華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院    楊永強(qiáng)  王迪

3.2 國外設(shè)備與應(yīng)用

    國外目前多以動(dòng)態(tài)聚焦式掃描焊接為主，采用幾千瓦的CO₂激光器、碟片激光器和光纖激光器等為主。以德國Rofin集團(tuán)生產(chǎn)的RofinSWS掃描焊接系統(tǒng)而言，它可搭載最大功率6KW的RofinDP系列半導(dǎo)體泵浦激光器或DS系列Disc圓片激光器，通過離線編程及軌跡生成系統(tǒng)，振鏡和機(jī)器人可以同步工作，實(shí)現(xiàn)了高速無時(shí)滯焊接^[11]。

圖-2所示為BMW轎車的某個(gè)部件使用激光掃描焊接后提高生產(chǎn)率的例子，該工件需要焊接的部位達(dá)到20多個(gè)，采用電阻焊接需要30 s，采用傳統(tǒng)激光焊接需要23 s，而采用激光掃描焊接，焊接時(shí)間縮短到5 s，而且焊縫檢測(cè)顯示各個(gè)部位的焊接質(zhì)量優(yōu)良。

圖-2 BMW公司汽車部件采用不同焊接方式焊接時(shí)間比較^[12]

荷蘭的ZENNA公司生產(chǎn)的掃描焊接系統(tǒng)^[13]，參數(shù)配置如下：激光器為最高功率5000W的CO₂氣體激光器，工作范圍最大為：1250x1250x300 mm，振鏡掃描速度達(dá)到20 m/s，Z軸升降可以通過氣動(dòng)或者伺服驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。該掃描焊接系統(tǒng)達(dá)到0.05mm的重復(fù)精度和0.1mm的定位精度，基于PC控制。如圖-3為該公司提供的將管子焊接連接到鋼板上的掃描焊接實(shí)例，共有12根直徑為10mm的管子，獲得縫焊效果，整個(gè)焊接過程所需時(shí)間才15 s。

 焊接前背面              焊接前正面                 焊接效果            

                    圖-3 Zenna 公司掃描焊接實(shí)例

大眾汽車和奧迪的研發(fā)工程師研究了激光掃描焊接工藝的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)奧迪成功解決了工裝夾具與零部件準(zhǔn)備等各種挑戰(zhàn)，今天它們生產(chǎn)的部件質(zhì)量更加卓越。從2007年初，后續(xù)的奧迪 A4車門就已經(jīng)采用激光掃描焊接工藝與TRUMPF公司制造的4千瓦圓盤激光器。應(yīng)用此技術(shù)后，四個(gè)制造單元每天可生產(chǎn)1800扇車門。每個(gè)激光掃描系統(tǒng)均為TRUMPF公司生產(chǎn)的TruDisk 4002，它們采用了最新的圓盤激光器，4千瓦的功率輸出僅由兩個(gè)圓盤產(chǎn)生^[7,8]。

TRUMPF研發(fā)的可編程聚焦掃描模PFO 3D^[5,8]，可以使所有軸對(duì)光束進(jìn)行高速三維定位，所有這些軸可以在不到30ms的時(shí)間內(nèi)將光束從一端重新定位到另一端。各個(gè)軸之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直線、圓形或弧形等各種模式的焊接加工。目前只有該公司開發(fā)的機(jī)器人掃描焊接系統(tǒng)方案通過了德國汽車行業(yè)嚴(yán)格的認(rèn)證測(cè)試，并已應(yīng)用于其系列生產(chǎn)中，如圖4所示。

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 圖4 TRUMPF 公司機(jī)械手掃描焊接技術(shù)

4 國內(nèi)現(xiàn)狀

4.1研究進(jìn)展

國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對(duì)掃描焊接的研究深度明顯不足，相關(guān)的技術(shù)文章幾乎空白?？赡茉蚴菕呙韬附蛹夹g(shù)還沒有引起國內(nèi)研究人員的重視，或者因?yàn)閭鹘y(tǒng)的激光焊接技術(shù)研究的較為成熟。但因?yàn)槭袌?chǎng)上出現(xiàn)的較多的掃描焊機(jī)機(jī)，國內(nèi)的專利申請(qǐng)也主要側(cè)重于該技術(shù)的應(yīng)用層面。

華南理工大學(xué)申請(qǐng)專利^[14]：基于振鏡掃描的選擇性激光微釬焊系統(tǒng)，把數(shù)字控制的高速振鏡與高質(zhì)量光纖激光以及高速開關(guān)光閘組合起來，實(shí)現(xiàn)程序控制的瞬時(shí)多點(diǎn)焊接的能量輸入，焊點(diǎn)尺寸達(dá)到50～100微米，振鏡掃描方式可實(shí)現(xiàn)在瞬間完成大面積的微點(diǎn)焊接，其效率與再流焊相比并不遜色，是替代傳統(tǒng)再流焊接的新技術(shù)。

上海市激光技術(shù)研究所申請(qǐng)專利^[15]：一種激光掃描焊接列管式換熱器的方法及裝置，采用動(dòng)態(tài)聚焦式掃描焊接技術(shù)，完成換熱器部件的焊接加工。克服列管式熱交換器制造的困難，實(shí)現(xiàn)不銹鋼超薄列管微型熱交換器精密制造。

廣州瑞通千里激光設(shè)備有限公司申請(qǐng)專利^[1]：光纖激光動(dòng)態(tài)聚焦振鏡掃描式點(diǎn)焊系統(tǒng)及其焊接方法。該專利采用光纖激光器，通過動(dòng)態(tài)聚焦模塊的編程控制，獲得掃描范圍或者工作距離的大范圍變化，掃描范圍從200mm變化到1450mm，光斑直徑變化從30微米到200微米。能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)大工件多點(diǎn)高效率焊接。

廣州瑞通千里激光設(shè)備有限公司申請(qǐng)專利^[16]: 動(dòng)力型鋰離子電池安全蓋帽激光焊接設(shè)備。該專利描述了YAG激光采用振鏡掃描后可以對(duì)電池蓋帽進(jìn)行瞬時(shí)多點(diǎn)焊接，配合旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的控制，可以達(dá)到每小時(shí)焊接至少2000個(gè)安全蓋帽的效率，具有較好的市場(chǎng)效果。

黃冬林等進(jìn)行了光纖激光器掃描焊接1mm厚有機(jī)玻璃的基礎(chǔ)研究^[2]，該方法可以方便的控制焊縫的寬度，并研究了掃描間距、掃描速度對(duì)焊接強(qiáng)度的影響。

4.2 國內(nèi)設(shè)備與應(yīng)用

目前已有多家廠商推出了振鏡式掃描焊接設(shè)備，但都屬于最為簡單式的，具體表現(xiàn)在激光器主要為YAG激光器，功率在200W-400W，采用的大多為f-?鏡聚焦式掃描焊接系統(tǒng)，限制了工作范圍與焊接速度，特別是YAG激光器需要不間斷的進(jìn)行維護(hù)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)汽車車身這類大零件的焊接時(shí)，采用將代替不了傳統(tǒng)的激光焊接。國內(nèi)主要激光焊接設(shè)備廠商如大族激光、楚天激光、廣州瑞通激光、聯(lián)贏激光等都推出了較為簡單的f-?鏡聚焦式掃描焊接系統(tǒng)。

深圳大族激光科技股份有限公司開發(fā)掃描焊接系統(tǒng)^[18]，其焊接速度為1～20點(diǎn)/秒，焊接范圍70mm×70mm。深圳市聯(lián)贏激光設(shè)備有限公司生產(chǎn)的任意波型能量負(fù)反饋控制型YAG激光焊接機(jī)，是在激光器的輸出端增加一個(gè)能量檢測(cè)裝置，用來檢測(cè)輸出激光能量的大小，并將該信號(hào)實(shí)時(shí)地反饋到控制端，與理論設(shè)定的能量進(jìn)行比較，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到精確控制激光能量輸出的目的。通過改變激光能量的輸出波形，可以極大地改善焊接質(zhì)量。

國內(nèi)其它激光設(shè)備公司，如武漢楚天激光^[19]，深圳聯(lián)贏激光^[20]，上海方圓激光^[21]等都推出了類似的激光掃描焊接設(shè)備。總的來說，國內(nèi)針對(duì)掃描焊接技術(shù)還以走低端路線為主，各廠家通過價(jià)格的競爭而非技術(shù)的創(chuàng)新贏得客戶。

5、振鏡掃描式激光焊接的應(yīng)用前景與應(yīng)用舉例

    掃描焊接系統(tǒng)主要應(yīng)用于一個(gè)工件上需要多點(diǎn)焊接的情況，以及焊點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換定位比較困難時(shí)候。掃描焊接技術(shù)還應(yīng)用于大型不易移動(dòng)的工件，或者具有復(fù)雜曲面的外形，可以通過機(jī)械手的快速靈活定位獲得快速高質(zhì)量的焊接。振鏡掃描焊接機(jī)系統(tǒng)也可以根據(jù)客戶或者工件的形狀、大小與自動(dòng)化程度進(jìn)行定制化的制作。因?yàn)檎耒R掃描單元可以根據(jù)ＰＣ加工任意的圖形單元，所以焊接時(shí)的加工軌跡將具有很大的自由性。國外目前將掃描焊接技術(shù)大量的應(yīng)用于對(duì)汽車車身的多點(diǎn)焊接，在使用掃描焊接技術(shù)后，汽車車身的結(jié)構(gòu)件可以變得更加靈活，焊縫形狀可以根據(jù)焊點(diǎn)的強(qiáng)度要求采用不同的形式，汽車制造業(yè)因此得益于重量更輕、更加經(jīng)濟(jì)的高強(qiáng)度零部件。對(duì)未來車身結(jié)構(gòu)的研究表明，掃描焊接系統(tǒng)相對(duì)于電阻點(diǎn)焊來說，可以降低30%的投資成本，減少50%的加工區(qū)域，縮短60%的加工時(shí)間。

國外已經(jīng)將掃描焊接技術(shù)廣泛用于汽車行業(yè)中用來焊接0.6～1.5mm厚的薄金屬板^[22]。采用功率4kW#p#分頁標(biāo)題#e#的TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器，用掃描焊接將兩塊1mm厚的薄金屬板焊接在一起，有效焊接速度大約可達(dá)到100mm/s^[8]。其生產(chǎn)效率的實(shí)質(zhì)性提高，主要得益于大幅縮短了將焦點(diǎn)從一個(gè)焊接位置重新定位到另一個(gè)焊接位置所用的時(shí)間。利用軟件可對(duì)焊接模式進(jìn)行自由編程。無論采用多大功率，TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器進(jìn)行一次C形焊接的時(shí)間均不會(huì)超過200ms，而電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行同樣焊接的時(shí)間一般都需要2s。各種實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，碟片激光器焊接的生產(chǎn)率一般超過電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)率的2～6倍^[8]。圖5為戴姆勒公司采用機(jī)械手掃描焊接汽車部件的現(xiàn)場(chǎng)。

    圖-5 機(jī)械手掃描焊接汽車部件現(xiàn)場(chǎng)

國內(nèi)采用振鏡掃描式激光焊接機(jī)可以高效地焊接各類電池，如手機(jī)電池，動(dòng)力電池等的焊接。圖-6為各類電池和手機(jī)面板的焊接樣品圖。采用掃描激光焊接機(jī)焊接手機(jī)電池時(shí)，用特制的夾具一次可裝夾多塊電池，然后通過編程，控制振鏡讓激光連續(xù)掃描電池，實(shí)現(xiàn)快速高效的焊接，這跟硬光路相比，優(yōu)勢(shì)非常明顯。

           a各類電池焊接                                                        b手機(jī)面板焊接

              圖-6 掃描焊接技術(shù)焊接各類電池與手機(jī)殼

 另外，掃描焊接技術(shù)應(yīng)用于電池安全蓋帽的焊接也具有很大的優(yōu)勢(shì)。圖-7為瑞通激光使用LWS-300FS掃描焊接系統(tǒng)焊接的安全蓋帽樣品^[17]。LWS-300FS設(shè)備配備了轉(zhuǎn)盤式工作臺(tái)，便于電池的上下料，大大提高了生產(chǎn)效率。選用原來的硬光路傳輸?shù)募す夂附訖C(jī)焊接電池蓋帽，效率為1100個(gè)/小時(shí)，選用振鏡掃描式激光點(diǎn)焊機(jī)焊接電池蓋帽(多點(diǎn))，焊接效率可達(dá)到2000-5000個(gè)/小時(shí)，由焊接的樣品可知，通過振鏡掃描激光焊接電池安全蓋帽，方便靈活地實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)、多點(diǎn)及各種排列分布焊點(diǎn)的焊接。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖-7 掃描焊接技術(shù)焊接電池安全蓋帽

6、總結(jié)

掃描焊接工藝具有焊接速度快、熱輸入量小、焊接熱變形小、靈活性大、焊接熔深可自由控制等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的激光焊接技術(shù)一樣，掃描焊接可以進(jìn)行疊加縫焊工藝。國內(nèi)主要以使用YAG激光和低掃描范圍的f-?鏡聚焦式掃描焊接系統(tǒng)，國外主要以使用具有高光束質(zhì)量和高功率的激光器和具有大掃描范圍動(dòng)態(tài)聚焦掃描焊接系統(tǒng)。在國內(nèi)掃描焊接技術(shù)主要應(yīng)用于各類電池焊接、手機(jī)面板和電子元器件的多點(diǎn)焊接，而在國外掃描焊接技術(shù)主要應(yīng)用于汽車車身、車門等大件、復(fù)雜件的多點(diǎn)焊接。（編輯：邵火  通訊員：王迪）