與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，機(jī)器人激光掃描焊接技術(shù)可以提供高出數(shù)倍的生產(chǎn)效率。
Kurt Mann博士，Thomas Schwoerer，Guenther Weinmann；Trumpf
采用YAG固體激光器進(jìn)行焊接，已成為汽車制造過程中一項(xiàng)成熟可靠的工藝。該項(xiàng)工藝現(xiàn)廣泛用于車身和車架制造、傳動(dòng)系統(tǒng)制造、車座制造和其他領(lǐng)域。
由于能夠進(jìn)行光束共享以及可利用柔性激光電纜傳輸激光束，固體激光器可以輕松自如地與機(jī)器人共同使用。機(jī)器人的移動(dòng)與光學(xué)掃描儀的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)緊密配合，可以實(shí)現(xiàn)高度靈活的機(jī)器人3D焊接工藝以及光學(xué)掃描儀所帶來(lái)的高生產(chǎn)率。
碟片激光器技術(shù)
固體激光器最初采用燈泵浦系統(tǒng)，然后逐漸發(fā)展到
二極管激光器泵浦系統(tǒng)以及隨后的二極管泵浦碟片激光器和光纖激光器系統(tǒng)。固體激光器的演進(jìn)，使得其功效和光束質(zhì)量產(chǎn)生了巨大的飛躍。
固體激光器之所以能獲得如此重大的技術(shù)改進(jìn)，主要原因在于采用了半導(dǎo)體激光器泵浦激光晶體。半導(dǎo)體激光器僅發(fā)射出一段波長(zhǎng)的光，可以被激光晶體很好地吸收，此類系統(tǒng)的光-光轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能達(dá)到如今碟片激光器的65%左右，從而使整個(gè)系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)到30%。很顯然，與燈泵浦的系統(tǒng)相比，其效率大約提供了10倍。
碟片激光器的另一大優(yōu)勢(shì)在于激光激活晶體本身的設(shè)計(jì)。對(duì)于棒狀系統(tǒng)（rod systems）來(lái)說(shuō)，泵浦光所產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)，從而影響光束的預(yù)期質(zhì)量。新型碟片激光器的設(shè)計(jì)，使晶體內(nèi)部（碟片）的溫度保持恒定。圖1顯示了這兩種系統(tǒng)的不同。因而，采用碟片激光器所實(shí)現(xiàn)的光束質(zhì)量將大大超過棒狀系統(tǒng)，由此可以將光束參數(shù)積（BPP）最高提高到6倍。
圖1：碟片激光器（右圖）的主要優(yōu)勢(shì)是在碟片（圖中紅色部分）內(nèi)部保持恒定的溫度分布，避免了碟片的熱透鏡效應(yīng)。棒狀系統(tǒng)（左圖）的熱變形會(huì)導(dǎo)致激光光束質(zhì)量的下降。
半導(dǎo)體泵浦二極管技術(shù)的改進(jìn)，目前碟片激光器的潛力尚未得到充分開發(fā)。第一代二極管泵浦一個(gè)碟片，只能產(chǎn)生1kW的激光功率，而用最新一代二極管泵浦，則可以產(chǎn)生4kW的激光功率。如果將多個(gè)單獨(dú)的碟片諧振腔集中在一起（見圖2），那么從理論上講，一個(gè)碟片激光器可以實(shí)現(xiàn)的總體激光功率將會(huì)無(wú)限大。現(xiàn)有的4個(gè)諧振腔的設(shè)計(jì)（見圖3），能夠立刻獲得16kW的激光功率，并且在提高激光功率的同時(shí)，沒有光束質(zhì)量損失。
圖2：碟片激光器諧振腔的原理圖。來(lái)自二極管泵浦疊陣的泵浦光束，通過諧振腔內(nèi)的反射鏡多次反射，最高可穿過碟片20次。然后，碟片將泵浦光“轉(zhuǎn)換”為可用于加工的激光光束。
圖3：有4個(gè)諧振腔的碟片激光器，包括泵浦二極管、光學(xué)共振器、實(shí)時(shí)/閉環(huán)功率控制系統(tǒng)以及采用TRUMPF LASERNETWORK最高可轉(zhuǎn)換為6倍輸出功率的光束轉(zhuǎn)換裝置。
遠(yuǎn)程激光焊接
由于碟片激光器的光束質(zhì)量得到了改進(jìn)，進(jìn)而可以設(shè)計(jì)出新的具有更長(zhǎng)焦距的光學(xué)加工頭，并且不會(huì)影響加工速度或焦點(diǎn)尺寸。例如，一個(gè)4kW碟片激光器的光束質(zhì)量是一個(gè)4kW燈泵激光器光束質(zhì)量的3倍，進(jìn)而其焦距也可以是燈泵激光器的3倍，而且其焦點(diǎn)直徑仍可保持在適于深熔焊接的0.6mm左右。
新的光學(xué)焊接技術(shù)可以利用500mm或更長(zhǎng)的焦距，因此將其稱為“遠(yuǎn)程焊接”。更長(zhǎng)的工作距離可以大幅降低激光污染，并延長(zhǎng)防護(hù)玻璃的使用壽命，從而有利于降低運(yùn)營(yíng)成本。
高光束質(zhì)量的激光器還可以增加光學(xué)掃描儀的場(chǎng)尺寸，從而可以通過由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可以移動(dòng)的反射鏡對(duì)光束進(jìn)行定位。此類光學(xué)掃描儀的可編程性，可以實(shí)現(xiàn)在處理區(qū)域內(nèi)對(duì)任何焊接形狀進(jìn)行加工。由于這些反射鏡質(zhì)量輕，所以它們非常靈活，因而在將光束從一個(gè)焊接位置重新定位到下一個(gè)焊接位置時(shí)，幾乎沒有時(shí)間損耗。
TRUMPF的可編程聚焦的
光學(xué)儀器 PFO 3D，可以使所有軸對(duì)光束進(jìn)行高速三維定位。所有這些軸可以在不到30ms的時(shí)間內(nèi)將光束從一端重新定位到另一端。各個(gè)軸之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直線、圓形或弧形等各種模式的焊接加工。
TRUMPF掃描儀控制器系統(tǒng)可以與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行耦合，與機(jī)器人的軸實(shí)現(xiàn)完全同步。這使得在進(jìn)行極高速材料加工的同時(shí)，機(jī)器人可以移動(dòng)光學(xué)掃描儀，從而擴(kuò)大加工空間，并對(duì)部件進(jìn)行三維接觸。
這種將兩種系統(tǒng)耦合在一起的技術(shù)稱之為“飛行加工”（processing-on-the-fly），這是目前最為高效的焊接技術(shù)。由于激光光束通過光學(xué)掃描儀可以極快地從一個(gè)焊接位置“跳”到另一個(gè)焊接位置，不會(huì)存在光束重新定位的時(shí)間損耗，機(jī)器人路徑的移動(dòng)速率通常快于焊接工藝的有效加工速度。如果人們直接觀看整個(gè)焊接過程，肉眼將難以跟上焊接“電火花”的移動(dòng)速度。
遠(yuǎn)程焊接的實(shí)際應(yīng)用
機(jī)器人激光掃描儀系統(tǒng)的焊接性能，在很大程度上取決于所應(yīng)用的實(shí)際激光輸出功率（1～10kW）以及光學(xué)掃描儀的設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，在所有其他因素保持不變的情況下，激光輸出功率越高，焊接速度越快。該技術(shù)已經(jīng)廣泛用于汽車行業(yè)中可用來(lái)焊接0.6～1.5mm厚的薄金屬板。采用功率4kW的TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器，用遠(yuǎn)程焊接方式將兩塊1mm厚的薄金屬板焊接在一起，其有效焊接速度大約可達(dá)到100mm/s。其生產(chǎn)效率的實(shí)質(zhì)性提高，主要得益于大幅縮短了將焦點(diǎn)從一個(gè)焊接位置重新定位到另一個(gè)焊接位置所用的時(shí)間。
利用軟件可對(duì)焊接模式進(jìn)行自由編程。無(wú)論采用多大功率，TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器進(jìn)行一次C形焊接的時(shí)間均不會(huì)超過200ms，而電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行同樣焊接的時(shí)間一般都需要2s。各種實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，碟片激光器焊接的生產(chǎn)率一般超過電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)率的2～6倍。
高強(qiáng)度鋼的焊接
高強(qiáng)度鋼焊接是目前激光焊接的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度不斷增加，并已超過了1000MPa。從理論上講，鋼的強(qiáng)度越高，其對(duì)熱輸入的敏感性越高。由于激光器焊接比電阻點(diǎn)焊乃至MIG焊接的熱輸入更小，因此激光焊接仍然是高強(qiáng)度鋼焊接的首選方法。
鋅和激光凹槽
在焊接鋼材的時(shí)候，一個(gè)必須重點(diǎn)考慮的因素是鋅。目前，用于汽車車身制造的最新鋼板往往在兩側(cè)鍍鋅。當(dāng)溫度達(dá)到大約900℃時(shí)，鋅通常會(huì)氣化，而鋅表面下的鋼卻根本沒有融化。因此，鍍?cè)趦蓧K金屬板之間的兩層鋅，在焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的蒸氣壓。如果金屬板之間沒有縫隙，蒸氣壓將導(dǎo)致熔化材料發(fā)生爆炸，絕大多數(shù)情況下是沖破上層的金屬板發(fā)生爆炸。這最終將可能影響焊接的效果，并可能發(fā)生泄漏。因此，必需有一個(gè)縫隙使蒸氣壓能夠從金屬板之間側(cè)向逃逸。
形成這種縫隙的方法多種多樣，但激光技術(shù)可以提供最為靈活的解決方案。在將兩塊金屬板焊接在一起之前，用于焊接的同一設(shè)備可首先用來(lái)做一種被稱為“激光凹槽”（Laser Dimpling）的加工。可以對(duì)激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成一個(gè)可再生的凹槽，深度通常為0.1～0.2mm。用戶可以在10ms以內(nèi)采用同一設(shè)備，以極其低廉、高效的方式形成多個(gè)凹槽。
