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2017-08-31
激光塑料加工在汽车行业的应用 – 网络研讨会回顾
Coherent | ROFIN 激光塑料加工在汽车行业的应用– 网络研讨会回顾
时间:2017年3月7日14:00
主讲人:朱元凯
一、前言
近年来激光技术在汽车工业中的应用日益广泛,无论是激光切割、焊接、打标、热处理,或是其它加工工艺,作为一种非接触式工艺的激光技术以及高效灵活自动化程度高速度快等众多优势,为汽车制造业的发展带来了革新和突破。接下来将为大家分享激光在汽车塑料加工领域有哪些用武之地,来更好地帮助大家提高效率选对激光器。激光在整个汽车行业中的应用是非常广泛的,而目前比较流行的比如说汽车动力电池焊接、胎压监测焊接、整车门切割、整车切割和焊接等我们都有涉及。今天我们主要会讲到汽车行业里塑料的一些应用。
 
二、激光器在汽车行业中的塑料焊接
1.激光塑料焊接的优势
我们先来说一些塑料焊接的优势。塑料焊接首先第一个优势就是它是没有接触的,所以说它是一个非常干净的焊接,另外相对来说激光的热影响和机械应力都非常小。我们在激光焊接方面有非常好的焊接质量,同时激光焊接的工艺非常灵活,无论是焊一个圆形,方形,或是三角形都非常容易做到。相信在座的很多也接触过其它方式的塑料焊接,比如说超声波焊接,事实上根据现在的科学水平大家会越来越多的开始使用激光焊接。当然有几个原因,首先我们刚才提到的是清洁,相对来说超声波焊接可能会带来一些污染,而激光焊接是没有污染的;那另外一方面超声波焊接只适合于平面焊接,现在大家越来越注重产品美观,使用曲面焊接的也越来越多,这个时候只有激光可以达到你们所要的要求;当然随着电子部件越来越小,一些特别小的电子器件,在超声波振动焊接的时候可能会因为震动的摩擦而造成一些电子元器件的损坏,这也是为什么目前汽车电子中一些小的部件更加倾向于用激光焊接,所以说激光的优势目前在焊接领域开始越来越明显。
 
2.激光塑料焊接的原理
接下来说一些激光焊接的原理,激光焊接其实最主要的原理就是激光可以透过上层的透明塑料,并且直接达到可吸收的底层,上层材料需要用透,定,特定波长的激光,下层的材料就可以吸收到激光的辐射,辐射转成热能,并且热能重新再传递到上层的可透光材料中,从而实现了塑料焊接。现在塑料焊接也越来越多地采用叠焊的方式,叠焊的优势就在于在零件焊接外是没有飞溅产生的,使得不透明的零部件更为美观,同时看不到焊缝。
塑料焊接我们主要是从四个部分来做介绍,第一部分是材料,第二部分是从结构设计和夹具设计,第三部分是夹具-夹具的方式,第四个部分是参数的设置,包括一些工艺的控制。从这四个方面我们来一起探讨激光塑料焊接的一些优缺点,那第一部分我们要说的就是材料,从图1.大家可以很明确看到大多数塑料焊接温度 - 在熔融状态下都是稳定在200℃左右,熔融的熔点也决定了我们哪些材料是可以相互焊接的。图2.是我们的一个经验值,当时我们和巴斯夫一起来做的这张图,从中不难发现同种材料通常情况下都是可以焊接的,而异种材料也是可以在某些情况下焊接的。打比如说PC材料和ABS是可以焊接的,这取决于它们的熔点是比较接近相似因此可以来做这个。比如说我们PP和ABS因为它融点不太相同,这个时候就不太能焊接了,这当然只是一个经验值,所以其他更多的不同材料焊接我们还需要经过各种测试来做验证。我们在上海的办公室有这样的实验设备,非常欢迎客户到我们这边来做一些比较简单的材料可焊性测试。
PIC 1.
PIC 2.
下图说的是塑料材料对固体激光的吸收。通常来说塑料只吸收固体激光器发出的一小部分辐射,而这部分辐射通常是在8001100纳米之间,那为了使激光成功地熔化和焊接热塑性的材料,所以我们通常就需要在这些材料上加上染料、色素或者炭黑才能增加材料对激光的吸收度。

接下来我们说到的是玻纤-glass fiber,玻纤对整个材料做透光性的影响度,从下面张图我们可以不难发现,当玻纤含量越高的时候,整个上层材料的透光度就会越大。现在很多客户都愿意在塑料件上加玻纤,可以使它的金属质感和延展性更好。通常我们会给客户一些建议:比如说PBT材料或者PA66材料在玻纤的含量上不要超过45%。为了增加塑料的可吸收性,需要添加比如说色素,添加剂来增加它的吸收率。早先的时候我们经常会说塑料焊接对颜色会有一点限制,但是现在我们已经有了解决方案。

下图是一个焊接难度曲线。打比如说上面是透明的,下面是黑色的会比较容易焊接,而白色对白色是不太容易焊的,但是通过一定的方法我们可以解决这个难题,虽然是有一定难度,但是是可以解决的,比如图2.这个材料它的上层和下层全都是黑色的,所以从这一点来说大家不必要拘泥于焊接的颜色,早些时候我们可能会用到类似于这样的材料,上身是白色透明的,下身是黑色的,现在的话完全不必要被颜色所限制,可以通过不同添加剂,不同的方式将各种颜色牢牢地焊接在一起。

3.激光塑料焊接的概念
那这边第三件我所要提到的就是塑料焊接的一些概念,这一部分也是需要和大家特别重点去讲的。通常来说塑料焊接我们分成几种方式,第一种是轨迹焊接,第二种我们叫同步焊接。第三种叫Mask掩膜焊接,现在已经几乎不太用了,最后一种是目前比较流行的准同步焊接。各种焊接方式的优劣,接下来我都会讲到。
首先我们讲到的是轨迹焊接,当然有比较多的优势,比如说灵活性高,也可以通过各种方式做一些三维的或者比较大的产品的焊接,轨迹焊接对激光的光束质量要求相对来说会低一点,同时我们也可以通过实时温控做一个监测。但是同时也是有缺点的,首先,相对来说它的焊接速度会比较慢一点;并且需要一个handling,就是我们所谓的motion system, 需要X轴和Y轴的平台;还有一个缺点是通常我们在轨迹焊接时可能会形成一个比较大的一个内应力,因为焊接过程中速度相对来说会比较慢,可以打个比方,我们在焊一个方形的时候,焊接的速度比较慢,那在焊这边的时候在熔化,但另外一边其实还没有熔化,因为我们下压的时候有一部分熔化,还有一部分没有熔化,那这时候在焊接过程中会产生比较大的应力。有些客户对这个焊接内应力会有比较大的要求,他会要求这些产品做一个过酒精的测试,那一旦中间有内应力的话,在过完酒精测试之后它会再产生开裂,所以对内应力要求比较高的客户我们不那么推荐用这种方式。
第二种方式是现在比较流行的一种焊接方式-准同步焊接,大家如果对这种方式没概念的话,举个例子 - 大家可能都用过打标机,可以把这种焊接方式和打标机联系起来。它是一台比较大功率的打标机,可以通过振镜的方式在一个平面上形成不同的图案,从而形成不同的焊接轨迹,好处就是相对来说它的焊接速度相当快,也可以通过这种方式测量塌陷值,从而保证整个焊接质量。因此我们可以发现这种方式的灵活性很高,像打标机一样,你想焊三角或圆形可以通过一个软件去编制不同的图形,而且不需要行动系统和XY轴,因为我们用振镜的方式来焊接,整个焊接的工位因为没有了X和Y轴,腔体相对来说也变得更加紧凑。我们可以通过一个视频来看一下这种焊接的速度。那在这样的一个速度下,我们可以进一步看到整个实现焊接的轨迹几乎是同时在熔化的,因此相对来说它的内应力会小很多,所以这是目前我们主流的一种焊接方式。但有一个缺点就是他只能焊平面。
第三种方式可能有一些厂商目前还是在供,叫同步焊接。Coherent | Rofin不是特别推崇这种焊接方式,因为局限性比较大,现在汽车行业通常来说每半年甚至一年多产品需要做一些改变,可能即便形状是一样的,大小会不一样,而在同步焊接时产品形状大小最好都是不变的,如果产品有任何改变的话,所有的光路设计,所有的夹具都需要更新,这样会产生很高的成本,同步焊接还有另外一个缺点就是当产品体积非常大的时候,它就需要更多的光路同时焊接不同的位置,这样也会产生很高的成本。所以虽然同步焊接目前仍然有客户在用,但如果想要用于焊接一些比较大的产品或者经常要更换产品的话,这种方式目前来说不太适合。
另外一个就是通过振镜加反射的方式。从下图我们可以看出为什么通常会用到这种方式,因为如果用振镜的方式,某些产品的顶部可能会有挡光的现象。第二张图上是一个圆形的产品,而在它的上部这一块是有个激光挡光的。当激光挡住这一部分光就没有办法到焊接轨迹上面(见图一),在这种情况下我们可以用反射的方式让激光的光打到旁边的反射镜上,然后通过反射的角度来达到我们需要焊接的位置,这样就能规避激光挡光的问题。它唯一的缺点就是我们需要根据客户不同的产品来设计这样一个反射的光路。

4.激光塑料焊接中夹具的设计
接下来我们就说一些夹具的设计,这一部分也是很重要的一块。因为每一个产品的夹具设计还是有很多学问在里面的,但是在做夹具设计的时候,大家需要注重以下几点。首先所有的塑料在焊接过程中都一定是需要压力的,整个焊接的过程是要被压紧的,即便焊接完之后我们也需要保持一定的保压时间,所以说夹具设计要使整个产品压紧。第二点必须要把焊接的位置和光路留出来,以不至于夹具挡住光路,所以从下图可以看出在夹具上面有蓝色的压力显示,红色的就是激光。在各种情况下我们都需要保证焊接位置的光路是通畅的,并且同时整个焊接的过程是需要压紧的,图二可以看到一些比较简单的结构设计,叫盖板的设计。通常如果客户有结构工程师的话,我们在结构设计中需要开一定的溢流槽,因为激光在整个焊接过程中熔化之后会有一些熔液流出,开溢流槽之后可以使它不至于流到其他地方去,两边都开的话可以保证美观,预防这些焊接之后的塑料会乱流。客户可以自己来设计,比如说焊接新的宽度需要设置到多宽?溢流槽要怎么开?。Coherent | Rofin在上海有一个系统部门,是一个非常强大的团队,大家有具体项目的时候,我们可以协助去做一些夹具设计,或者看一下你们整个设计的激光的结构是不是能够符合激光焊接,非常欢迎大家来做一些交流。还有一些夹具我们可能会用到透光夹具,比如说我们会用Glas Plate,用玻璃来做的,简易处理的时候我们会用亚克力来做,相对来说亚克力比较好加工,但是缺点是在大量量产的时候亚克力无论是亚克力玻璃还是熔石英玻璃,都是一种耗材,所以在这种情况下只是临时会用或者在不得已的时候会用到我们所谓的Glas Plate。 通常大多数情况下,还是需要用金属夹具从而保证大量量产上,不用经常更换这些夹具。

PIC 1.

PIC 2.

5.激光塑料焊接中的激光器
接下来我们要讲到是激光器。激光器的原理就不多说了。我们现在半导体的激光器都使用Coherent | DILAS 的T-Bar模式,做成T-Bar之后封装成模块,并且这个模块整合在我们叫Compact Evolution的激光器中,也是目前我们在塑料焊接阶段大量推广的一台激光机,这个激光器的稳定性相当高,并且它的光束质量相对同等的半导体激光器是属于非常好的。从图1.中我们可以看到它不同的Focal Lengths-就是不同的焦距状态下它的能量分布是相当均匀的。从激光器的角度来说它能非常好地保证焊接的均匀性。这台激光器的功率从100瓦到600瓦都有,塑料焊接中用比较多的是200瓦-300瓦,但随着大家对Cycle Time的一些要求。目前450W和600W也逐步开始在使用了。我们可以提供不同的光路,并且这些光路中比如图2.这一种就是我们说的轨迹焊接。轨迹焊接中我们可以选择使用温控机,温度计也是Coherent | DILAS自己出品的,在焊接过程中可以实时检测整个焊接的温度。我们还可以设置成不同的光路,比如说这是圆形的光斑,旁边是反射的光斑(见图2.)。

PIC 1.

PIC 2.

用到振镜的话就是我们所谓的准同步焊接。这种方式下我们可以选择使用温控计。下图是带有整个同步温控的振镜头,目前也是Coherent | DILAS专供的。同时对于某些比较特殊的塑料焊接,我们还可以调成条形光斑来做某些比较特殊的塑料焊接。塑料焊接中其实大家可能最关心的是焊接的稳定性,事实上我们不可能通过破坏产品来验证其是否已经达到非常好的拉拔力或爆破测试。所以说整个焊接过程中如果通过合适的工艺,从而更高地保证焊接效果就显得尤为重要。

这里为止我们提到了几个要点,第一个要点是保证焊接工艺的焦点是压力,整个焊接过程中压紧力是必须的,必须将夹具和两个焊接部件紧紧压在一起,夹紧力能确保热传导在两个零件之间进行,所以说整个焊接中夹紧力是必须要保证的,因为只有夹紧力夹紧的时候才能提高加工的质量。从图一可以看到如果没有夹紧力的话,焊接是非常不好的,夹紧力不够的情况下焊接也不太好,只有在充分地夹紧了之后,才能保证塑料焊接的质量;第二个要点就是保证激光焊接工艺良好,就是我们所谓的塌陷值。可能大家不是特别清楚什么叫塌陷值。举个例子,比如说上面是一个一毫米的材料,下面是一个20毫米的材料,两个材料拼起来是21毫米,那塌陷值的话就是当充分地压紧熔接两个材料之后,所缩小的那部分的高度,比如说焊接之后从21毫米整体高度变成了20.98,那0.02就是塌陷值。所以我们在整个焊接过程中如何去保证塌陷值也是保证焊接品质相当重要的一部分;第三个要点的话是我们所说的plus,通过前面两部分的保证其实应该已经大致八九不离十了,但是对于某些焊接我们还是会需要一些同步温控,就是用温度控制的方式从而保证优秀的焊接质量。上面我也提到过各种材料的温度是不一样的,大多数材料焊接温度是250度,可能到270度-280度就会过烧,而温度不到的话就很难达成熔融状态,所以说在整个焊接过程中需要有一个温控同时去监控我的产品表面的焊接温度,并且温度作为一个同步反馈,反馈到激光器然后告诉我激光什么时候该加大功率什么时候该减少功率从而保证整个焊接过程中焊接的温度都是在我们所设定的范围之内。

刚刚有客户提到我们是不是能提供成套的系统,是的我们可以。无论是在医疗还是汽车行业我们也提供一些整机的服务,但是局限于一些特定领域。我们会根据客户不同的要求可以做成不同的钥匙,为您度身定制。Turnkey Solution就是我们所谓的交钥匙工程,整个know-how我们都会集成在一个系统里面。包括测量、软件的提供、监控机械设定、应用测试、自动化、夹具等我们都会整合在一台激光器里,提供给大家一个完美的产品。整个形成了单工位的焊接系统,这个焊接系统可以非常方便的整合到你们整件中的任何一个位置,同时大家也有疑问Coherent | Rofin只能供一些单工位的系统,但是如果需要整线的设备怎么办呢?通常这个也不用担心,我们有提供所谓的Integration Package,可以比较方便地集成到任何一家的系统上。比如说可能你们和A系统商比较好,那么我们就提供共享条件,在中间某一个工位提供Integration Package,保证大家的一个生产。图1.是我们Integration Package的一个范例,中间包括了激光器本身、夹具、上下的整个压紧装置、塌陷值测试、软件、有必要的话还可以再加一些温控装置等。目前塑料焊接相对来说比较复杂的应用可能就是仪表盘焊接,图2.就是一个仪表盘,我们就拿这个样品来做一个解说。如果贵司有类似这样产品的话,或者胎压的有或者是汽车的倒车影像仪的,在第一步做好材料测试后,我们还是希望你们能把这样的图纸给我们,来和大家一起分析目前你们这样的设计是不是适合塑料焊接或者哪些地方是需要改进的。图3.就是夹具的一个具体设置方案,可以看出这是一套相当复杂的夹具。整个塑料焊接中夹具对保证工艺的良好性是是必不可少的,所以这一部分是需要我们相互协作共同完成的。Coherent | Rofin 在这个方面是有十分有经验的,可以大家提供一些非常好的建议和意见。图4.就是仪表盘焊接装置,不同的仪表盘需要各种不同的夹具。软件部分可以安装一个叫AUTO CAD的软件,有些图形可以比较方便导到激光器中来形成焊接轨迹。

PIC 1.

PIC 2.

PIC 3.

PIC 4.

二、激光器在汽车行业中的塑料打标
1.激光塑料打标的概念
刚刚说了那么多的塑料焊接,接下来我们来讲一下塑料打标。目前在汽车行业用的比较多的主要有两种方式,第一种方式就是color change,所谓的变颜色,使这个颜色打的内容和材料本身产生一个鲜明的反差,便于辨识;第二种就是engraving,所谓的蚀刻。这两种方式目前汽车行业都在用,但是用的比较多的还是color change,那要用color change方式打标的话,不同的材料可能会用到不同的激光器。而Coherent | Rofin恰恰能够提供不同的激光器,各种波从355nm的紫外波长到10600nm二氧化碳波长,几乎可以满足所有不同的塑料材料。图一是我们一个产品的分类和体系,可以看到我们有端面泵浦的激光器PowerLine E,还有皮秒激光器,15皮秒和10皮秒左右的激光器适合一些更加特殊的塑料上的应用,还有光纤激光器,但普通的光纤可能对于大多数塑料还不是那么合适,那我们这边有一些可变脉宽的光纤激光器来做塑料打标,还有紫外光和绿光激光器可以做不同的打标应用。当然在整个汽车行业里我们也会提供一些打标的成套系统,当然大多数情况我们会将上述的激光器集成在客户的产线上。

2. 激光塑料打标中的具体应用
那汽车行业中应用的比较多的就是Day & Night汽车按键打标,优点就是相对来说速度会快一点,并且相对铅油墨的话是一个永恒性的标识。图一是我们Day & Night打标的一些图片,可以看到用激光器打出来的非常干净。可能大家会认为这个工艺不难,但事实上所有的设备在我认为能做和做的好还是有差别的,有些东西是能够做,但是要做的真正好的话,比如就我的经验来说,激光器要从它的峰值功率、最高的重复频率、脉宽最小线宽等来做各式各样的调整,一部分是基于激光本身的能力和稳定性,另外一部分基于一些软件上面的设置,这一部分Coherent | Rofin有长足的经验,可以给大家带来一些帮助。

除此之外,还有一些汽车按键是有一些曲面的,那曲面打标过程中我们会用到Fast Focus Module,也就是我们所谓的快速定焦系统,可以非常好的在一个曲面上完成非常快速的打标。接下来我们讲一讲视觉系统,主要是做一些精密打标。大家知道半导体行业可能是打标要求最高的一个行业,Coherent |Rofin早些年这方面也是从半导体行业得到了很多经验,并且把经验应用到一些主要的行业中,比如汽车行业。相对来说半导体行业的产品更小,更难打,我们也可以非常轻松地去完成,特别对一些高精度的达标,在视频中我们可以看到您可以任意的产品扔在一个区域里,这个区域就能检测到产品,换句话说我不需要一个非常精密的夹具去保证产品的位置,只需任意的把产品扔在这个位置上,视觉系统就可以简单的非常方便的检测到产品的位置,然后形成一个高精确度的打标,那为了保证打标的精度,通常vision system也就是视觉系统,会做成同轴视觉系统,同轴视觉系统相对旁轴系统来说,它可以更好的找到产品的位置。如果您的位置精度是在正负50微米之内的话,那同轴系统是必需的。
3维打标目前这样的设备在整个汽车行业内卖的相当好。举例来说将一幅世界地图打在了一个弧形的鼠标面上,第一步做的就是扫描整个鼠标的一个构造,然后通过软件的自动换算,让整个世界地图非常好的打在了鼠标上面。大家可能听着觉得很简单,但是大家也都知道打标机都是有一定限制的,因为它的焦距需要固定,在这种情况下打一个曲面并不是特别容易。但是Coherent | Rofin通过各种各样方式让这个产品做到更好,我们可以根据客户不同的要求,做定制化的方案,比如说如果您需要双头激光器,可以加一个视觉系统;如果您要飞行方式打标,我们也是有能力可以做好的。事实上Coherent | Rofin最成功的一个案例是在包装行业,通常包装行业的速度远快于飞行打标。Coherent | Rofin任何一个激光器,我们都有自己的软件-VLM,通过VLM可以很方便的编辑一维码、二维码或者任何的字符,字符图形等。通常我们的软件还可以和各方面的服务去接通,我们可以和PLC沟通,和其他的数值库沟通。在汽车行业里面我们比较多的可能和MES和AERP 和 SAP沟通,从而形成一个自动化的打标。
 
 
三、激光器在汽车行业中的塑料切割
今天最后一部分是关于塑料的切割。塑料本身它分热固性塑料和热熔性塑料,相对来说热固性塑料会比较好切一点,图1.可以看到我们在汽车行业的一些方案。我们的激光器配上机器人可以做不同的切割,图2.是我们的一个范例,用的是600瓦的激光器来切汽车的中控系统。不管是切ABS, PP还是亚克力的材料,Coherent | Rofin在汽车行业都有十分丰富的经验。

PIC 1.

PIC 2.

 
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