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      激光焊接場鏡淺析
      材料來源:菲鐳泰克激光           錄入時間:2022/8/30 23:42:26

      激光掃描焊接(Laser Scanner Welding,LSW)技術是近幾年出現在國內外市場上的一種高效焊接技術,其針對多點焊接能夠極大地提高生產效率。

      LSW與傳統的激光焊接主要區別是激光束定位方法不一樣,LSW技術通過激光束入射到掃描振鏡的X,Y軸兩個反射鏡上,計算機控制反射鏡的角度,實現激光束的任意偏轉,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,實現焊接功能,同時負透鏡的線性移動,使焦點位置在Z方向上具有一定的調節范圍,激光掃描焊接的原理如圖1所示。由于聚焦鏡聚焦距離長,反射鏡小角度偏轉即可實現激光束在焊點(縫)之間可快速切換,其定位時間幾乎可以忽略不計。

      激光掃描焊接一般以長焦距、大掃描范圍和高度靈活的激光束偏移為主要優點,其可以利用500 mm或更長的焦距,掃描焊接范圍一般超過1 m,因此也將掃描焊接系統稱為遠程焊接系統(Remote Welding System,RWS),更長的工作距離可以大幅降低激光污染。

      為了減少振鏡掃描聚焦平面上的枕形畸變,激光束需采用動態聚焦技術或者f-θ場鏡對光束進行補償,保證工件水平面上激光功率密度相等,兩種補償方式的差別主要是掃描范圍大小不一樣。

      激光掃描焊接技術使得焊接時間(beam on)占整個流程時間約90%,為工業生產提供了更高的焊接效率、更大的柔性以及更好的經濟效益。如表1為LSW技術與傳統焊接技術對比。具體實物如圖2所示。

      表1傳統焊接與激光振鏡掃描焊接對比

      2.電阻焊與激光焊

      目前,市場上針對大零件、復雜曲面零件進行快速的多點焊接,采用將機械手與掃描焊接相結合的方案,利用機械手多個自由度的靈活移動,可以將振鏡掃描頭定位到任意一點和任意的角度,所以也稱作三維激光掃描焊接。如圖3所示,汽車車身的焊接。

      圖3.汽車車身激光焊

      在汽車車身生產線,這種組合方案很是流行。如戴姆勒—奔馳、奧迪、大眾等都已經采用該技術大批量生產制造車身和各種汽車零配件,如車門、車側板、后貨架、座椅等。

      在使用掃描焊接技術后,汽車車身的結構件可以變得更加靈活,焊縫形狀可以根據焊點的強度要求采用不同的形式,汽車制造業因此得益于重量更輕、更加經濟的高強度零部件。圖4所示為激光掃描焊接在汽車零部件焊接應用實例。

      圖4.汽車焊接案例

      隨著新能源汽車的異軍突起,動力電池的需求越來越大,激光焊接也就由之前的車身焊接,拓展到動力電池的焊接,汽車座椅的焊接以及汽車內飾的切割等應用。下圖即為激光焊接在新能源動力電池焊接中的應用實例。通過激光可以實現,遠程,多維度焊接,焊接質量有保證,根據工藝調整,外觀美觀無瑕疵。

      新能源動力電池激光焊接應用實例圖片

      雖然掃描焊接具有無可比擬的效率優勢,但在其大規模應用還需解決如下幾個難點:

      1.掃描焊接時因工作范圍大,焊接速度快,使得保護氣體很難準備,很難實時有效保護熔池不被氧化。目前針對此難題還沒有較為有效解決辦法,國外許多研究工作者建議將保護氣體添加在工件的夾具周圍,焊接時通過夾具將保護氣吹向工件需焊接的點位,但成本較為昂貴。

      2.激光掃描焊接時,激光并不總是垂直入射到工件上面,影響了焊接熔池的空間形狀,可能影響焊接效果。

      3.工裝夾具與零部件準備等也是迫切需要解決的問題,因激光焊接需要零件部件緊密搭接,特別是針對具有一定曲面的大型工件,須對其夾具進行定制。

      4.降低對激光掃描焊接操作要求,進一步開發簡便的用戶操作界面,實現運動路徑疊加計算智能化,離線路徑規劃編程,在線獲取激光參數以及掃描振鏡數據,用于診斷、故障排除、保養等。

      最后,針對激光掃描焊接系統的光學選型方案做一下分析。

      激光器輸出到振鏡工作站,簡單的一套激光掃描系統分為激光器、QBH準直、CCD監測、振鏡組和掃描場鏡五大核心模塊組成。

      激光掃描焊接系統

      焊接用激光器的纖芯直徑一般100~600um,對應的數值孔徑一般在0.1~0.22不等。

      在確定激光器數據后,我們一般要根據掃描振鏡的有效口徑反過來計算準直透鏡的焦距。

      例如: 掃描振鏡的有效孔徑是30mm,那么輸入到振鏡的光束就不能大于30mm,實際的經驗是選擇準直后的光束在20~25mm之間,即為振鏡有效孔徑的2/3~4/5.

      假設光纖的數值孔徑NA= 0.12, 準直后的光斑為D,準直鏡頭組的復合焦距為f,根據公式D=2*f*NA.當20≤D≤25時,83≤f≤104,可以選擇f100的準直組件,即可滿足需求。

      進一步可以根據激光器的芯徑大小和實際需要的聚焦光斑,來選擇合適的掃描場鏡。

      例如,激光纖芯直徑為200um,根據光學聚焦公式:d≈dfiber*ff/fc,其中ff為掃描場鏡等效焦距,fc為準直鏡組焦距。

      如果希望的聚焦光斑d=600um,則ff≈600um*100mm/200um≈300mm,那么可以選擇等效焦距ff≈330的標準場鏡。

      下表(表2和表3)為常見的焊接用準直和場鏡模組的選型推薦:功率4kw以上~8kw

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