国内塑料激光焊接设备的研发进展

国内塑料激光焊接设备的研发进展
【摘 要】综述了一种新型的焊接设备——塑料激光焊接设备，介绍了这种激光焊接塑料技术的发展状况，分析了国内塑料激光焊接设备的生产企业的技术特点，以及结合工业自动化领域来阐述今后该设备的发展方向。
 
【关键词】激光技术；塑料激光焊接；焊接设备
 
0.引言
 
目前，国内生产的塑料焊接设备主要有热熔焊接设备、高频焊接设备、震动摩擦焊接设备和超声波焊接设备等，这些设备要么对焊接的塑料零件外形和尺寸有要求，要么焊后塑料零件有飞边溢出，有时还会有开焊现象出现，另外在焊接过程中使工件震动强烈，大大的降低了工件的使用寿命。而用激光来焊接塑料可以克服上述缺点，既能保证焊接质量又能达到外表美观的效果，随着激光技术的发展，以及成本的降低，将激光技术应用到塑料焊接领域显得格外重要。
 
1.激光焊接的工作原理
 
激光焊接技术采用激光透射原理，将两个塑料零件边缘焊接在一起。要求两个零件一个具有良好的透光性，另一个具有良好的吸光性，如图1所示，当激光束3穿过透光性良好的零件1，照射在具有吸光性的零件2表面时，瞬间产生高温，使零件2表面融化，并使两零件粘结在一起。由于塑料尺寸稳定性差，易变形的特性，故塑料零件的实际尺寸与理论尺寸有一定差别。为了使两个塑料工件的焊接面能够无缝紧密的接合在一起，就必须用特殊的夹具将两个零件边缘牢固的夹紧，这样焊后质量较好。
 
2.塑料激光焊接设备的组成
 
首先是激光系统，它是实现焊接功能的关键部分。是塑料激光焊接技术的体现，是整套设备的核心技术所在。其次是焊接系统，是整套设备的载体，是实现焊接要求的执行部分。从某一角度来说就是工业自动化生产线。第三是空气净化系统，这部分是辅助功能，目的是提高设备环境保护的能力。最后是控制系统，它是设备运行的灵魂。
 
3.国内塑料激光焊接企业现状
 
由于该行业在国内起步较晚，所以大部分企业对其了解也是在研究阶段，况且国外对该技术的封锁，使得我国在对该领域的设备研究方面的企业较少，从目前情况来看可以分为两部分：一类是激光系统的研发和生产，具体说就是激光器及其元器件，这类企业数量较多，且规模都很小，这类企业的产品可以分为三种：a.只生产激光器的零部件；b.生产激光器的零部件，并将其组装成激光器，例如顶尖科仪，苏州德龙等；c.购买国外激光器零件，然后组装成激光器，例如武汉华日，恩耐激光等。另一类是购买激光器，然后集成焊接设备，这类企业数量较少，但规模较大，这类企业又分成两种：a.集成的焊接设备是标准的，上海莱丹；b.焊接设备是非标的，例如沈阳新松、武汉华中等。
 
第一类企业只是生产激光器及其零部件，从企业生产角度看不能直接被企业应用于实际，必须通过第二类企业来实现集成，但是很多第一类企业都集成国外的激光器零部件，造成激光器的成本受制于人，而国内制造激光器零部件的企业的研发水平又有限，使得我国焊接激光器的研发有待提高。
 
第二类企业是设备集成商，是最终实现焊接的执行者，对于这类企业，要求他们不但具有激光焊接技术的应用能力，还要有大型加工制造能力，因为焊接质量的好坏一部分因素取决于机械载体的稳定性和设备的自动化水平的高低。
 
上海莱丹公司是瑞士莱丹在中国的子公司，该公司的塑料激光焊接设备研发的较早，在国内市场上有一定的影响力，该公司的产品均为标准设备。该机型将激光系统、焊接系统和控制系统集为一体，具有占地面积小，成本低的优点，但是对焊接的塑料零件尺寸和形状有限制。
 
沈阳新松机器人公司自主研制的JL系列塑料激光焊接机填写了国内空白，它将激光焊接技术与自动化装备结合在一起，具有自动化水平高、生产批量大，而且可以焊接异型和三维表面工件等优点，可广泛的应用在汽车行业、航天工业、包装领域、医疗器械、各类电子产品、玩具制品及各种日常消耗品等领域。
 
4.以塑料激光焊接机为例简略介绍各系统
 
4.1焊接系统
 
该系统包括预挡停，主挡停，焊接，废料挡停等四个工位。焊接工位包括夹具定位、举升、压紧、焊接、释放五个过程。该系统是焊接功能的直接执行者，是整套系统的载体，利用自动化生产线的特点实现每一步动作。
 
4.2激光系统
 
主要由激光发射器、光纤以及激光头等组成。激光发射器内部有产生激光的模块，通过光纤导入激光头，从而使其发射激光。
 
4.3空气净化系统
 
配备该空气净化系统是为了消除焊接过程中产生的气味，起到过滤空气的作用，达到环保的目的，也是为了操作人员的健康着想。
 
该系统的工作过程分两部分，首先是在焊接机内部进行吸风，其次是在除尘器内部进行过滤净化空气。重要的是吸风过程分为两次，先是在激光头附进进行一次源头吸风，考虑到吸风的不充分性，在焊接区域内又进行二次过程中吸风，双重吸风达到高标准的环保要求。另外除尘器内部的滤芯有反吹功能，延长使用寿命。
 
4.4控制系统设计
 
控制系统是主要分为两部分，一部分是对电气原件的控制，另一部分是通过对系统软件的控制进而对焊接工艺参数进行调整。这里需要说明的是对激光器的控制并非传统的单一方式，它柔和了软件调控，温度值反馈以及信号触发三种方式。重要的是可以随时观察到焊接质量好坏，通过系统输出的图像判定系统的稳定性，如图2：
 
为了提高自动化水平，满足不同企业的生产要求，该焊接机将激光系统和焊接系统融合在一起。低碳、环保、降低劳动强度、生产效率高，适用于产业化集群的大批量生产，大大降低了生产成本，具有智能化控制系统。但是该设备占地面积较大，各系统分散在外，不便于批量生产和运输，和国外产品还有一定差距。
 
5.结语 通过上面的论述，可以看出我国激光焊接领域还是比较新的，大部分企业还处于起步阶段，尤其是生产元器件企业规模还很小，有的企业技术还需要依赖进口，这也说明了我国在该技术领域还有待提高。另外制造激光焊接成套设备的企业较少，且还在探索中成长。为了能够更好的和国际化水平接轨，为了我们的激光器元器件不依赖进口，就应该加大对激光器的研发，培样更多的企业生产制塑料焊接成套设备的能力，使我国的塑料加工行业进入一个新的征程。