激光焊技术

zpc64

激光焊是利用高能量密度的激光作为热源的一种高效、精密的焊接方法。随着航空航天、汽车、微电子等行业的迅猛发展，产品零件结构形状越来越复杂，人们对产品加工精度和表面完整性，以及生产效率、工作环境的要求越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，以激光为代表的高能焊接方法得到广泛应用。激光焊接因具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度及适应性强等优点，
- k- D' {8 e. [激光焊的原理及特点
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。按激光器输出能量方式的不同，激光焊可分为脉冲激光焊和连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊；在激光深熔焊中又分为对接焊（钎焊）和搭接焊，前者需要填钎料，外观美观。
激光焊的优势主要包括：激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料；激光焊是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题；激光能量和移动速度可调，可实现多种焊接加工；自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快、功效高，可方便地进行任何复杂形状的焊接；热影响区和材料变形小，无需后续工序处理；激光可通过玻璃，焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；易于导向、聚焦，实现各方向变换；激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济和社会效益好。
激光焊接设备   
7 d; {4 m+ `# K( `   
激光焊接设备主要由激光器（固体、气体、半导体）、导光系统、控制系统、工件装夹及运动系统等主要部件和光学元件的冷却系统、光学系统的保护装置、过程与质量的监控系统、工件上下料装置及安全装置等外围设备组成。
. \! w7 W) {4 a" z' d5 C# ]8 e1. 激光器
, L+ [2 F* R7 [# Z用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。CO2气体激光器功率大，是目前深熔焊主要采用的激光器，但从实际应用出发，在汽车领域，YAG 固体激光器的应用更广。随着科学技术的迅猛发展，半导体激光器的应用愈加广泛，由于其具有占地面积小、功率大、冷却系统小、光可传导、备件更换频率和费用低等优点深受用户青睐.
2. 光导和聚焦系统
$ D0 j0 v; Q. y2 y" z, C光导聚焦系统实现激光的传送、方向和焦点控制。光学镜片的状态对焊接质量有着非常重要的影响，因此要对光学镜片进行定期维护。
" _7 E3 W& X! R8 v  L8 P& ]3. 焊接机器人
焊接机器人作为运动及控制系统，可精确控制激光焊接轨迹，并携带自动跟踪系统，保证焊接质量稳定、可靠。
. s8 H( l2 z" g* a4 H8 {3. 激光焊接质量控制
为了保证每一台车的激光焊接质量都合格，激光焊接质量控制主要由外观检查、晶相分析和拉力试验三大部分组成，各部分都有相应的检测指标及技术规格要求。
激光焊常见的应用问题
1. 气孔、漏焊、焊穿
出现该问题的主要影响因素有：焊接压力（搭接焊）、保护气、焊接轨迹、聚焦位置及送丝系统（对接焊）。激光钎焊工艺较复杂，对技术要求较高，其发光、送丝和通电流的时间差要达到较好的配合，才能有效保证焊接质量的稳定。在顶盖与侧围结合的始端和末端处，如果出现无丝、丝过多和烧穿等问题，可调节程序中光、丝和电流的时间差来解决。
2. 中途停焊
  F- [0 m. F% }, G+ U" |目前，该问题在国内外汽车激光焊接的应用上普遍存在。总的来说，其影响因素主要分为软件和硬件两个方面。硬件方面主要包括：激光源、聚焦系统、光纤、冷却器、送丝机及机器人。软件方面主要包括：机器人程序、PLC程序、安全PLC程序、电压稳定性、激光程序、聚焦系统程序及轨迹跟踪引导程序。其中，PLC程序和电压稳定性对该故障影响较多，由于目前能源较紧张，且部分工厂在建厂初期未能将大功率设备与精密设备（控制系统）的电源线路有效分开，造成工厂内部电压波动较大，激光焊接设备不能正常工作，故障频率高。在编辑PLC程序时，因考虑了过多且部分不必要的互锁，造成外部条件出现极小变化，激光和机器人便停止工作。
( g. L  p0 l6 c+ W+ O# m8 q3 T8 y3. 激光失控（安全）
在设计激光焊接设备总线连接时，要充分考虑到安全性，如果总线出现故障，机器人如何实现对激光的控制，停止激光？从图3可以看出，在PROFIBUS总线中，激光源作为机器人的子站，而机器人又作为PLC的子站。在SAFETYBUS总线中，机器人和激光源都作为安全PLC的子站。但该设计图有一个问题，由于激光源与机器人之间无总线看门狗，一旦机器人的总线出现一个闪断，机器人就会因诊断到自身总线错误停止运动，但激光无法得到机器人发给的停止信号，便会出现机器人停、激光不停的危险状态。为了避免此问题发生，可以采用如图3上绿线部分的措施，即通过机器人将信号传给PLC，再由PLC传给安全PLC，最后由安全PLC来停止激光；也可将激光源作为PLC的子站，直接由PLC来进行控制。
+ R9 t; N! V' b结语
) w- i1 y4 G2 L$ E4 T0 E激光焊接技术经过几十年的快速发展，已深入到包括汽车行业在内的多个领域。高效、快捷、自动一体化，使激光焊接技术占据了极大优势，但同时也暴露出一些问题，稳定性和成本方面与普通电阻焊相比，还有待提高。