2020年12月车灯核心技术报告之-激光同步焊接

于 2021-05-23 21:17:50 发布 1499 阅读 0 评论


研究院上篇文章初略介绍了车灯行业的激光轮廓焊接(参考研究2020-11-23日:车灯核心技术报告之-激光焊接),我看到后台回复有好几个小伙伴留言,说还有另外一种激光焊接方式-激光同步焊接,相比轮廓焊接而言,激光同步焊接的效率更高,时间更短。行业内也有一些车灯厂引进了激光同步焊接设备来进行尾灯的焊接生产。因此本篇就继续来累述下同步激光焊接这种方式。
                                            

 

Section 1

同步焊接的简介


我们先来回顾一下在尾灯的激光焊接实际应用中的三种不同工艺方法。
  • 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。现在常用的是复合轮廓焊接,即高强度的激光光源再结合卤素光源来一起加热焊接。这种轮廓焊接方式允许透明面罩上没有焊接筋,因此焊接外观漂亮。

  • 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,激光束被光纤引导到沿着焊接面的轮廓线上,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。这种同步激光焊接方式焊渣也很少而且焊缝漂亮。而且由于激光焊头众多,因此焊接周期非常短,可以分段控制以实现更好的焊接过程控制,工艺简单且可重复,同时不需要像激光轮廓焊接一样进行软件的编程。焊接后应力小,理论上可适用于任何形状,任何尺寸,对车灯产品的适应性强,可以从不同角度焊接,同时由于有上下焊接夹具的压力,可以有效吸收透明面罩的变形。

  • 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。

相较而言,尾灯领域应用比较广泛的还是前两种方式,第三种扫描焊接,对焊接的轮廓和形状有着更严格的要求,比较适合于焊接轮廓比较平整,尺寸比较小的尾灯,或者对车灯零件的局部区域进行焊接,例如前灯里的led模组,透明的led透镜可以用激光扫描焊接的方式焊接在模组壳体上,这样可以避免打螺钉或者卡扣等传统的方案。由于现在尾灯的设计趋势是造型越来越复杂,形状越来越立体,平整的尾灯已经不再常见。因此扫描焊接在尾灯领域的应用范围现在主要集中在led模组上。
                                        

 

Section 2

激光同步焊接的原理



使用激光光源来焊接尾灯的好处是显而易见的。激光光源的光束是高准直和可控的光源,相对振动摩擦焊接和热板焊接方式来说焊接效率更高,而且产生的热损耗更少。激光光源的波长为近红外光NIR,波长在810nm-1064nm之间。从上图可以看出,这个波段的激光对各种透明塑料(PMMA,PC,PS..)的穿透率一般都在85%以上,因此损失的能量较小。
由于同步焊接要用到大量激光光源,因此一个行之有效的方案是将激光光源进行模块化设计。每个模块内放置一定数量的激光光源二极管。每个激光光源都有独立的功率和光强控制,可以进行任意调节。这样的模块化设计的好处是多样的:
  • 为激光光源二极管提供一个标准尺寸的外壳,保护激光光源免受振动和粉尘的影响,从而可以显著的改善激光光源的使用寿命。

  • 激光光源的发热量巨大,需要很好的散热环境,标准模块化设计的外壳正好可以对激光光源和驱动电路板进行高效散热冷却。

  • 方便安装,激光标准化模块可以像堆乐高积木一样拼接组合,因此可以设计成大的激光焊接设备来焊接大尺寸的尾灯

  • 和光纤端的连接为标准接口,保证了光纤束的安全性,毕竟大量激光光源的安全性也是一个要重点考虑的问题。

  • 每个激光标准化模块里的光源和驱动都是独立的,每个模块可以输出150瓦的功率。因此一个激光模块发生了故障并不影响其它模块的正常使用,这样更换起来比较简单方便。


从每个激光标准模块里出来的光首先会通过一个光学聚焦透镜,传输到光纤束里来进行激光的传导。光纤束的输入端配带有标准的圆形套圈接口,方便于和焊接夹具的连接,同时方便焊接夹具的设计和制造。
一个光纤束里分布了大量的如头发丝粗细的光纤纤维,光纤是传播激光最好的介质,激光可以在光纤内壁进行全反射而几乎没有能量的损耗,从而很好的保证激光的准直性。一个通常大小的尾灯翼灯预计需要40个激光光源左右,光纤纤维安装在焊接夹具上,焊接夹具不但保证光纤纤维的定位同时也为焊接提供一定的焊接压力,从而保证均匀的加热和熔化整个焊接平面。
为了保证均匀的焊接效果,需要激光能量尽可能的均匀分布在焊接轮廓上,在激光模块和光纤束之间设计成一个随机化的分布方式。由于光纤纤维是柔软灵活的,光纤纤维可以布置到任何焊接的角落,因此即便是拥有非常复杂几何形状的夹具,也能够很容易制造加工。因此同步焊接方式对车灯形状的限制是最小的。同时,由于光纤的能量损耗较小,在不使用辅助光学元件的情况下可以提供均匀的输出,能将功耗损失保持在最低限度。

光纤纤维通过光纤末端的导光设计,可以覆盖2mm左右的焊接范围,因此可以通过计算整个尾灯轮廓的周长和光纤纤维照射范围的比值,来计算出需要的焊接激光光源数量。

 

Section 3

激光焊接方式的对比


通过各种焊接方式的对比,可以很清晰的看出不同激光焊接方式的优缺点:
  • 尾灯设计灵活度:上篇已经介绍过,激光焊接相比振动摩擦焊和热板焊接,对车灯外形的限制会更小,可以容纳更大的尾灯设计灵活度。在同样的激光焊接方式里,相较而言同步焊接比轮廓焊接有着更高的自由度。因为轮廓焊接的激光焊接头由空气压力滚轮带动,在面罩上沿着焊缝移动,因此面罩上必须匹配滚轮的移动路径和空间,特别是在面罩的角落和圆角处,路径设计比较复杂。如果产品部分是盒装结构,如果激光焊接方向正好相反,这时焊接头移动到盒装结构的另一侧时,由于焊接深度和压力的影响,会存在另一侧焊不上的情况,因此要像下图一样改变另一侧的焊接方向。而同步焊接方式可以调节焊接光纤的任意路径和角度,焊接的自由度会更大。

  
  • 间隙面差:轮廓焊接由于只有一个空气压力滚轮来对焊接筋施加压力,压力是随着滚轮移动而产生的,因此对间隙面差的控制能力有限。而同步焊接的夹具是整体和面罩贴合,以施加均匀的压力,大尺寸塑料零件的注塑翘曲变形很难控制,因此如果焊接较大的车灯产品时是有风险的。而同步激光焊接由于同步压力同步焊接,因此同步焊接的间隙面差会比轮廓焊接的间隙面差控制得更好

  • 生产效率:有很多小伙伴担心激光轮廓焊接的效率比较低,因为激光焊接头沿着轮廓移动和焊接都需要一定的时间,一个可以参考的标准速度是40mm/s左右, 以一个轮廓长度为800mm的尾灯为例,焊接一个尾灯的时间大概是20s, 加上零件装夹的时间,焊接效率和振动摩擦焊差不多,比热板焊稍快。但是因为焊接时间是和轮廓长度是成正比的,因此车灯越大,焊接时间就越长。但是同步焊接由于是很多激光焊头同时焊接,焊接时间只有7~9s,总焊接时间更短,效率更高。

  • 焊接设备投资:激光轮廓焊接设备的成本主要是由机器人和激光焊接机构成,由于只有一个激光焊接头,因此焊接设备的成本还可以接受。而同步激光焊接的设备里包含了大量激光光源,功率更高,设备更复杂,因此设备更贵。一般来说,焊接同样的车灯产品,激光同步焊接设备的成本大概是激光轮廓焊接设备成本的4~6倍。

  • 夹具投资。激光轮廓焊接的夹具投资比较低,基本上和振动夹具一样简单,而且上部是完全开放的,因此只需设计一个下夹具。而相反同步焊接的夹具就比较复杂,大量的光纤纤维均匀的分布到夹具上和面罩轮廓贴合。一般来说,焊接同样的车灯产品,激光同步焊接夹具的成本大概是激光轮廓焊接夹具成本的5~7倍,而且同步激光焊接的夹具不能重复利用到其它的车灯产品上。


车灯激光焊接作为一种新兴的快速发展的焊接技术,已经带来了一些巨大的优势,每种焊接方式都有自己的细微差别,可以说没有一种激光焊接方式每个方面都比另一种好,每种方式都有各自的优点和缺点。确定选择哪种焊接方法理论上不是一个困难的过程,工厂需要考虑的是车厂客户的要求,以及每个工厂的优先事项(周期时间、资本投资、灵活性)和车灯几何形状等,根据情况择优选择。说了这么多,若是有何进一步想法请留言同我们联系哦。

—— The End —— 

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