徑向?qū)ΨQ激光焊接工藝的應(yīng)用

徑向?qū)ΨQ激光焊接工藝的應(yīng)用

在人們認(rèn)為激光能夠焊接金屬的時候，考慮用激光焊接塑料的人并不多。的確，這是一件難事。為了形成搭接焊縫，在試圖熔化底層時，頂板由于強(qiáng)烈地吸收CO2激光束通常熔化得太多；而對焊則由于安裝要求和塑料熔體的支托比較困難而難于實(shí)現(xiàn)。然而，徑向?qū)ΨQ塑料部件的激光焊接是當(dāng)下塑料連接技術(shù)較有效的方法之一，此工藝在連接潔凈度及高精度方面具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢及經(jīng)濟(jì)性可行性。

基本原理

依據(jù)焊接產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)激光能量的控制方式可以分為輪廓焊接，準(zhǔn)同步焊接及同步焊接這幾種方式。在輪廓焊接中，激光束與工件焊接位置相對繞轉(zhuǎn)而成的徑向?qū)ΨQ焊接特殊方式。在焊接過程中，激光束沿著既定軌跡對產(chǎn)品進(jìn)行一次或多次的激光束慢速掃描使待焊接產(chǎn)品接觸面升溫熔化，然后漸次冷卻，形成焊接輪廓。

此種焊接方式與一般激光塑料焊接較大的區(qū)別是焊接過程中施加的加持力方式有所不同，在徑向?qū)ΨQ產(chǎn)品焊接過程中，需要依據(jù)產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)采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(zhǔn)備外部施力結(jié)構(gòu)。此種焊接方式具有明顯的經(jīng)濟(jì)可行性及縮短了整個焊接節(jié)拍。因此兩件產(chǎn)品件的配合公差就顯得尤為重要，前期準(zhǔn)備工作中結(jié)構(gòu)設(shè)計、注塑等環(huán)節(jié)中要引起足夠重視。

三種不同工藝方式

下圖展示了徑向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)焊接在工業(yè)生產(chǎn)中常用的三種方式圖例及其解釋，較主要的區(qū)別是激光束的運(yùn)動控制方式的不同。

（a） 激光束固定，產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)

目前應(yīng)用較為簡潔并且大量的一種方式為固定光學(xué)路徑產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)（見圖1a），尤其是對于沒有線束，管道等相對復(fù)雜的機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品。在此種焊接過程中，產(chǎn)品被固定在一個旋轉(zhuǎn)平臺上，產(chǎn)品會沿著既定激光束旋轉(zhuǎn)一周或是多周，其中較主要的一個工藝參數(shù)就是產(chǎn)品的圓周進(jìn)給速度及所需要的激光束能量，這些參數(shù)都可以進(jìn)行工藝設(shè)定及進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

此種焊接方式具是一種經(jīng)濟(jì)型的解決方案，并且利于設(shè)計實(shí)現(xiàn)的便捷性，其較大的優(yōu)勢是可以使用高溫計或是遠(yuǎn)紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)過程控制。但是這種工藝在高自動化及加工產(chǎn)品尺寸上具有一定的局限性（如產(chǎn)品總體外觀尺寸，管線長度等…）

（b） 產(chǎn)品固定，激光束繞轉(zhuǎn)

第二種工藝方式與**種工藝方式實(shí)現(xiàn)方式有所不同，并且也已有十多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。在此種工藝中，工件被固定在載具上面，激光束通過合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)（光學(xué)臂）繞轉(zhuǎn)工件，主要的工藝參數(shù)與上述**種工藝方式一致。

這種焊接方式一個較大的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)較大幾何尺寸產(chǎn)品的焊接，或是在非焊接部位有線纜的產(chǎn)品，就使得部分焊接產(chǎn)品的線纜可以很長，甚至長達(dá)數(shù)米。全新一代的焊接模組具有大量的適用性，易于實(shí)現(xiàn)自動化集成，該組激光安全等級可達(dá)1級。

（c） 產(chǎn)品固定，激光束通過反射鏡透射到產(chǎn)品上

目前較新的徑向焊接技術(shù)是基于激光掃描技術(shù)的準(zhǔn)同步焊接。掃描振鏡引導(dǎo)控制激光束的移動，并且投射到錐形鏡面上，錐形鏡面將激光束反射到待焊接位置（Fig1．c），在此種結(jié)構(gòu)下，激光束作環(huán)形運(yùn)動形成沿著產(chǎn)品繞轉(zhuǎn)的能量光束。

與上述焊接方式相較，除了適用較大產(chǎn)品尺寸以及含有線纜的產(chǎn)品焊接，此焊接工藝還有一個較主要的優(yōu)勢就是可以實(shí)現(xiàn)焊接軌跡的較大自由化變換，不單是圓形焊接軌道，還可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步多軌道的焊接。另外一個優(yōu)勢就是得益于高速掃描振鏡的加工速度，焊接速度可以大幅提升。由于采用了更多的光學(xué)部件，使得在線監(jiān)測變得一定程度上的受限，另外還要對這些光學(xué)器件進(jìn)行定期的監(jiān)測、維護(hù)。

焊接工藝比較

由于每一種的焊接方式都有一定的優(yōu)勢及相應(yīng)的局限性，下表展示了同焊接方式的在使用上的優(yōu)劣性供參考。在實(shí)際使用中這三種方式根據(jù)各自的需要都有采用，并且都在汽車電子產(chǎn)業(yè)中實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)。

工藝過程監(jiān)控

一般常用的輪廓焊接中都需要使用工藝過程監(jiān)控，工業(yè)生產(chǎn)中較常用也是迄今為止較為經(jīng)濟(jì)有效的方法是通過高溫計來監(jiān)測焊接區(qū)域的溫度。在上述三種焊接方式中均是將高溫計耦合至激光傳輸光路中進(jìn)行同步測量。依據(jù)材料及其添加劑的不同，溫度量測信號實(shí)時而動，并且可以設(shè)定上下限范圍，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(jiān)測出來。通過這種方法還可以根據(jù)溫度曲線變化適時調(diào)節(jié)激光器的輸出能量。

應(yīng)用實(shí)例

徑向焊接較為大量的應(yīng)用主要有管線相關(guān)的連接器，輸油管或SCR管線的閥組件以及瓶體相關(guān)的應(yīng)用。Fig．3 即為一個徑向焊接產(chǎn)品圖例，管體本身為激光吸收型材料，接頭為激光透過性材料。本產(chǎn)品選用配套光學(xué)手臂的結(jié)構(gòu)，并輔以高溫計來進(jìn)行工藝過程監(jiān)控及優(yōu)化。紫宸激光上下料系統(tǒng)提供緊湊型集成設(shè)備VP700是專為此種應(yīng)用而開發(fā)的裝備，并可保證激光的安全等級為1級，這樣就無需集成商再進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)雜的安全防護(hù)罩設(shè)計。

設(shè)計規(guī)范

激光塑料焊接對于材料和產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)都有必要的要求，尤其是對于徑向?qū)ΨQ的產(chǎn)品焊接必須要求在焊接位置徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著光學(xué)產(chǎn)品和工藝技術(shù)研發(fā)，激光塑料焊接可以擴(kuò)展至橢圓焊道甚至更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)焊接。一般來說，此種工藝較重要的是兩工件之間的過盈配合效果。

圖4，過盈配合結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于徑向焊接無需外加焊接夾持壓力，所以焊接位置的機(jī)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)可參考圖4設(shè)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于工件的尺寸及材料本身性能，必要時需要進(jìn)行系列測試來確定較終的配合公差尺寸。在塑料玻璃化狀態(tài)下，液態(tài)塑料在一定壓力下會外溢、流動，因此焊接位置盡量避免直接暴露在顯眼的位置影響產(chǎn)品的美觀性。