多年来，激光在各种焊接机器人应用中得到了广泛的应用。而且，随着激光技术的进一步发展和多样化，其在焊接中的应用也在不断扩大。本文对高功率激光在锁孔焊接中的应用进行了综述。

 

目前使用的大多数传统(非激光)焊接技术都是弧焊的变体.在这些方法中，两块金属首先接触或接近物理。这些零件的边缘可能是成形的，以便于它们的连接。在电极和接触区之间建立高压，产生熔化材料的电弧(或者，在某些情况下是额外的填充材料或电极本身)。熔化的材料填补工件之间的任何间隙，或覆盖它们，然后固化以连接零件。

 

大多数弧焊方法的主要优点是成本相对较低，尤其是在设备投资方面。此外，电弧焊技术得到很好的理解和广泛的应用，生产和测试的标准已经建立起来，因此在使这些过程在线时没有太多的学习曲线。

 

电弧焊的主要缺点主要是使零件受到高温的影响。这会导致熔化材料中的显微组织在焊缝处产生较低的强度，而在与焊缝相邻的材料中则会形成一个相对较大的热影响区。此外，电弧的参数受局部电场的影响，因此不能独立设置。

 

激光锁孔焊接

 

大多数激光焊接技术可分为“小孔”焊接和“导电方式”焊接两大类。这两种焊接方式都可以自动地进行，也就是说，没有填充金属，如果需要的话，也可以使用填料。

 

在高激光功率下焊接机器人较厚的材料时，通常会遇到钥匙孔或深熔焊。在锁孔焊接中，激光通过聚焦，在工件上达到很高的功率密度。在激光束的聚焦下，金属实际上蒸发了，在熔化的金属池中打开了一个盲孔(钥匙孔)。蒸汽压力抑制周围熔化的金属，并在此过程中保持这个孔开着。激光功率主要吸收在汽液边界和小孔壁上。聚焦激光束和小孔沿着焊接路径连续移动。在锁孔前面，新材料熔化，在背面，它决定成为焊接接头。

 

小孔区域的小尺寸导致了一个**的，狭窄的熔合区，与弧焊方法相比，宽比(深度与宽度)高。此外，高度本地化的应用热意味着大量的工件作为一个有效的散热器，使焊接区域升温和冷却迅速。这使热影响区的尺寸*小化，并减少了晶粒的生长。因此，激光通常能产生比弧焊更强的接头，这是它的主要优点之一。

 

激光焊接也提供了比弧焊更大的灵活性，因为它与极其广泛的材料兼容，包括碳钢、高强度钢、不锈钢、钛、铝和贵金属。它也可以用来连接不同的材料，因为不同的材料熔化温度和热传导是次要的过程。

 

此外，在考虑所有工艺步骤的情况下，激光焊接比传统方法具有显著的成本优势。特别是，**的应用热在焊缝和整个部分的变形*小化，从而消除了后处理在许多情况下的需要。此外，在相对较远的距离上投射激光束的能力基本上没有功耗损失，这使得激光焊接与其他生产过程的集成变得容易，并有利于与制造机器人的集成。*后，但并非*不重要的，新产品配置可以实现减少法兰尺寸，这是关键的轻型车辆在汽车行业。

焊接用光纤激光器

 

现代CO_2和光纤激光器可以方便地提供小孔焊接的光束参数和功率要求。由于几乎所有金属在较短的波长下都能吸收，因此在短纤维激光波长为1μm时，加工效率比CO2激光波长为10.6μm时有所提高。

 

特别是光纤激光器，非常符合锁孔焊接机器人的要求。它们通常提供500 W至10 kW的输出功率，即使在相对较大的工作距离下，也可以很容易地在所需的40μm至800μm的范围内获得聚焦光斑尺寸。从实际的角度来看，光束传输光纤的使用扩大了集成的选择，并促进了激光在制造环境中的使用。*后，光纤激光器具有高可靠性、良好的正常运行时间和良好的拥有成本等特点，使其成为一种经济可行、有吸引力的生产焊接机器人应用选择。

 

目前有几家制造商生产用于焊接机器人和其他材料加工应用的高功率光纤激光器。例如，相干Rofin光纤激光器可以提供性能、可靠性、易集成性和成本特性的组合，这是焊接和其他材料加工应用的*佳选择。为了了解这是如何实现的，研究一下这些激光器的设计和结构细节是很有用的。

 

图中给出了相干腔Rofin光纤激光器振荡器的主要元件。激光谐振腔由大模区(LMA)、掺Yb双包层光纤和光纤布拉格光栅构成。这是由一系列二极管激光泵浦模块从每一端抽运，其输出被光纤耦合到增益光纤中。

 

 

相干光纤激光器振荡器原理图，包括12个二极管激光泵浦模块和6×1个光纤耦合模块，这些模块将泵浦光注入增益光纤，并允许有效地提取激光输出。

 

在此基础上，一套泵和增益光纤可产生高达3kW的输出功率。从这些单模光纤激光器中的四个输出，然后可以组合成一个多模光纤，以获得高达10千瓦的功率。另外，“标准”柜支持通过使用集成的光纤到光纤开关将单个光纤激光器的输出分成四种不同的光纤。

 

因此，这种模块化的构造方法允许相干的维罗芬在输出功率、传输纤维直径和光束参数积方面提供几种选择。这样做的好处是能够很容易地调整激光束的特性，使其**地符合特定工艺的要求。

 

一些用户在处理高反射金属(如铜和黄铜)时，曾经历过光纤激光损坏或后反射造成的工艺不一致。相干Rofin激光器利用一种优化的发电和传输技术以及系统内不同位置的传感器来保护激光部件免受这种损坏。这些保障措施消除了背面反射的问题，并允许可靠焊接机器人黄铜、铝和铜，而不担心对激光造成任何损害。

 

当然，光纤激光器只是整个焊接机器人系统的一部分，它还包括一个光束聚焦焊接头，以及控制电子设备。除了光纤激光器之外，相干的Rofin还提供光束传输组件，安装在客户的机器上。这些可以是固定光学或完整的集成扫描解决方案，其中包括控制所有相关的激光参数，以充分优化焊接机器人过程。此外，这些综合解决方案往往具有快速和灵活的光束扫描技术，允许快速的梁从一个焊接轮廓移动到下一个。这极大地提高了激光处理系统的生产率。


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