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远程焊接应用扫描仪的发展

发布时间:2020/01/13 09:52

远程焊接应用扫描仪的发展

光束质量的提高导致远程焊接应用的激增

发布于:2020年1月13日
发布人:江苏科茂自动化有限公司
关于:激光焊接

激光焊接

在过去的几年中,激光在金属成型和制造行业中的使用已大大增加。尽管切割是使用最广泛的激光应用,但是激光焊接也得到了发展,但没有激光切割那么快。若干挑战阻碍了远程激光焊接应用的增长,其中主要是光束质量。

远程激光焊接使用扫描镜将光束精确定位在所需的焊接位置。关键要求是高质量的光束,因此多年来,这种远程焊接仅限于大功率CO 2激光器。用于这种设置的典型光束传输系统由反射光学组件组成,以将光束引导到扫描头,以便通过移动反射镜快速偏转。光束传输系统有些固定,需要扫描头保持静止,从而限制了工作量。

在远程CO 2激光焊接应用中,系统设计人员还面临其他挑战,例如开发工具以将工件固定在适当位置以及将保护气体输送到焊接区域。随着磁盘和光纤激光器质量的提高,通过传输光纤传输光束使许多障碍物缩小或消失,这为小巧轻便的创新扫描仪系统设计扫清了障碍,可灵活地围绕工件定位。最近的发展使扫描镜和机器人能够同时协调运动,从而实现了快速有效的焊接处理。

系统要求

远程焊接的典型要求可分为三类:进行焊接所需的工艺参数;扫描仪功能可充分传送光束;激光束质量足以保证系统的长焦距。

通常,为了获得可接受的焊接效果,必须在图像平面上将多千瓦激光聚焦到约0.6 mm的光斑直径。500 mm的最佳工作距离(从光束进入扫描头到工件的大约距离)是有利的,因为它为各种焊接位置提供了足够的工具和扫描头定位空间,同时最大程度地减少了污染机会。

远程激光焊接最重要的参数也许是激光的光束质量。为了在长工作距离下实现0.6 mm的焦点直径,进入扫描头的光束参数乘积(BPP)必须小于18 mm-mrad(请参见图1)。

早期应用

在1990年代中期,诸如引擎盖下的容器和钥匙扣之类的塑料部件制造商开始采用扫描束定位技术,将一个零件(有点透射)与另一个零件(吸收性)接合起来,以制造完整的组件。扫描头用于沿着所需的焊接路径快速扫描光束。同样,面对增加产量的需求,磁盘驱动器组件制造商用扫描仪代替了固定的激光束焊接站,以快速点焊悬挂臂组件。尽管功率低,但这些应用引入了一个新概念:具有高加速度和高速度的移动式低质量反射镜,可减少零件定位的非生产时间并增加激光束的开启时间。

新世纪开始出现了更高功率的CO 2应用。最初,1 kW至2 kW CO 2激光器与扫描仪一起使用,以焊接小型结构。一种典型的应用是汽车热交换器。它们由难以与常规点焊连接的薄金属板组成。远程激光焊接是一种非接触式工艺,是一种理想的工艺,可以快速制作每个热交换器需要的几条焊缝而又不会使材料变形。扫描仪覆盖约500 mm x 500 mm的工作区域,并在2kW的CO 2下产生约0.45 mm的斑点激光。适用于此应用的扫描仪包括一个有效孔径为33至40mm的3-D扫描系统,两个用于X和Y位置的振镜驱动镜和一个动态Z轴,以在整个工作区域内保持焦点直径。

一旦建立了基准,就可以将这些参数应用于原则上相似但需要修改以实现特定性能的其他应用程序。例如,焊接更大,更厚的零件需要更多的激光功率,才能获得与基准工艺基本相同的参数。但是,这不仅仅是扩展扫描仪设计的问题。增加零件尺寸和激光功率需要更复杂的扫描仪系统。

能够在1 m的加工区域内偏转高达6 kW的CO 2激光的扫描仪系统需要非常大的扫描镜,其孔径为70到80 mm,以实现连接金属所需的600微米的焦点直径。高速驱动这些大镜子会给伺服放大器造成很大的压力。为了稳定运行,将电子板安装到水冷背板上。此外,光束传输光学器件和扫描头的入口孔是水冷的,而动态扫描镜是风冷的,以防止所产生的热量损坏。
激光
图1不论激光类型如何,远程焊接设置都需要6 kW至10 kW。

这样的扫描仪系统已在全球范围内用于在生产环境中点焊汽车结构支撑板。在短短几年内,CO 2激光器的远程焊接在全球范围内获得了许多成功的安装,发展迅速。

其他激光进入现场

Nd:YAG激光。短波长激光器,例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG),提供了另一种光束传输方法。可以将激光束输送到传输光纤中,以将其引导至最终的传输光学器件。虽然方便,但光纤传输的,二极管泵浦的固态(DPSS)Nd:YAG激光器的BPP刚好足以满足通常与远程扫描仪焊接相关的更长焦距系统的要求。尽管Nd:YAG激光器的波长比CO 2激光器短,但是用于DPSS Nd:YAG激光器的扫描仪系统需要较大的孔径(90毫米)才能获得足以进行远程激光焊接的聚焦直径。

这种类型的系统很大,但仍可以通过机器人进行定位,从而使扫描仪和机器人定位器同时运动。这种类型的扫描仪是3D系统,能够实现180 mm x 180 mm x 50 mm的工作体积。使用光束质量为18 mm mrad的4 kW DPSS激光器,可以在工作空间内机器人可触及的任何地方扫描焦点直径为0.7 mm的焦点。安装了这种类型的系统来焊接汽车结构部件,例如引擎盖和地板。

光纤激光器。甚至在引入之初,光纤激光器(1,070至1,090纳米)还是对远程激光焊接的现有激光技术的改进。5 kW光纤激光器的光束质量更好,可将扫描仪孔径进一步减小至约50 mm,但仍能在200 mm x 200 mm x 100 mm的工作空间内在0.65 mm的像面上产生聚焦光斑直径。随着扫描头尺寸的减小,机器人定位系统可以提供更好的性能,从而进一步降低了焊接工艺的复杂性。

机器人前进

来自激光的更高光束质量转化为设计灵活性,从而提高了用于远程焊接扫描仪的所有光学组件的性能。

用于远程激光焊接的扫描头技术的当前状态是输入孔约为30毫米的3-D系统。这种紧凑的系统可以在240 mm x 200 mm x 80 mm的体积内提供高达6 kW的功率,聚焦点直径为0.6 mm。

通常,这种类型的系统具有多个传感器,这些传感器监视扫描头的运行状况。轴监视传感器提供X,Y和Z轴值的状态;电源电压;和电子白板状态。系统传感器监视物镜和保护窗,扫描镜,准直仪和冷却液流量的温度。内部分束器为焊接过程监控器和视觉系统提供接口。数字伺服控制允许选择多个调谐和通讯通道,以实时反馈振镜的运行状态。

如今的3D系统比以往任何时候都更加紧凑,允许系统设计人员将远程焊接扫描仪系统与机器人结合起来以创建通用的工作单元。同步扫描头和机器人的同时运动,使系统设计人员和工艺工程师具有更大的通用性,并能够在无限的方向上进行焊接。
江苏科茂自动化有限公司   www.jskemao.cn