激光自动化焊接空间曲面零件工艺探究

【摘 要】随着科学技术的发展，以及工业发展对效率等的需要，激光技术已经在很多领域得到了应用。激光焊接是激光应用多个行业中的一个重要领域。在焊接空间曲面零件时，利用机器人结合Nd：YAG激光焊接设备系统，可以提高焊接质量。本文主要讨论了工艺原理以及影响因素。

【关键词】激光焊接;机器人;空间曲面;焊接参数

激光焊接技术是激光在应用中的一个重要内容，激光焊接技术是具有很好发展前景的焊接技术。激光焊接技术起源于欧美国家，在上个世纪他们就将激光焊接在工业生产中进行应用。我国也在加速开发和研究这种技术，在一定领域也取得了不错的成绩。

通过实践可以看出：传统的焊接工艺涉及到的领域，激光焊接技术都可以达到应用，而且激光焊接出来的材料质量会更高，加工的效率也更快。

１．激光焊接工艺

１．１激光焊接技术的工作原理

激光焊接技术进行焊接是利用激光的辐射量来实现的。其工作原理：利用某些特定的方法活化激光活性介质(如CO2与其他气体的混合气体等)，让其在反复振荡过程中形成辐射光束。这些光束在照射到零部件时，将能量传递给工件，当温度达到了材料熔点后，就可以进行焊接工艺了。

１．２激光焊接技术的分类

激光焊接技术分为：热传导焊接和深熔焊接。

热传导焊接的热量利用热传递的方式，将热量传递给工件内部．仅在焊缝的表面出现熔化现象，而在工件内部不会出现完全熔透现象。这个过程中基本不会出现汽化现象。这种技术多应用于焊接低速薄壁材料。

深熔焊接过程中完全熔透材料，还伴有汽化现象，在这个工程中有大量等离子体产生。因为产生的热量太大，熔池的前端会有匙孔现象出现。这种技术的焊接速度比较快，是目前应用最多的技术。

１．３激光焊接技术的特点

激光焊接具有聚焦光斑密度高，热输入量低，焊缝窄，焊接变形小这一系列优点，并且由于非常细小的裂纹都会对产品质量带来一定的影响，所以不同于传统的氩弧焊，激光焊接技术可以从根本山解决这个问题。而在焊接过程中受热影响的焊缝区也比比较小，而且激光焊接过程一般不需要额外填充金属材料，所以在一定程度上节约的成本。激光焊接技术在操作过程中，其设备具有稳定性，并且通过对温度的控制等使操作达到均匀，因此焊接出的材料比较连续均匀，比较适合于对焊缝外形要求比较严格的材料。使用激光技术进行材料焊接的优缺点如下：

优点：（1）运用激光技术进行焊接，可以获得外形质量很高的接头，而且焊接得速度大大的提高；（2）激光焊接过程不需在真空环境下进行操作，因此使用透镜及光纤技术，能够实现远程操作控制和自动化生产；（3）由于激光具有很大能量，因此可以完成对不同性能材料的焊接。

不足之处在于：（1）初期需要投入的成本比较高，因为激光器以及操作系统中的各配件的价格比较昂贵，在短时间内获得的经济效益不太明显；（2）在焊接固体材料时，由于其吸收激光的强度比较低（尤其是在焊接过程中出现等离子体后，等离子体会对激光有吸收)，会降低激光焊接的的使用效率；（3）由于激光焊接产生的聚焦光斑比较小，因此需要有高精度的接头装备，很小的偏差有可能会带来严重的加工误差。

２．操作过程

２．１两根管焊前是否紧密接合

两根不锈钢管要求在焊接后的气密性要高。这就相当于搭接焊，这就要求两管子需要最大程度的紧密结合在一起，两根不锈钢管之间有较大的空隙存在。这是由于，一方面缝隙的存在会导致激光能量的损失，另一方面缝隙的存在使通过激光融化的的金属熔液很难填充到表面。因此，应当在焊接过程中使用高功率CO2激光切割零件接口，这样使得管口的切割精度较高，两管也可以紧密结合，容易焊接。

２．２程序部分

利用机器人的手臂进行激光焊接时，控制激光有两种编程方法：一种是在线示教编程，一种则是离线的自动编程。程序部分主要包含两个部分：对激光的开关控制以及对装置在机器人手臂上的焊接头的行走路线(焊点移动程序)的控制。激光的开关是通过继电器控制的，在执行程序指令时，逻辑指令可以在到达指定的位置时执行，也可以在上一个指令执行的同时开始执行。

转弯区尺寸选择fine指机器人TCP达到目标点，在目标点速度降为零。Zone指机器人TCP不达到目标点，机器人动作圆滑、流畅。在机器人手臂激光焊接中，选择fine与zone得到的激光关断控制完全不同。

逻辑命令在达到最大区域的中心点前便开始执行，而这段时间是由机器人手臂准备下一动作的缓冲时间，以及机器人手臂的运行速度和实际的加速度。在机器人手臂激光焊接中，为了实时控制激光的关断，需要在确定的点对激光准确地进行关断控制，所以在操作中要根据焊接缺陷度最小来决定选择fine转弯区尺寸还是zone转弯区尺寸。焊接路径也可以分别选择一次连续走完、两次焊完或是分为多个小部分焊完。焊接程序流程如下图所示：

２．３焊接参数的确定

焊接过程中的参数设定主要包括峰值功率、脉冲频率、脉冲宽度以及离焦量。主要利用示教式在找点过程红光(指示光)来实现对离焦量的控制，完成红光聚焦后，焊点就固定在红光的焦点位置。实际在操作过程中，由于YAG的激光波长不同于红光的波长，因此使用这种方法找到的的焊点存在一定的离焦量。脉冲能量是由脉冲峰值的功率以及脉冲宽度决定的，脉冲峰值功率是由脉冲能量以及脉宽大小所决定，而脉冲宽度即脉冲的单个时间，则是由脉冲频率决定，并且脉冲宽度也直接决定了焊接缝隙的宽度。

３．总结

本文利用Nd：YAG激光结合机器人手臂进行光纤连接，利用编程进行激光控制，能够实现焊接曲面形状连接件的焊接工作。在实际焊接工作时，利用机器人手臂对不同曲面的焊接件进行焊接时，只要改变控制激光的程序就可以满足要求。而机器人手臂行走路径与实际零件焊接曲线的吻合、激光参数、行走路径与籍贯关断的配合等也是敢接过程中影响焊接效果的主要因素。机器人手臂的自由度多少以及外旋转轴的灵活性都是实际操作中不可忽视的关键。

从目前的研究现状可以看出，未来激光焊接领域的研究将重点集中在对与新特性的激光器的研究、焊接时激光的有效控制以及对于焊缝缺陷的实时检测。随着激光焊接技术应用的推广和普及，激光焊接工艺将逐步成为未来主要的焊接技术。■

【参考文献】

［１］张华，徐世祥，范漠元，用蒙特卡罗法计算棒状放大器内的泵浦能量分布[J]．光学学报。1997，17(12)：1601—1608．

［２］成华，钟鸣．吕百达．掺杂浓度和初始温度对热容激光器应力分布的影响[J]．光子学报，2006，35(3)：330—334．

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