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新技术推动激光焊接市场升温

2009-03-05 11:32
九一隐士
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        作者:Gail Overton

        《Laser Focus World》杂志在2005年创刊40周年之际,曾撰文回顾了激光器的早期发展,并指出了激光焊接激光器最为明显的应用之一。但是,《Industrial Laser Solutions》杂志主编David Belforte在其2007年全球工业激光器市场预测中却指出,如果按照数量计算,焊接用激光器只占全球工业激光器的12%;如果按照销售额计算,在 2007年工业激光器17.2亿美元的总销售额中,焊接用激光器的销售额大约只有2.06亿美元。

        激光焊接的市场占有率


        与激光切割、加工、微处理以及打标应用相比,市场对激光焊接接受缓慢的原因尚有待探讨。TWI公司是一家专注于焊接研究、顾问并提供培训服务的公司,该公司激光技术与板材加工部项目总监Geert Verhaeghe说:“只有那些能够利用激光束的一个或多个特征(如高精度、热输入低(低畸变)、穿透深、速度快等)的应用,才特别适合使用激光焊接。客户经常就从弧焊加工改为激光加工向我们寻求咨询。我们始终认为,对加工过程应该整体考虑,产品的设计往往需要修改,以充分利用激光器的优点。”


        此外,Verhaeghe说:“激光焊接的工业应用在很长一段时间内受到限制,原因在于它对工件放置的要求非常严格。”也就是说,由于激光焊接的光斑更小,因此要求待焊接的工件要极为贴近。“激光焊接用于高精度的齿轮焊接并不困难;但是要将几米长、8mm厚的板材对焊在一起就要困难得多了。目前有许多种补偿技术,包括填料(使用焊料)、双点(使用光学元件对光束进行分束,从而增大焊接覆盖区)以及迂回行进(沿接缝摆动光束)。我最赞同将激光焊接与弧焊相结合,这样能够同时利用两种方法的优点——即激光焊接的高速度以及弧焊的大熔池。”


        Verhaeghe认为,没有哪个制造商可以确保激光焊接一定比传统焊接具备经济可行性。“我们经常在客户投资之前为他们做技术-经济比较,” 他说,“这需要考虑可能影响运行成本的各种因素:包括激光器光源、冷却、维护/服务、操作以及耗材等。”他还指出,更加困难的是评估降低畸变以及减少返工 /修理所带来的“间接” 好处,而这些通常是高度可重复的激光焊接加工的最大优势。


        当然,市场占有率也和地域有关。市场调研公司Frost & Sullivan的高级研究分析师Archana Chauhan认为:“在激光焊接设备的采用和供应方面,欧洲将继续引领业界前沿。”Miyachi Unitek公司激光产品经理Geoff Shannon认为:“各行各业仍然不同程度地缺乏对激光焊接的认识。欧洲拥有强大的激光市场,而且欧洲可能也拥有比其他地区更多的教育和研究机构致力于或提供激光加工,尤其是激光焊接。”

        激光焊接的应用现状


        目前,一些公司(如空中客车公司)已经使用激光焊接取代电阻点焊进行飞机机身结构的铆接,另外,奥迪、宝马和大众等汽车制造商,以及几个欧洲造船厂也已经采用了激光焊接技术。Meyer Werft 公司是在游轮与渡轮市场中表现活跃的一家公司,该公司目前使用激光和激光复合焊接技术,焊接钢夹芯板和常规加筋板。游轮及渡轮制造商Aker Yards公司使用激光气体金属弧焊(MAG)复合焊接技术制造平板。Blohm+Voss造船厂使用激光对常规加筋板进行焊接和切割。Odense Steel Shipyard公司也利用激光进行焊接、切割,以及对货运集装箱的钢铁组件进行打标等多种加工。


        上述许多应用的一个共同点在于:激光的作用不仅仅在于焊接,还包括切割、打标等。如果激光能在某一特定应用场合实现双重甚至三重功能,那么它的价值定位就急剧升高。例如,汽车制造商戴姆勒使用扫描光学或所谓的“远程焊接”,引导稳定光束沿焊缝行进,或者将单束激光分成多束用于多种用途。戴姆勒公司生产与材料技术部门项目经理Holger Schubert表示,与传统的电阻点焊相比,扫描光学加工几乎可以将生产时间缩短80%。由于小直径激光束可以对汽车零部件进行点焊,不需要使用大的连接法兰,从而使汽车零部件更小更轻。


        激光焊接除了在“宏观”或大型工业加工中获得广泛应用外,还在微焊接(小型号精密零件和光电子器件的精密焊接)领域一展身手(见图1)。“微焊接一般对应的是穿透深度小于1mm的焊接,”Miyachi Unitek公司的Shannon介绍说,“医疗市场可能是目前增长最快的领域,其中典型应用包括医疗仪器、焊缝密封可植入装置、导丝焊等。”


        另外,微焊接甚至在珠宝首饰行业也发挥着一定作用。“大多数Nd:YAG激光宝石焊接机的工作能量范围在35~300J之间,光束宽度在0.2~2.0mm范围内可调。”Satow Goldsmiths 公司的Steve Satow说,“我对珠宝商们进行激光加工培训,要想手工稳定地实现焊接,并能准确地保证0.2mm的焊接深度,是需要一定经验的。值得一提的是,激光焊接能为珠宝商节约大量成本。”

        非金属材料的激光焊接


        虽然对于连接两种金属,激光焊接取代常规焊接技术是显而易见的,但激光焊接的最大优势可能在于连接塑料、聚合物以及其他非金属材料,传统上这些材料是通过加热元件或者超声波加工进行连接的。TWI公司拥有专利、并授权给光电子设备制造商Gentex 公司使用的Clearweld工艺,是激光焊接非金属材料的一个很好的例子。Clearweld工艺采用近红外吸收焊接材料,可以将激光能量转换为热量,实现高质量焊接。Gentex公司介绍说,Clearweld工艺的优点在于高焊接速度、无明显焊斑、热变形小、不同产品间的切换速度快,以及能同时对多层工件进行焊接。

 

图1. 微焊接应用。图中显示了将0.04英寸宽、0.0015英寸厚的铜丝带互连焊接到焊盘上。激光焊接使用的是功率为2W、波长为532nm的倍频Nd:YAG激光器,其光束直径为0.03英寸,脉宽为1.5毫秒。

 

        除了使用Clearweld工艺焊接洁净塑料,以及加工处理更具挑战性的ABS型塑料外,bielomatik 公司还将光纤激光器应用于某些要求最严格的场合。


        在防水服装和室内装饰品应用的纺织品连接方面,也正在探索使用激光焊接。两年来,欧洲共同体(EC)资助的自动激光焊接纺织品(ALTEX)项目,实现了涤纶面料、尼龙里料和透气膜这三层复合材料的连接,以及聚氨酯涂层材料和双面不干胶复合材料的连接。该项目使用的是功率为75W、波长为 940nm的六轴自动激光二极管焊接系统。项目协调员Ian Jones说,激光焊接能够以比手工缝合快4倍的速度实现高致密性连接,并且抗水渗透和洗涤试验生存指标均超过当前的行业要求。ALTEX项目已于 2007年12月结束,但相关工作仍在欧盟的LEAPFROG项目中继续进行。
 

        激光焊接甚至已经进入纺织行业。ProLas公司生产的TexWeld Duo是一种双激光焊接机,结合了直接、透射焊接和超声波焊接,能够实现服装、集装箱袋和工业用纺织品的连续缝合焊接。

        新型光源实现更佳焊接效果


        尽管CO2和YAG激光器一直统治着激光焊接市场,但情况正在发生变化。“在过去的五年间,人们目睹了高功率激光技术的革命。 ”Verhaeghe说,“2003年,光纤激光器的输出功率达到了几千瓦,而我本人则非常幸运地在2004年负责了7kW掺镱光纤激光器的安装与试运行工作。该激光器的光束质量优于20mm mrad,这在当时确实让人难以置信。激光技术的快速进步,不禁让我想起个人电脑的发展速度。”


        目前YAG激光技术提供的光束质量在25mm mrad左右;然而,今天的光纤激光器很容易就能够达到5~50kW的功率水平,同时光束质量小到2mm mrad。Verhaeghe介绍了光纤激光器的威胁如何促进了盘形激光器的发展,对于功率达8kW的设备,盘形激光器能提供更好的散热,光束质量在 7~8mm mrad左右。“可以说,下一代Nd:YAG激光器的形式是光纤和盘形激光器。”Verhaeghe说。但是为了寻求更有效的激光器,Verhaeg表示,有很多关于直接二极管激光器的讨论,它们成本低廉,易于通过光纤传输,功率转换效率达40%甚至更高,而光纤激光器的功率转换效率仅为30%,YAG 激光器则只有3%~5%。二极管激光器的这些优点可以弥补其在光束质量方面的不足。


        精密焊接系统供应商joining Technologies公司介绍了它们的激光焊接系统,该系统由德国通快的2kW盘形激光器集成五轴焊接工作站构成,可以进行深穿透焊接,如果采用电子束焊接则需要耗费更多的时间和成本。“盘形激光器是一种卓越的焊接设备,输出功率可达到典型Nd:YAG激光器的4倍。”该公司总裁Dave Hudson说。更深的渗透深度、较小的热影响区和优秀的光束质量,是盘形激光器的特性,这使joining Technologies公司在航空航天和医疗设备领域颇具竞争性。


        “在我看来,功率效率更高、更紧凑的新型激光光源,以及混合激光焊接技术这两个近期获得的技术进展,将进一步推动激光器进军产业界。 ”Verhaeghe说,“现在的激光器比以往任何时候都更‘便携’,这意味着现场或远程应用变得更加容易。事实上,光纤激光器看起来越来越像MAG焊机。以船厂所使用的激光器为例,手持式、低功率的激光焊接机已经得到实用。激光焊接的未来前途无量。”
 

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