激光焊接領域激光焊接頭的主要性能與結(jié)構(gòu)

激光焊接是最早普及的激光工業(yè)應用之一，國內(nèi)外很多重要的激光應用公司都是從激光焊接起步。乃至現(xiàn)在，激光焊接技術(shù)已經(jīng)成為很多行業(yè)的標準工藝，比如汽車、航空和近年興起的動力電池等行業(yè)。

無論采用什么樣的激光源，焊接的目的就是將兩塊材料，可能是同種材料，也可能是不同材料，加熱融化，然后重新凝結(jié)成一塊材料。

圖1 激光焊接示意圖

焊接本身是一個看似簡單，其實極其復雜的過程(見圖1)，其中涉及兩種材料的融化、熔池的形成和混合、等離子氣體的產(chǎn)生、保護氣體的作用，以及重結(jié)晶和材料相變等過程。材料溫度從室溫迅速上升到1000多度，然后又迅速降到室溫附近。這一切都在接近千分之一秒的時間內(nèi)完成。焊接完成的材料具有與原本材料類似或者更好的性能，例如機械強度相當、耐腐蝕性不變等。

如此復雜且多變的過程卻要求保證極高的良品率，除了工藝探索中的反復嘗試和技術(shù)創(chuàng)新外，整個焊接過程的優(yōu)異控制性以及調(diào)整能力都是必不可少的。這些要求同樣適用于激光焊接頭，只是簡單地提供聚焦能力是遠遠不夠的，具備精確的控制性和豐富的調(diào)整能力才算的上是一個現(xiàn)代的焊接頭。

焊接頭的主要性能

現(xiàn)代的激光焊接頭已經(jīng)不再是單純的光機組件，而是融合了光學、機械、傳感、影像、控制、通信、態(tài)勢感知和算法等多種功能集于一體的、具備前端智慧的子系統(tǒng)。先進的激光焊接頭應該成為智慧化加工系統(tǒng)的重要基礎。

要實現(xiàn)這個目的，激光焊接頭應具備3個重要特征：

(1)對激光聚焦光斑的多維度控制能力。包括自動對焦、光斑擺動、平頂光束等現(xiàn)代手段;

(2)當加工狀態(tài)偏離設定目標時的快速應變能力，例如由于定位誤差導致的焊縫偏離、加工中材料的變形等，從而減輕主機系統(tǒng)的執(zhí)行負擔;

(3)可拓展的通信能力。說到底，激光焊接頭也只是一個末端組件，因此需要與主機系統(tǒng)進行大量的數(shù)據(jù)交換，包括實時的影像、焊接頭的工作狀態(tài)，以及主機系統(tǒng)發(fā)過來的動作參數(shù)等。在一個中等規(guī)模的加工生產(chǎn)線上，可能有3～10臺不同的激光焊接機同時工作，因此焊接頭需要具備尋址功能、雙向緩存和適應不同拓撲結(jié)構(gòu)的多種通信接口。

圖2 激光焊接頭典型結(jié)構(gòu)

典型的激光焊接頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包含了大多數(shù)先進焊接頭的功能，而實際的激光焊接頭是這個結(jié)構(gòu)的一個合理裁剪版。按照每個功能模塊的相對重要性的順序，這些結(jié)構(gòu)作用和組成如下：

01 光學準直和聚焦

將光纖激光器輸出的激光束，經(jīng)過準直和聚焦到工作面上。由于高功率激光的熱問題，激光焊接頭必須具備焦點的熱補償能力。

02 窗口保護

在焊接過程中產(chǎn)生大量煙霧等污染物，合理的氣門設計和具備防污染性能的窗口片，可以降低產(chǎn)線的停工時間，并有效地控制配件更換的成本。

03 光斑擺動和掃描軌跡控制

掃描路徑可編程能力和每分鐘大于1萬轉(zhuǎn)(>10000 rpm)的擺動速度，對于防止飛濺、提高工藝穩(wěn)定性，尤其是對于某些難焊材料的焊接至關重要，是現(xiàn)代激光焊接頭的一個顯著特征。

04 傳感系統(tǒng)

用于探測焊接頭的溫度、內(nèi)部氣壓和鏡片的污染等實時使用狀況。其中比較特殊的高度傳感器和防撞傳感器，是用于檢測焊接頭與加工面的距離，以及出現(xiàn)誤運動時，及時發(fā)出警報信號。在與機械手配合工作時，特別有價值。

05 實時影像和分析

捕捉焊接的工作影像，并提供初步的數(shù)據(jù)分析，例如是否出現(xiàn)嚴重漏焊等錯誤。

06 光學調(diào)焦和補償

在焊接復雜3D曲面時，尤其是存在快速變化的曲線、熱變形導致的工件起伏等情況時，利用焊接頭本身的快速調(diào)焦和補償功能，可以有效地減緩中控系統(tǒng)的運算負荷，提高補償速度和效率。

07 光斑整形

在遇到難加工材料，如銅鋁的焊接，可以根據(jù)焊接件的特性進行光斑強度分布的調(diào)整，會帶來意想不到的好結(jié)果。

08 焊縫跟蹤

焊縫跟蹤無疑是減輕前期處理和工裝夾具精度的有用功能。另一方面，對于小批量、多品種的焊接加工，也極大地降低了焊接編程的工作量，最受工程師的歡迎。

09 控制中心

基于微芯片和處理器的中控系統(tǒng)的功能越來越強大，也是未來最具提升價值的一塊。

10 通信接口

高速通信接口適應多拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

奧萊光電同軸測溫視覺單聚焦激光焊接頭圖片

奧萊光電同軸測溫視覺單聚焦激光焊接頭利用系統(tǒng)同軸CCD攝像頭與監(jiān)視裝置，對被焊接工件進行定位。激光控制單元接收定位完成信號，激光對焊接區(qū)域進行設定時間內(nèi)的局部照射。激光焊接系統(tǒng)是以激光二極管為熱源，通過激光實行局部非接觸 加熱，它具有非接觸性，無需更換烙鐵頭，激光光束直徑小等優(yōu)點。特別是有部分不適用波峰，回流的部品，只能通過后裝工序，利用局部加熱方法來完成整個產(chǎn)品的組裝。