三轴激光扫描焊接系统

[摘 要]激光焊接在工程应用中越来越广泛,三轴激光焊接在自动化焊接中发挥重要的作用.本文介绍了在原有设备条件下,针对原有二维激光焊接所出现的问题,利用激光器与扫描头的结构特色,开发出一套基于三轴的激光焊接设备.实践表明,该系统操作方便,极大提高了工作效率；完全可以进行各种汽车零部件的焊接,为激光焊接工艺的改进提供了有利的条件.

[关 键 词]激光；三轴；扫描焊接；

中图分类号：E963文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）30-0006-01

0、引言

随着工业的迅速发展,激光已经开始在人们的生活中普及开来,随之孕育了许多的产品,例如美容的激光祛斑、医学的激光矫正近视、军事的激光武器、工业的一系列激光设备等.在工业方面,为了提高焊接效率.激光焊接近来运用越来越广泛,由于激光辐射的能量释放迅速,点焊过程只有几毫秒,能量密度高,热量集中,作用时间很短.激光焊接另一优越在于可用反射镜或偏转棱镜或光导纤维,将激光光束在任何方向上弯曲或聚焦,引导到难以接近的部位.激光焊接最适合微型,精密,排列非常密集和热敏感材料的焊件如电子制造领域.激光焊接的真正作用是实现车身轻量化,降低制造成本.如果车身结构中有大量的点焊,将两个焊头夹在工件边缘上进行焊接,凸缘宽度一般需要16毫米,而激光焊接是单边焊接,只需要5毫米.有研究表示,如果最大程度应用激光焊接技术,每辆车可以节省多达40公斤的钢材.用传统点焊焊接两片0.8毫米的钢板冲压件,平均焊接频率是20点/分钟,焊距是25毫米,因此焊接速度为0.5米/分钟,而用激光焊接后速度可以达到5米/分钟以上.对车友而言,结论性的就是激光焊接并不会对整个车身强度起到决定性的作用,车身激光焊接的优势更多的是表现在车身轻量化,降低制造成本和提高生产效率上.

1.激光焊接

激光焊接是以可聚焦的激光束作为焊接能源.当高强度激光照射在被焊材料表面上时,部分光能将被材料吸收而转变成热能,使材料熔化,从而达到焊接的目的.一般要根据被焊材料的光学性质（如反射和吸收）和热学性质（如熔点、热传导率、热扩散率、熔化潜热等）来决定所使用的激光的功率密度和脉宽等.对普通金属来说,光强吸收系数大约在105～109厘米-1数量级.如果激光的功率密度为105～109瓦/厘米2,则在金属表面的穿透深度为微米数量级.为避免焊接时产生金属飞溅或陷坑,要控制激光功率密度,使金属表面温度维持在沸点附近.对一般金属,激光功率密度常取105～106瓦/厘米2左右.

2.三轴扫描激光焊接

在激光焊接的基础上现在有进一步发展出了激光扫描焊接,它是近几年出现在国内外市场上的一种高效焊接技术,它能针对多点焊接,能极大的提高工作效率.它与传统激光焊接的主要区别在于激光束的定位方式.激光扫描焊接技术通过激光束入射到扫描振镜的X、Y、Z轴两个反射镜上,计算机控制反射镜的角度,实现激光束的任意偏转,使具有一定功率密度的激光聚焦在加工工件表面的不同位置,实现焊接功能,同时负透镜的线性移动,使焦点位置在Z方向上具有一定的调节范围,激光扫描焊接的原理如图1所示.

由于聚焦镜聚焦距离长,反射镜小角度偏转即可实现激光束在焊点（缝）之间可快速切换,其定位时间几乎为零.在国外,激光扫描焊接一般以长焦距、大扫描范围和高度灵活的激光束偏移为主要优点,其可以利用500mm或更长的焦距,扫描焊接范围一般超过1m,因此国外也将扫描焊接系统称为远程焊接系统（RemoteWeldingSystem,RWS）,更长的工作距离可以大幅降低激光污染.为了减少振镜扫描聚焦平面上的枕形畸变,激光束需采用动态聚焦技术或者f-θ场镜对光束进行补偿,保证工件水平面上激光功率密度相等,两种补偿方式的差别主要是扫描范围大小不一样.国外目前也将机械手与扫描焊接技术配合,称作robscanwelding,利用机械手多个自由度的灵活移动,可以将振镜扫描头定位到任意一点和任意的角度,针对大零件、复杂曲面零件进行快速的多点焊接,所以也称作三维激光扫描焊接,该技术被称之为“飞行加工”（processing-on-the-fly）,这是目前最为高效的焊接技术.

3.系统硬件

在整个系统中,硬件是必备的基础部分.激光器与扫描头的互联,关键是确定I/O的连接方式.激光器自身配备了多个相关的I/O口,根据设备自身的设置和系统工作的需求,确定相关的连接方式.在系统的连动装置中,采用供气装置进行控制,气路中串接了相关的电磁阀.通常情况下,电磁阀线圈通电时,吸住可动铁芯而打开导阀口,便可形成通路.本设计中,通过采用数字输出（DO）控制串接在气路中的电磁阀来实现对供气装置的相关控制.如下图2：

4.结束语

本文在三轴激光焊接系统应用过程中,其操作方便,供气、功率输出及动作实现了自动化,焊接质量和范围有了明显的提高,极大地提高了工作效率；焊接过程中的功率可以调整,为激光焊接工艺的改进提供了必要技术支持.