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1、汇报人:丁斌 广东华焯激光科技有限公司汽车行业塑料激光焊接技术需求背景塑料激光透射焊接研究现状塑料激光透射焊接设备开发及应用透明塑料激光焊接研究现状与应用01020304华焯激光公司简介与解决方案05 近年来,新能源汽车市场需求旺盛,产销创新高、保有量持续增长 新能源汽车产品技术日趋成熟,国际竞争力越来越强汽车行业市场概况汽车行业市场概况 近十年来,我国汽车产销量稳居世界第一,汽车产量占世界汽车产量比重近年来保持在25%-33%。在国家购置税减半政策、地方政府促汽车消费政策叠加下,2022年6月汽车市场表现良好,供应链已全面恢复中国新能源汽车行业市场规模中国汽车行业市场现状 汽车轻量化可以减低
2、燃油耗用,降低使用成本,且可以减少各类污染物排放,汽车自重每减少10%,燃油的消耗可降低6%-8%为此降低整车成本及重量,增加汽车的有效载荷,增加塑料类材料在汽车中的使用量便成为关键 在市场竞争激烈的车市中,车企必须在质量、价格、性能、服务上有所提高,有所突破,随着汽车向轻量化方向的发展,塑料在汽车上的用量日益增加汽车行业发展趋势汽车行业发展趋势 中国乘用车市场信息联席会将2022年新能源汽车的预期销量上调至600万辆 根据新能源汽车产业发展规划(2021-2035年),至2025年我国新能源汽车销量占比将达到当年汽车总销量的20%实现弯道超车新能源汽车赛道汽车行业呈环保化、轻量化的发展趋势汽
3、车塑料零部件焊接需求分析汽车塑料零部件焊接需求分析汽车塑料零部件 汽车前照灯、转向灯、防雾灯、尾灯 回复反射器、反射条、倒车镜 发动机歧气管、油水分离器、滤清器 传感器、尾门撑杆等汽车零部件塑料激光焊接重点需求:汽车使用塑料的情况:汽车用塑料品种目前已达几十种,平均每辆汽车塑料用量已占汽车自重的510 现代汽车上100kg的塑料材料取代了原先需200300kg的传统金属材料,减重效果十分突出,这对于节约能源,降低温室气体排放具有重要意义。透射塑料激光焊接原理透射塑料激光焊接原理实现透射焊接的基本条件a)一般地,热塑性塑料才能实现激光透射焊接。b)搭接接头上部试板的透光率至少要达到2050%,下
4、部试板对激光的吸收能力较强。激光透射焊接原理透射焊接时采用搭接或类搭接接头上层试板为部分透光材料,下层试板为吸光材料激光透射焊接样板激光透射焊接焊缝形成过程塑料激光透射焊接原理透射塑料激光焊接焊接光源的选择透射塑料激光焊接焊接光源的选择大部分塑料对近红外光(波长范围:800nm1064nm)的透过率较高,一般选取YAG激光和半导体激光作为焊接光源。典型塑料光谱吸收特性焊接光源的选择实现透射焊接的基本条件a)一般地,热塑性塑料才能实现激光透射焊接。b)搭接接头上部试板的透光率至少要达到2050%,下部试板对激光的吸收能力较强。透射塑料激光焊接技术特点透射塑料激光焊接技术特点 非接触式焊接,不会对
5、表面产生热效应、划痕或变形 焊缝美观、牢固、不透气不漏水,焊件表面完好无损 无粉尘、无飞边等不良现象,在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少 通过缩小光束可以将由于热量而造成的影响降到最低,极大地减小了制品的振动应力和热应力 不受振动或超声波等物理影响,适用于精密零件,不会损坏产品内部的电子元器件,不会振塌产品薄壁 利用最佳工艺条件可获得较高的结合强度和密封性,可将多种类不同的塑料材料焊接在一起 可焊接复杂轮廓结构、薄壁结构、薄料结构的产品 无刀具或工具损耗,只需要电源与气源 绿色环保,无有毒气味,无有害噪声汽车产品塑料激光透射焊接塑料激光透射焊接研究现状塑料激光透射焊接研究现状 1970年Sil
6、ver.H.J.Jr和Watchtell.S等首次利用二氧化碳激光进行了塑料激光焊接 由于波长对塑料透光性的限制,二氧化碳激光器未能广泛的应用于塑料焊接。CO2激光焊接示意图 半导体激光器和Nd:YAG激光器、光纤激光器的出现推进了塑料激光焊接的应用塑料激光透射焊接研究现状塑料激光透射焊接研究现状工艺与机理研究 透射焊接能够焊接大多数热塑性塑料塑料激光透射焊接研究现状塑料激光透射焊接研究现状 Francisco Gonzlez 利用半导体激光进行了 ABS的透射焊接。线能量对熔宽的影响线能量对剪切力的影响0.01%CNT0.05%CNT0.01%CNT0.05%CNT6W+15mm/s16.5
7、W+15mm/s焊接功率对焊接质量的影响(炭黑浓度0.05%)poor jointoptimal jointdegraded joint8.5W+15mm/s塑料激光透射焊接研究现状塑料激光透射焊接研究现状 Isma l Hadriche 研究了3mm聚丙烯(PP)的半导体激光焊接焊缝横截面示意图热输入对焊缝横截面尺寸的影响 发现焊缝的横截面近似椭圆。热输入对横截面椭圆的长轴影响不明显,而对椭圆的纵轴(即,熔深)影响显著塑料激光透射焊接研究现状塑料激光透射焊接研究现状炭黑浓度和激光功率对焊缝中心温度的影响(FEM)Bappa Acherjee 研究了炭黑含量对黑色聚碳酸酯(PC)半导体激光透射
8、焊接的影响。Temperature of weld center炭黑浓度对熔深比的影响炭黑浓度对焊缝熔宽的影响塑料激光透射焊接研究现状塑料激光透射焊接研究现状 Dirk Herzog 利用高温计做了透射焊接的在线温度监测,实验结果于温度监测结果吻合得较好。温度信号于焊接缺陷的对应在线监测基本原理Welding speed=50mm/s塑料激光透射焊接实验塑料激光透射焊接实验黑白 PP 焊接工艺实验焊接工装对焊接的影响 无夹紧力的焊缝力学性能极差,焊缝中出现气孔缺陷 有夹紧力的焊缝中不存在明显缺陷,拉伸断裂在母材无夹紧力的焊缝断面有夹紧力的焊缝断面porosity塑料激光透射焊接实验塑料激光透射
9、焊接实验焊接工艺参数对焊接的影响激光功率对剪短力和熔宽的影响焊接速度对剪短力和熔宽的影响 功率为70W时焊缝剪断力达到 最大,1582N 速度为4mm/s时焊缝剪断力达到 最大1713N塑料激光透射焊接实验塑料激光透射焊接实验焊接速度对焊接的影响焊接速度对焊缝宽度和拉断力的影响焊接缺陷 主要有气孔、热分解、表面烧损和表面坑洼不平气孔热分解表面烧损表面不平整 焊接速度为2.5mm/s时,焊缝剪切强度达到11.38MPa塑料激光透射焊接实验塑料激光透射焊接实验掺杂玻璃纤维塑料的激光焊接实验 玻璃纤维是一种常用的塑料增强剂 提高塑料的强度、硬度、刚度等性能初步工艺研究实验结果焊接工装对焊接的影响1、
10、装夹的影响2、燃烧倾向 搭接面紧密贴合 一定的夹紧力 较大的光斑直径 适当的功率塑料激光透射焊接实验塑料激光透射焊接实验线能量对焊接的影响不同线能量下的焊缝横截面aLp=0.5J/mmbLp=1J/mmcLp=1.5J/mmholeloose structurefLp=4.0J/mmLp=2.0J/mmdLp=3.0J/mme线能量对焊缝剪断力和宽度的影响 线能量对焊缝剪切强度的影响2.06kN2.67kN2.41kN18.8Mpa16.11MPa14.92MPa 线能量为1.5J/mm时,剪断力达到2.67kN 线能量为1.0J/mm时,剪切强度达到18.8MPa塑料激光透射焊接实验塑料激光
11、透射焊接实验b=3.29光斑尺寸对焊接的影响d=2.34c=2.72a=4.61不同光斑尺寸下的焊缝横截面光斑直径对焊缝剪断力和宽度的影响breaking at transparent plate18.17MPa18.92MPa18.41MPa 光斑直径为2.34mm时,焊缝出现空洞缺陷 光斑直径超过3.5mm时,焊缝断裂在近缝区母材 光斑直径为2.72mm时剪切强度达到18.92MPa塑料激光透射焊接实验塑料激光透射焊接实验 可以将线能量与光斑尺寸整合为一个参数,即单位面积上的平均能量输入(后文中简称面能量,Ep),面能量的表达式为:Ep P/(v)面能量对焊缝切强度的影响分析与讨论传统汽车
12、塑料零部件超声波焊接方法传统汽车塑料零部件超声波焊接方法超声波焊接的优点:仪表盘超声波点焊仪表盘超声波点焊汽车扰流板内衬超声波点焊后保险杠超声波点焊 一般只适用于一种或类似塑料之间的焊接 较大的零件可能需要多个焊接程序 较难实现难于实现复杂形状焊接 噪声污染严重,对听力有害 容易损害工件、需要热处理消除应力超声波焊接的局限性:可熔接除铁氟龙以外的同种/类似热塑性塑料不会产生如化学药剂的毒素机械化生产,取代传统的粘胶工艺熔接时间短暂,操作简更快捷成本低廉,减少人工透射塑料激光焊接焊接透射塑料激光焊接焊接方法方法塑料激光透射轮廓焊接过程塑料激光透射焊接焊接的主要方法包括:轮廓焊接 准同步焊接 同步
13、焊接 掩膜焊接 Global 焊接等轮廓焊接准同步焊接同步焊接Global 焊接掩膜焊接轮廓塑料激光焊接轮廓塑料激光焊接技术原理及特点技术原理及特点 一般地,轮廓塑料激光焊接的激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并使其熔化,将塑料逐渐粘结在一起,主要用于焊接规则外形且有焊接速度要求的零件 搭建多轴机器人进行塑料激光焊接,减小加工过程中机械手的振动而对焊接质量的影响,对曲线进行插补时用样条线段替代直线段 通过塑料激光焊接的实时温度管理系统,可实现对焊接质量自动检测及控制的效果 基于实际塑料产品材料、形状特点,研发配套工装夹具,必要时搭载到企业原有生产线上,解决生产环境的限制准同步塑料激光焊接准同步塑料
14、激光焊接技术原理及特点技术原理及特点塑料激光准同步焊接 根据激光器输出波长和激光振镜焊接技术,设计并制造激光振镜焊接头 通过对光学准直模块、光学可变聚焦模块、振镜扫描模块的设计,获得可编程扫描振镜焊接头 利用反射镜产生高速激光束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 该方法通用性强,适用于平面焊缝的高效焊接 能够快速实现产品的精密焊接,大大地缩短了焊接周期,提高了工作效率准同步塑料激光焊接(扫描振镜焊接)塑料激光塑料激光同步同步焊接技术焊接技术原理及特点原理及特点 同步焊接技术将多个二极管激光器的激光束 通过光学元件将激光束整形,激光束被引导到沿着焊接层的轮廓线上 同时在焊缝
15、处产生热量,从而使整个轮廓线同时熔化并粘结在一起 由于同步焊接要用到大量激光光源,因此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 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激光光源模块化激光能量均匀分布在焊接轮廓上塑料激光焊接与传统焊接方式对比分析塑料激光焊接与传统焊接方式对比分析对比超声波焊接对比振动焊接对比热板焊接对比胶连结表面无损伤表面无损伤无飞溅、少毛刺无需添加额外材料机械应力低振动应力低热应力低操控简单费用低费用低费用低焊接质量高无渣无渣生产周期短生产周期短激光焊接对比传统焊接工艺热板焊接过程超声
16、波焊接原理振动摩擦焊接国外塑料激光透射焊接设备开发现状国外塑料激光透射焊接设备开发现状焊接工业设备国外公司塑料激光焊接设备 在塑料激光透射焊接设备研发方面,欧洲已有了成熟的商用设备。透射塑料激光焊接设备在汽车行业透射塑料激光焊接设备在汽车行业的应用优势的应用优势高质量适用性强稳定节能环保高效益智能灵活高质量:焊缝尺寸精密、牢固、不透气不漏水,焊件表面完好无损高效益:焊接速度快,可实现多光束同时加工及多工位加工稳定:焊接制品热变形和残余热应力小,人为因素焊接质量波动小智能灵活:能焊接各种空间曲线,焊接、在线检测全自动联线,对难以接近的部位施加非接触远距离焊接适用性强:适用于各种热塑性塑料及各种改
17、性工程塑料,囊括了双透明塑料激光焊接、准同步焊接、轮廓焊接、微焊接等,能够将多种类不同的塑料材料焊接在一起节能环保:极少热量、噪声、废气、液体或固体废物排放轮廓塑料激光焊接在汽车零部件的轮廓塑料激光焊接在汽车零部件的应用案例应用案例汽车仪表盘轮廓激光焊接 搭建多轴机器人进行塑料激光焊接,生产过程自动化程度高 属于非接触焊接,焊接完成不会产生应力,焊接效率提高15%左右 可保证塑料制品的高强度、高稳定性、高精度 产品合格率较超声波焊接提高了10%,大大节省了成本 采用激光焊接的方式更为经济、简单、快捷、可靠且适用于大批量生产,在汽车工业获得了愈来愈广泛的应用。轮廓轮廓塑料激光焊接在汽车零部件的塑
18、料激光焊接在汽车零部件的应用案例应用案例汽车回复反射器焊接工程案例分析:激光焊接头的空间运动,将复杂的空间曲线转换为空间运动减小加工过程中机械手的振动而对焊接质量的影响机械手臂受力连续,加速度过渡平缓,减小振动,保证焊接质量具备在线闭环监测、视觉补偿控制等功能,搭载生产线实现产业化应用汽车塑料配件激光焊接其他应用案例:汽车回复反射器焊接项目,塑料激光焊接工作站 汽车胎压检测产品焊接项目,三轴定制机型 汽车气动接头配件焊接项目,三轴标准机型轮廓塑料激光焊接在汽车零部件的轮廓塑料激光焊接在汽车零部件的自动化应用案例自动化应用案例汽车回复反射器焊接实现自动化生产案例分析:自动化激光焊接生产线可实现自
19、动组装、压紧,激光焊接和自动下料整个流程全自动完成极大提高了汽车零部件的生产效率和质量为实现批量化、高品质生产提供完美解决方案 与塑料激光焊接工作站匹配,完成汽车回复发射器上下料及焊接过程全自动操作准同步塑料激光焊接在汽车零部件准同步塑料激光焊接在汽车零部件的应用案例的应用案例重点领域:汽车毫米波雷达、自动门锁、胎压检测、报警装置、平面车灯等 大大提高焊接效率,焊接速度可以做到1000mm/S,焊接效率比一般焊接效率提高10倍 施加非接触远距离焊接,能任意行走二维平面轨迹,焊接各种熔接面落差小,精度要求高的产品,可进行微型焊接 合格率高,可保证塑料制品的高强度、高稳定性、高精度,大大节省了成本
20、准同步塑料激光焊接在汽车零部件准同步塑料激光焊接在汽车零部件的应用案例的应用案例 德赛西威毫米波雷达焊接 大锦胎压检测器焊接 无锡忻润汽车胎压检测器焊接 安格特胎压检测器焊接 麦基希亩齿轮箱总成焊接客户案例:塑料激光塑料激光同步同步焊接技术优势焊接技术优势塑料激光同步焊接 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 激光同步焊接方法属于专用型焊接,适用于批量化生产的塑料制品焊接 由于激光焊头众多,焊接周期非常短,分段控制以实现更好的焊接过程控制 工艺简单且可重复,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 非接触性焊接,可以从不同
21、角度进行焊接 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同步塑料激光焊接技术在汽车车灯同步塑料激光焊接技术在汽车车灯上的应用上的应用汽车车灯同步焊接工程案例分析:因应汽车车灯焊接接触面积较大,且焊接一致性要求较高,设备带有多个激光口的激光发射器,激光束通过程序引导,同步在焊接层的轮廓线进行焊接,使整个车灯轮廓线同时熔化并粘结在一起。汽车车灯同步焊接工程案例分析:采用多个连续排列的光学器件,调整激光束方向和形状,对装夹上工件的各个待焊部位同步加热,使焊接部位在同一时间保持同一温度,保证了焊接的稳定性和可靠性,规避了现有其他焊接方式的缺陷。同
22、步塑料激光焊接技术对汽车零部同步塑料激光焊接技术对汽车零部件领域发展的推动作用件领域发展的推动作用 由于光纤纤维的柔软灵活性,光纤纤维可以布置到任何焊接的角落,复杂几何形状也能够很容易实现焊接。因此同步焊接方式对产品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。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 同步焊接由于是很多激光焊头同时焊接,焊接时间只有79s,总焊接时间更短,生产效率有极大的提高透明塑料透明塑料激光激光焊接研究焊接研究 英国开发了一种透明的塑料激光焊接吸
23、收剂可以实现透光塑料的焊接,形成几乎肉眼不可见的焊缝。国内有企业利用黑色塑料薄膜和炭黑制成了吸光薄膜作为激光吸收剂,但焊接质量较差。也有人选用熔点较低的锌作为透明塑料焊接的吸收剂,焊接强度高,但工艺复杂。国内仅有一家企业通过透明聚合物增加吸收量的研究,开发出透明塑料的激光焊接工艺和设备,能够不使用吸收激光的添加剂进行透明塑料焊接。塑料激光透射焊接焊接领域最大的难点是透光+透光材料的焊接,目前国内外的研究大多停留于激光吸收剂的研究。透明塑料激光焊接原理透明塑料激光焊接原理塑明塑料激光焊接激光透明焊接焊缝形成过程 塑料透明焊接主要是由塑料对于不同波段激光所表现出来的不同穿透与吸收特性以及特定的激光
24、波长和激光头来实现的 透明塑料焊接并不需要借助吸收剂吸收激光能量来融化焊缝处进行焊接透明塑料激光焊接透明塑料激光焊接技术的突破性技术的突破性透明塑料激光焊接实际应用案例:一次性输液器、头皮针输液器、静脉输液针 微流控芯片、检测芯片、内窥镜胶囊 新生儿褪黄服、胎儿检测器 细菌培养皿、储血器、注射针管、血透管 氧气罩、氧气袋、医用充气气垫等透明塑料激光焊接研发打破激光焊接应用瓶颈 透明塑料激光焊接能够不使用吸收激光的添加剂进行透明塑料焊接 通过透明聚合物增加吸收量,能焊穿光学透明零件的厚层,确保焊接中型和大型组件时使光束可控 能把复杂的焊接模式分解为独立几个部分的能力,可以独立地修改每一部分并分配
25、不同的焊接参数透明塑料激光焊接应用案例透明塑料激光焊接应用案例多光路输液点滴管激光焊接设备工程案例分析:使用双层透明塑料激光焊接技术 焊接工艺主要借助激光束产生的热量使塑料接触面熔化,进而将双层透明热塑性片材、薄膜或模塑零部件粘结在一起的技术 产品实现了多个输液管路部件的同时焊接 设备具有高质量、高效益、稳定、适用性强、节能环保等优点。非接触性焊接,生产过程干净无污染、无菌医疗产品激光焊接应用实例:一次性输液器焊接生产设备,首台定制机型 一次性输液器自动化焊接生产线升级研发中华焯公司简介华焯公司简介科技创新自主创新标准制定技术引领已申请专利50余项,授权40余项国内首个透明塑料激光焊接设备透射
26、塑料激光焊接设备 团体标准四项塑料激光焊接技术被评定为国内领先获广东省工业机械科技进步一等奖2项、二等奖1项广东省机械工程学会科技奖一等奖2项、二等奖1项中国最具社会责任企业1项、佛山市高新技术进步奖1项等华焯公司一站式解决方案华焯公司一站式解决方案 产品技术领先:开发国内领先多轴塑料激光焊接技术 透明塑料激光焊接机技术 同步塑料激光焊接技术 准同步塑料激光焊接技术 最个性化企业定制服务 为汽车、医疗、LED、家电、电子封装等行业企业应用推广示范案例,适应各行业的不同需求技术板块产品板块 国内最全面的塑料激光焊接设备及技术方案提供商 开发国内首台套塑料激光焊接设备,升级五大技术系列产品 开发塑料激光切割设备、金属激光切割设备 开发定制激光打标生产线及自动化辅助生产系统产品应用情况产品应用情况汽 车:医 疗:电子、家电:汇报人:丁斌 广东华焯激光科技有限公司