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行业背景 

随着数字化技术的发展,应运而生的电子数字应用产品为人类生活带来极大便利与乐趣,而所有数字产品都需通过一个显示接口来呈现内容,因此,显示接口已成为产业关注的焦点。不同显示技术在其中角逐,相关厂商投入资源开发新技术、新应用,并为提升人类视觉享受而努力。其中,TFT-LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display - 薄膜晶体管液晶显示器) 产品具有轻、薄、省能源、低幅射的优点,已被视为主流显示技术。 

薄膜晶体管液晶显示器的发展,为人类提供更宽大的视觉接口与更高分辨率的色彩,而制造出此显示器的各世代液晶面板之间的差异在于玻璃基板的尺寸,由于大尺寸面板的需求与日俱增,越新世代的液晶面板,其玻璃基板愈大,大尺寸的玻璃基板可切割更大及更多面板,以达到降低成本及扩大经济效益的目的。 

TFT LCD面板供应商预期2013年出货量将增长8%,预估达到7.57亿片、营收增长13%至853亿美元。 

金属外边框作为TFT-LCD液晶面板整体的重要组成部分,其市场需求量非常之大。 

应用需求 

传统的液晶显示器金属边框是直接冲压制作完成的,比如要做19"的金属边框,要用19"的金属材料去冲压,中间的要么冲压小的边框,要么废弃,这样比较浪费材料;采用新的工艺后,直接冲压金属边框的框条,然后利用激光焊接机进行拼装焊接起来,产品质量和原来的一样。 

由于相关设计专利问题, 不同的厂家对于冲压的形状会有不同的选择,具体来说有L型,U性或者单独的条状边框等。

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图1 L型冲压示例

在完成冲压后,通过激光焊接的方式将不同形状的冲压件拼装焊接起来。然后再通过后续的制程,将会完成液晶显示器金属边框,如图2所示。

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图2 液晶显示器金属边框

激光焊接解决方案 

TFT-LCD液晶面板金属边框的材料一般是镀锌不锈钢或低碳钢材料,其厚度通常在0.4-0.6mm 之间。金属边框对接焊缝处的不平度一般要求小于等于0.1mm左右。 

激光器可以使用CO2激光器,固体脉冲式激光器,固体连续碟片激光器,半导体激光器等等,以上各种激光器都已经获得了成功应用。但是从激光器光电转换效率,生产效率,稳定性以及综合性价比来说,固体连续碟片激光器或半导体激光器则是最佳的选择。现实证明,此两种激光器正在越来越多地成功应用于TFT-LCD液晶面板金属边框的大规模生产中。图3是TruDiode 2006(2000W)的激光焊接曲线图。

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图3 TruDiode 2006的激光焊接曲线图

对于焊接时所使用的激光光斑直径也是非常重要的,在同样焊接深度的情况下,光斑太大则会降低焊接速度;光斑太小则可能会导致焊接质量问题(如接缝间隙大于光斑直径,则会焊接不牢)。但是,如果要求接缝间隙非常小,则会导致冲压件生产成本增加。因此考虑到实际的生产,综合各方面因素,选择0.6mm的焊接光斑直径则是相对较优的方案。 

图4 给出了一种高效的适合于TFT-LCD框架大规模生产激光焊接解决方案,此方案已经在多个大型TFT-LCD框架生产工厂得到了成功应用。此方案用于一个工件两条焊缝,其采用一台激光器连接两条自动化生产线。 

激光器采用德国通快(TRUMPF)公司TruDisk 1000或TruDiode 2006半导体激光器,4路激光输出 - 分时输出,分别配15-20m激光光缆和激光焊接头。在工件表面处,激光光斑直径为0.6mm。

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图4 TFT-LCD框架激光焊接解决方案

当第一条线上料/定位/夹紧完成后,开始焊接的同时,另一条线进行上料/定位/夹紧的动作,然后交替进行。整个过程,激光器的4个光路切换都在50ms以内。根据每条激光焊缝长度的不同(通常在40-60mm之间),此方案可以实现每个工件生产节拍仅需1.5-2s ,包括上下料时间,焊接时间。如果按2s计,可实现每小时生产1800个工件的高产能。 

焊接质量 

激光焊接后的质量非常高,其表面质量高,变形小,激光焊接后的焊缝强度可以接近或达到材料母材的强度。 图5 给出了激光焊接后的焊缝强度测试示意图。

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图5 激光焊接后的焊缝强度测试图

结论 

对于TFT-LCD液晶面板金属边框,采用先冲压后激光焊接的方式,其优势在于大幅提高了原始板材的利用率,降低了成本,避免了资源的大量浪费。 

采用一台德国通快TRUMPF公司激光器,并配以4路输出,同时连接两条自动化生产线的产线组织方式,保证生产节拍不影响的情况下最大程度地提高激光器利用效率,增加生产效率。 同时,保证焊缝的高质量以及生产的稳定性。

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