详解高功率光纤激光器远程焊接技术

1.简介远程激光焊接技术（RLW），作为一种非接触式机器人激光焊接工艺，近些年已经获得了较大发展，并被应用于提高激光焊接工艺的生产效率，改善其加工的灵活性。RLW的试验研究工作最早出现于1996年，由JohnMacken提出。RLW的主要特征是长焦距（可达1600mm）、高功率、高光束质量激光源与振镜扫描装置的完美结合。与传统激光焊接工艺相比，RLW加工的灵活性更好，速度更快，周期更短。一直以来，RLW技术研究工作被应用于各种类型的激光器。波长1080nm的高功率光纤激光器不仅能够实现激光束的光纤传输，还能够强化加工的灵活性及聚焦的精准度。而CO2激光器由于波长较长（10.6μm），所以生成的光束不可能通过光纤传输。高功率光纤激光因其合适的波长及优良的光束质量，在RLW应用领域具有无可比拟的优势，是取代传统CO2激光和Nd:YAG激光的理想选择。RLW的工作原理是通过振镜扫描对激光光束进行反射和定位，使其以高速传输到工件表面[9]。现在，在RLW领域应用最为广泛的是2D扫描。2D扫描单元其实是一个振镜系统，包含两个可电动旋转的轻型扫描镜。该系统可处理5kW输出功率，比3D扫描更经济。当然，RLW也面临着诸多挑战，比如对预加工的要求、对焊接质量和稳定性的要求、需要提供保护气体、需要特别注意镀层薄板的夹持和定位等。与传统的激光焊接相比，RLW需要关注的工艺参数更多。这些参数大致可以分为光束质量、加工参数及材料属性三大类。2.远程激光焊接工艺2.1.工艺原理RLW的理念并不是特别新奇，其原理主要是通过扫描仪，在工件上方一定距离对聚焦的激光光束进行反射和定位，焦距通常在1000~1600mm之间。1996年，JohnMacken进行了第一次RLW试验，采用焦距为1600mm的激光实现了小孔模式焊接，该试验被认为是RLW工艺发展史上的里程碑。扫描仪能够帮助激光光束正确投射在面积为1m×1m，甚至是超过2m3的大型工件上，焊接速度可达30m/min。一般RLW工艺有两种工作模式：集成扫描仪的RLW系统和基于机器人的RLW系统。集成扫描仪的RLW系统是利用一个扫描单元（一般为2D扫描仪）对激光光束进行定位和聚焦，如图1（a）所示；而基于机器人的RLW系统则是指通过一个长焦距激光光学镜与一个六轴机器人完成操作，由机器人负责激光光束在工件表面的定位，如图1（b）所示。(a)(b)图1.集成扫描仪的RLW系统（a）和基于机器人的RLW系统（b）与基于机器人的RLW系统相比，集成扫描仪的RLW系统可应用于多种领域，且加工周期更短，精准度更高，但是这种系统对激光光束的质量要求也比基于机器人的RLW系统高很多。表1为集成扫描仪的RLW系统和基于机器人的RLW系统与传统激光焊接的性能比较。表1.远程焊接工艺和传统激光焊接工艺的参数对比1=很差/很低；2=一般；3=良好2.2.配置条件要想获得好的远程焊接结果，必须满足以下三个条件：1.一台确保激光光束正确传输和定位的扫描仪2.一台能够进行长焦距作业的高质量高功率光纤激光器3.全面正确地控制工艺参数2.2.1.扫描仪扫描仪将确保光束根据所需的焊接路径在工件表面正确引导，并快速定位。高度灵活的轻型扫描头能够使光束在焊点之间极为快速地移动，这也就意味着定位所需的时间将远远低于传统激光焊接工艺。图2所示为一个扫描头的典型元件。扫描单元主要由一组振镜和透镜构成。在远程焊接中，激光光束首先会通过透镜。透镜可以沿着光轴移动，从而改变焦点位置。激光光束通过X振镜和Y振镜被相继反射和引导，最后沿着既定的焊缝，在工件表面精确聚焦。图3表示一个典型的2D扫描仪系统，其中包括焊缝追踪传感器，直线投影设备以及高灵敏度的2D扫描单元。图2.构成扫描头的典型元件图3.2D扫描仪系统的主要部件2.2.2.高功率光纤激光器近年来，高功率光纤激光器实现了快速发展，在材料加工应用领域已经表现出极具优势的特性。具有极佳光束质量的高功率光纤激光器可以提供超高的功率密度峰值，能达到几个MW/mm2量级，这对于长距高速远程激光焊接而言至关重要。大量研究数据表明，高功率光纤激光器有许多优势，例如：电光转换率高极佳的光束质量使用寿命长，因此运行成本相对较低通过光纤传输的激光光束更具灵活性对多数金属薄板的吸收系数高设计紧凑，便于移动如图4所示，一个配有高功率光纤激光器的RLW单元由工业机器人固定，并配备一个焊接头固定装置。研究显示，远程光纤激光焊接可以进一步提高焊接速度，减少焊丝、焊枪等的损耗，减少对工具及部件的紧固要求，降低传统焊接工艺所需负担的持续性维护成本。图4.配备5kW光纤激光器的RLW单元2.3.RLW的典型特性与传统激光焊接工艺相比，集成扫描仪的远程激光焊接系统具有诸多优势，例如灵活性高、加工周期短、生产速度快，焊接效果好，性能均一稳定，高度自动化，使用材料少、维护需求低，所以能够降低生产成本；热量输入少，有助于减小热变形；机型设计紧凑，占地面积校2.3.1.高效生产由于集成扫描仪的RLW系统焊接速度快，加工周期短，因此效率更高。一般情况下，焊接速度可以从6m/min提高到30m/min，具体焊接速度取决于所配置激光器的输出功率。除去扫描仪非工作时间，可以进一步使加工周期缩短80%。扫描头的不间断运动与快速定位，使RLW系统在焊缝之间移动所需的时间仅为50ms，而机器人定位通常需要2-3s。因此，集成扫描仪的RLW系统的加工周期比电阻点焊或弧焊快6-10倍。2.3.2.高度灵活RLW系统中扫描头与工件之间的长距操作在焊接时表现出极大的灵活性，这也是传统的激光焊接设备所无法企及的。如图5所示的焊缝就只能在长距操作的情况下才能完成。长距操作的另一个优势就是可以避免金属蒸汽或飞溅物污染光学元件。此外，长距操作对夹具的要求更低，这样在重型或大型产品应用中可以有效降低设备成本。图5.RLW应用于可达性差的工件焊接2.3.3.成本优势RLW在白车身生产中已经凸显出成本优势。大量研究结果表明，RLW系统能够通过多种途径降低生产成本。比如：通过批量生产，降低单位生产成本；通过减少激光焊枪的数量，提高工作效率，降低设备使用成本；通过缩短焊缝重叠宽度，降低物料消耗成本；通过延长设备的使用寿命，降低维护成本等。当然，RLW也有劣势。例如：需要提供保护气体，需要极佳的光束质量，需要夹具，需要对焊缝进行追踪。对于RLW而言，最大的挑战莫过于向工件喷射保护气体。辅助气体不是沿着焊缝同步移动，而是让整个加工区域全部处于气体保护状态。这样就需要一定数量的喷嘴，以极快的流速同时喷射保护气体，以防止整个加工区域氧化，避免污染。因此，远程激光焊接所需的保护气体的量很大，也因此成为一个增加成本的因素。2.4.RLW的应用现在，RLW主要应用于平板装配量产，这样的生产线上往往需要进行大量焊接。RLW的典型应用领域就是汽车制造业。迄今为止，已有将近70个RLW系统投入使用，参与车座（座椅、框架、轨道、面板）、白车身（行李箱、后面板、车门/悬挂部件、侧墙、热交换器）及内部结构（加强筋、后窗置物板/护顶）的生产加工。3.RLW的工艺参数研究人员还对焊接速度、焦点位置、光束倾角、保护气体、接头设计，以及母材属性等工艺参数进行了大量的测试和研究，以便进一步改善光束特性，如激光功率、光束质量、波长、光斑直径、焦距、模式、偏振等。图6为Oefeleetal针对RLW的关键参数，即临界条件、工艺条件和加工质量等所做的研究和报告。图6.RLW的关键工艺参数研究人员通过四种钢材对配置光纤激光器的RLW进行了研究，这四种母材分别为：软钢、镀锌钢板、合金镀锌钢板及不锈钢。主要工艺参数见下表2。表2.配置光纤激光器的RLW的工艺参数一览此外，研究人员还特别针对大量工艺参数进行了研究，比如输出功率、焊接速度、保护气体供应、光束倾角及焦点位置等。3.1.激光功率在激光加工过程中，增加激光功率就可以提高焊接速度。资料显示，在对软钢进行远程焊接时，如果将光纤激光器的输出功率从4kW提高至8kW，同时光斑直径保持不变，则焊接速度会明显加快，但伴随着激光功率的提高，也会出现喷溅、焊缝下垂等焊接质量下降的现象。图7阐释了在对软钢S355进行远程焊接时，激光功率对焊接速度和焊透深度的影响。从图表中可以看出，提高激光功率时，焊接速度和焊透深度会随之提高。图7.输出功率对RLW的影响（有排气装置、无保护气体、光斑直径640μm、焦距470mm、S335软钢）3.2.焊接速度在进行RLW时，焊接速度是最为重要的决定性因素之一。焊接速度大致取决于功率密度、所需焊透深度、激光模式、焦点位置及扫描次数。焊接速度对于熔池、焊点形状及焊透深度均有影响。图8阐释了在以不同激光功率对不锈钢1.4301进行远程激光焊接时，焊接速度与焊接深度之间的关系。通过图8可以看出，焊接速度越高，焊接深度越浅，激光功率越大，焊接深度越深。图8.焊接速度对RLW焊接深度的影响（不锈钢1.4301，3种输出功率，焦距500mm）3.3.保护气体在远程激光焊接时提供保护气体能带来许多益处，如：防止焊接区域氧化、抑制金属蒸汽、清除光束路径中的金属颗粒，稳定焊接过程，防止生成等离子体。在对钢材进行RLW时，最常使用的保护气体有氩气、氦气、氮气和压缩空气。典型的RLW保护气体流速约为15-20L/min，主要取决于焊接长度。图9.保护气体对RLW焊接深度和焊接速度的影响（钢板，8kW输出功率）在进行高功率远程光纤激光焊接时，保护气体对焊接深度和速度的影响可参考图8。无论有无充入保护气体，焊接速度提高时，焊透深度会持续降低。但是当焊接速度低于5m/min时，保护气体就成为极为关键的影响因素，其主要原因可能是小孔内生成的大量金属蒸汽会抑制焊接过程。当焊接速度提高至14m/min时，保护气体对RLW焊接深度的影响力度又开始逐步增强。3.4.光束倾角因为作业距离较长，所以RLW所允许使用的倾角范围很大。激光光束在工件表面投射出的光斑面积和形状会随着倾角的变化而变化。随着功率密度和吸收度的改变，光束倾角会对焊透深度和接口宽度产生影响。倾角大于60?时，会极大地影响焊透深度；倾角介于20?至30?之间时，焊接过程差异不大。资料显示，倾角介于0?至20?时，对焊接质量无影响。3.5.焦点位置焦点位置会影响焊透深度、焊点形状及切口质量。激光光束的焦点位置会随着母材厚度的变化而变化。为了取得最佳的焊透效果，焦点位置通常建议位于工件上表面约1mm处。图10表示在用碟片式激光器对钢材进行远程激光焊接时，焦点位置对焊透深度的影响。从图10可以看出，当焦点位置位于工件表面0mm时，焊透深度最深。当激光光束所聚焦的点距离逐步增大时，焊透深度随之降低。图10.焦点位置对RLW焊接深度和宽度的影响4.结论本文旨在对带有光纤激光器的远程激光焊接工艺进行研究。远程光纤激光焊接工艺具有广阔的应用前景。由于其具有生产率高、灵活性好、综合成本低等多种优势，该工艺已开始应用于汽车制造业。对于远程光纤激光焊接单元而言，扫描仪是最为重要的基本配置。然而，要想获得好的焊接效果，在远程激光焊接中，用户还需要将一系列工艺参数纳入考虑，比如光束质量、激光功率、焊接速度、保护气体供应、焦点位置等等。转载请注明文章出处，谢谢。超声波焊接机