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學(xué)術(shù)論文

高功率光纖激光遠(yuǎn)程焊接技術(shù)

Johnny Lee 來(lái)源:《激光制造商情》2015-07-25 我要評(píng)論(0 )   

作者:Paul Kah, Jinhong Lu, Jukka Martikainen, Raimo Suoranta芬蘭拉彭蘭塔工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系焊接工藝與激光加工實(shí)驗(yàn)室摘要

 作者:Paul Kah, Jinhong Lu, Jukka Martikainen, Raimo Suoranta

芬蘭拉彭蘭塔工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系焊接工藝與激光加工實(shí)驗(yàn)室 

摘要:

高功率、高光束質(zhì)量光纖激光的應(yīng)用使遠(yuǎn)程激光焊接(RLW)工藝得到迅猛的發(fā)展。本文對(duì)遠(yuǎn)程激光焊接的原理進(jìn)行了總結(jié),作為一種極具應(yīng)用前景的工藝技術(shù),RLW加工的靈活性好、速度快、周期短,并可用于多種領(lǐng)域。本文闡釋了高功率光纖激光遠(yuǎn)程焊接的典型特性,并研究了激光功率、焊接速度、保護(hù)氣體、光束傾角、焦點(diǎn)位置等工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程激光焊接、掃描儀、光纖激光器、工藝參數(shù)

 

1. 簡(jiǎn)介

遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)(RLW),作為一種非接觸式機(jī)器人激光焊接工藝,近些年已經(jīng)獲得了較大發(fā)展,并被應(yīng)用于提高激光焊接工藝的生產(chǎn)效率,改善其加工的靈活性[1]。RLW的試驗(yàn)研究工作最早出現(xiàn)于1996年,由John Macken提出[2]。RLW的主要特征是長(zhǎng)焦距(可達(dá)1600mm)、高功率、高光束質(zhì)量激光源與振鏡掃描裝置的完美結(jié)合[3-5]。與傳統(tǒng)激光焊接工藝相比,RLW加工的靈活性更好,速度更快,周期更短[3,6]。

一直以來(lái),RLW技術(shù)研究工作被應(yīng)用于各種類型的激光器,例如,文獻(xiàn)[1]應(yīng)用CO2激光和Nd: YAG激光,文獻(xiàn)[7]采用Nd: YAG激光和碟片激光進(jìn)行RLW試驗(yàn),文獻(xiàn)[6,8]則開(kāi)始采用高功率光纖激光進(jìn)行RLW試驗(yàn)研究。波長(zhǎng)1080nm的高功率光纖激光不僅能夠?qū)崿F(xiàn)激光束的光纖傳輸,還能夠強(qiáng)化加工的靈活性及聚焦的精準(zhǔn)度。而CO2激光器由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)(10.6μm),所以生成的光束不可能通過(guò)光纖傳輸[7]。高功率光纖激光因其合適的波長(zhǎng)及優(yōu)良的光束質(zhì)量,在RLW應(yīng)用領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),是取代傳統(tǒng)CO2激光和Nd: YAG激光的理想選擇。

RLW的工作原理是通過(guò)振鏡掃描對(duì)激光光束進(jìn)行反射和定位,使其以高速傳輸?shù)焦ぜ砻鎇9]?,F(xiàn)在,在RLW領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是2D掃描。2D掃描單元其實(shí)是一個(gè)振鏡系統(tǒng),包含兩個(gè)可電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的輕型掃描鏡。該系統(tǒng)可處理5kW輸出功率,比3D掃描更經(jīng)濟(jì)[10]。

雖然這種工藝尚未廣泛普及,但是毫無(wú)疑問(wèn),RLW在汽車行業(yè)擁有巨大的應(yīng)用潛力,比如座椅、白車身、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的焊接等。在白車身生產(chǎn)中,RLW的實(shí)用性強(qiáng)、加工周期短,完全可以取代電阻點(diǎn)焊。

當(dāng)然,RLW也面臨著諸多挑戰(zhàn), 比如對(duì)預(yù)加工的要求、對(duì)焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求、需要提供保護(hù)氣體、需要特別注意鍍層薄板的夾持和定位等[11,12]。與傳統(tǒng)的激光焊接相比,RLW需要關(guān)注的工藝參數(shù)更多。這些參數(shù)大致可以分為光束質(zhì)量、加工參數(shù)及材料屬性三大類[6]。

 

2. 遠(yuǎn)程激光焊接工藝

2.1. 工藝原理 

RLW的理念并不是特別新奇,其原理主要是通過(guò)掃描儀,在工件上方一定距離對(duì)聚焦的激光光束進(jìn)行反射和定位,焦距通常在1000~1600mm之間[13]。1996年,John Macken進(jìn)行了第一次RLW試驗(yàn),采用焦距為1600mm的激光實(shí)現(xiàn)了小孔模式焊接,該試驗(yàn)被認(rèn)為是RLW工藝發(fā)展史上的里程碑[11]。掃描儀能夠幫助激光光束正確投射在面積為1m×1m,甚至是超過(guò)2m3的大型工件上,焊接速度可達(dá)30m/min[14]。

一般RLW工藝有兩種工作模式:集成掃描儀的RLW系統(tǒng)和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)。集成掃描儀的RLW系統(tǒng)是利用一個(gè)掃描單元(一般為2D掃描儀)對(duì)激光光束進(jìn)行定位和聚焦,如圖1(a)所示[11];而基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)則是指通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)焦距激光光學(xué)鏡與一個(gè)六軸機(jī)器人完成操作,由機(jī)器人負(fù)責(zé)激光光束在工件表面的定位,如圖1(b)所示[11]。

與基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)相比,集成掃描儀的RLW系統(tǒng)可應(yīng)用于多種領(lǐng)域,且加工周期更短,精準(zhǔn)度更高,但是這種系統(tǒng)對(duì)激光光束的質(zhì)量要求也比基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)高很多。表1為集成掃描儀的RLW系統(tǒng)和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)與傳統(tǒng)激光焊接的性能比較。
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1. 集成掃描儀的RLW系統(tǒng)(a)和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)(b[11] 


2. 構(gòu)成掃描頭的典型元件[9]

3. 2D掃描儀系統(tǒng)的主要部件


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