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不懂技术和工艺,当心高功率激光焊接头“热”过头 2020-06-30

与头

在脉冲固体激光器发明后不久,大约为1962年前后,美国的tri公司就开始了激光在焊接方面的应用研究。激光焊接也是最早普及的激光工业应用之一,国内外很多重要的激光应用公司都是从激光焊接起步。乃至现在,激光焊接技术已经成为很多行业的标准工艺,比如汽车、航空和近年兴起的动力电池等行业。

近十年来,光纤激光器的出现改变了激光打标、激光切割的产业格局,但是对于激光焊接领域的颠覆尚处于幼儿时期。光纤激光器具有的一些优势并不适合焊接的要求,比如光束能量过于集中、激光波长短和峰值功率不太高等。准连续(qcw)、光斑可调(如arm光斑)、衍射光学(doe)等技术逐渐推进着焊接技术的发展,光纤激光器作为焊接光源成为很多人的默认选项。

无论采用什么样的激光源,焊接的目的就是将两块材料,可能是同种材料,也可能是不同材料,加热融化,然后重新凝结成一块材料。


图1 激光焊接示意图

图1 激光焊接示意图


焊接本身是一个看似简单,其实极其复杂的过程(见图1),其中涉及两种材料的融化、熔池的形成和混合、等离子气体的产生、保护气体的作用,以及重结晶和材料相变等过程。材料温度从室温迅速上升到1000多度,然后又迅速降到室温附近。这一切都在接近千分之一秒的时间内完成。焊接完成的材料具有与原本材料类似或者更好的性能,例如机械强度相当、耐腐蚀性不变等。

如此复杂且多变的过程却要求保证极高的良品率,除了工艺探索中的反复尝试和技术创新外,整个焊接过程的优异控制性以及调整能力都是必不可少的。这些要求同样适用于激光焊接头,只是简单地提供聚焦能力是远远不够的,具备精确的控制性和丰富的调整能力才算的上是一个现代的焊接头。


焊接头的主要性能

现代的激光焊接头已经不再是单纯的光机组件,而是融合了光学、机械、传感、影像、控制、通信、态势感知和算法等多种功能集于一体的、具备前端智慧的子系统。先进的激光焊接头应该成为智慧化加工系统的重要基础。

要实现这个目的,激光焊接头应具备3个重要特征:

(1)对激光聚焦光斑的多维度控制能力。包括自动对焦、光斑摆动、平顶光束等现代手段;

(2)当加工状态偏离设定目标时的快速应变能力,例如由于定位误差导致的焊缝偏离、加工中材料的变形等,从而减轻主机系统的执行负担;

(3)可拓展的通信能力。说到底,激光焊接头也只是一个末端组件,因此需要与主机系统进行大量的数据交换,包括实时的影像、焊接头的工作状态,以及主机系统发过来的动作参数等。在一个中等规模的加工生产线上,可能有3~10台不同的激光焊接机同时工作,因此焊接头需要具备寻址功能、双向缓存和适应不同拓扑结构的多种通信接口。

图2 激光焊接头典型结构

图2 激光焊接头典型结构


典型的激光焊接头的结构如图2所示,它包含了大多数先进焊接头的功能,而实际的激光焊接头是这个结构的一个合理裁剪版。按照每个功能模块的相对重要性的顺序,这些结构作用和组成如下:

01  光学准直和聚焦

将光纤激光器输出的激光束,经过准直和聚焦到工作面上。由于高功率激光的热问题,激光焊接头必须具备焦点的热补偿能力。


02 窗口保护

在焊接过程中产生大量烟雾等污染物,合理的气门设计和具备防污染性能的窗口片,可以降低产线的停工时间,并有效地控制配件更换的成本。


03 光斑摆动和扫描轨迹控制

扫描路径可编程能力和每分钟大于1万转(>10000 rpm)的摆动速度,对于防止飞溅、提高工艺稳定性,尤其是对于某些难焊材料的焊接至关重要,是现代激光焊接头的一个显著特征。


04 传感系统

用于探测焊接头的温度、内部气压和镜片的污染等实时使用状况。其中比较特殊的高度传感器和防撞传感器,是用于检测焊接头与加工面的距离,以及出现误运动时,及时发出警报信号。在与机械手配合工作时,特别有价值。


05 实时影像和分析

捕捉焊接的工作影像,并提供初步的数据分析,例如是否出现严重漏焊等错误。


06 光学调焦和补偿

在焊接复杂3d曲面时,尤其是存在快速变化的曲线、热变形导致的工件起伏等情况时,利用焊接头本身的快速调焦和补偿功能,可以有效地减缓中控系统的运算负荷,提高补偿速度和效率。


07 光斑整形

在遇到难加工材料,如铜铝的焊接,可以根据焊接件的特性进行光斑强度分布的调整,会带来意想不到的好结果。


08 焊缝跟踪

焊缝跟踪无疑是减轻前期处理和工装夹具精度的有用功能。另一方面,对于小批量、多品种的焊接加工,也极大地降低了焊接编程的工作量,最受工程师的欢迎。


09 控制中心

基于微芯片和处理器的中控系统的功能越来越强大,也是未来最具提升价值的一块。


10 通信接口

高速通信接口适应多拓扑网络结构。


焊接头选型表

根据上文的描述,列出了以下焊接头选型表,供对激光焊接头不太熟悉的用户使用,以及专业用户参考。

需要说明的是,该选项表并不针对特定厂家的某一类产品。其中的重要性分为5级:

  1)非常重要意味着必不可少;

  2)不重要指附加功能;

  3)介于中间的重要性代表这一功能对某些应用是有帮助的,对某些应用未必有帮助。


表1 高功率激光焊接头选项表

表1 高功率激光焊接头选项表


总 结

现代高功率激光焊接头已经不再是一个单纯的光学聚焦部件,而是融合了诸多先进技术的、具备末端智能的功能单元。能够提供精确控制能力,并自动适应现代加工对多参数调整的要求是未来高功率激光焊接头的未来发展趋势。不同用户根据自身的加工要求,选择具备合适功能的高功率焊接头,远远比计较特定参数的高低更为重要。


原作者:徐剑秋 上海交通大学物理与天文学院 教授

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