勢就是得益於高速掃描振鏡的加工速度，焊接速度可以大幅提升。由於採用了更多的光學部件，使得在線監測變得一定程度上的受限，另外還要對這些光學器件進行定期的監測、維護。

焊接工藝比較

由於每一種的焊接方式都有一定的優勢及相應的局限性，下表展示了同焊接方式的在使用上的優劣性供參考。在實際使用中這三種方式根據各自的需要都有採用，並且都在汽車電子產業中實現了規模化的工業生產。

工藝過程監控

一般常用的輪廓焊接中都需要使用工藝過程監控，工業生產中最常用也是迄今為止最為經濟有效的方法是通過高溫計來監測焊接區域的溫度。在上述三種焊接方式中均是將高溫計耦合至雷射傳輸光路中進行同步測量。依據材料及其添加劑的不同，溫度量測信號實時而動，並且可以設定上下限範圍，上下焊接件之間的不良接觸或是空氣間隙都能通過這種方式監測出來。通過這種方法還可以根據溫度曲線變化適時調節雷射器的輸出能量。

圖2，高溫計量測溫度曲線示意圖

應用實例

徑向焊接較為廣泛的應用主要有管線相關的連接器，輸油管或SCR管線的閥組件以及瓶體相關的應用。Fig．3 即為一個徑向焊接產品圖例，管體本身為雷射吸收型材料，接頭為雷射透過性材料。本產品選用配套光學手臂的結構，並輔以高溫計來進行工藝過程監控及優化。易沃斯雷射系統Evosys提供緊湊型集成設備EVO 0700是專為此種應用而開發的裝備，並可保證雷射的安全等級為1級，這樣就無需集成商再進行結構複雜的安全防護罩設計。

圖3，管線焊接樣品圖示

設計規範

雷射塑料焊接對於材料和產品的幾何結構都有必要的要求，尤其是對於徑向對稱的產品焊接必須要求在焊接位置徑向對稱結構設計。隨著光學產品和工藝技術研發，雷射塑料焊接可以擴展至橢圓焊道甚至更複雜結構的旋轉焊接。一般來說，此種工藝最重要的是兩工件之間的過盈配合效果。

由於徑向焊接無需外加焊接夾持壓力，所以焊接位置的機構設計至為重要。裝配時需要保證兩工件之間提供較好的過盈配合壓力，確保接觸面之間無空隙。常見的過盈配合結構可參考圖4設計以確保合適的過盈配合壓力。兩工件之間的公差很大程度上依賴於工件的尺寸及材料本身性能，必要時需要進行系列測試來確定最終的配合公差尺寸。在塑料玻璃化狀態下，液態塑料在一定壓力下會外溢、流動，因此焊接位置儘量避免直接暴露在顯眼的位置影響產品的美觀性。

圖4，過盈配合結構設計

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