二維激光傳感器

線激光傳感器在機械手自動焊接中的應用-2D/3D

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發布日期:2017-08-01 瀏覽: 次





激光焊接機技術廣泛被應運在汽車、輪船、飛機、高鐵等高精制造領域,給人們的生活質量帶來了重大提升,更是引領家電行業進入了精工時代。
 
激光焊接的主要應用領域包括:
1、制造業應用  激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用,據統計,2000年全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條,年產轎車構件拼焊坯板7000萬件,并繼續以較高速度增長。國內生產的引進車型Passat,Buick,Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接,在超薄板焊接的研究,如板厚100微米以下的箔片,無法熔焊,但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功,顯示了激光焊的廣闊前途。日本還在世界上首次成功開發了將YAG激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等。
 
2、粉末冶金領域  隨著科學技術的不斷發展,許多工業技術上對材料特殊要求,應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優點,在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業中正在取代傳統的冶鑄材料,隨著粉末冶金材料的日益發展,它與其它零件的連接問題顯得日益突出,使粉末冶金材料的應用受到限制。在八十年代初期,激光焊以其獨特的優點進入粉末冶金材料加工領域,為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景,如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石,由于結合強度低,熱影響區寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釬料熔化脫落,采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。
 
3、汽車工業  20世紀80年代后期,千瓦級激光成功應用于工業生產,而今激光焊接生產線已大規模出現在汽車制造業,成為汽車制造業突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接,90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造,盡管起步較晚,但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接,日本的日產、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝,高強鋼激光焊接裝配件因其性能優良在汽車車身制造中使用得越來越多,根據美國金屬市場統計,至2002年底,激光焊接鋼結構的消耗將達到70000t比1998年增加3倍。根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點,激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯合進行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究,德國不萊梅應用光束技術研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進行了大量的研究,認為在焊縫中添加填充余屬有助于消除熱裂紋,提高焊接速度,解決公差問題,開發的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。
 
4、電子工業  激光焊接在電子工業中,特別是微電子工業中得到了廣泛的應用。由于激光焊接熱影響區小加熱集中迅速、熱應力低,因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中,顯示出獨特的優越性,在真空器件研制中,激光焊接也得到了應用,如鉬聚焦極與不銹鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm,采用傳統焊接方法難以解決,TIG焊容易焊穿,等離子穩定性差,影響因素多而采用激光焊接效果很好,得到廣泛的應用。
 
5、生物醫學  生物組織的激光焊接始于20世紀70年代,Klink等及jain[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來的優越性,使更多研究者嘗試焊接各種生物組織,并推廣到其他組織的焊接。有關激光焊接神經方面國內外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復以及激光焊料的選擇等方面的研究,劉銅軍進行了激光焊接小血管及皮膚等基礎研究的基礎上又對大白鼠膽總管進行了焊接研究。激光焊接方法與傳統的縫合方法比較,激光焊接具有吻合速度快,愈合過程中沒有異物反應,保持焊接部位的機械性質,被修復組織按其原生物力學性狀生長等優點將在以后的生物醫學中得到更廣泛的應用。
 
6、其他領域  在其他行業中,激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內進行了許多研究,如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接,德國玻璃機械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術與材料實驗研究院合作開發出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。
 
與其它焊接方式相比,激光焊接具有以下特性:

  • 能量集中,焊接效率高、加工精度高,焊縫深寬比大
  • 熱輸入量小,熱影響區小,工件殘余應力和變形小
  • 非接觸式焊接,光纖傳輸,可達性較好,自動化程度高
  • 接頭設計靈活,節省原材料
  • 焊接能量可精確控制,焊接效果穩定,焊接外觀好
 
激光焊接時工藝參數不正確,措施不良,往往會導致一些焊接缺陷的產生:
  • 焊點表面飛濺
  • 內部焊接氣孔
  • 出現焊接裂紋
  • 產生焊接變形

焊接飛濺
激光焊接時產生飛濺的主要原因是激光功率密度過高,工件在短時間內吸收了較多的激光能量,材料嚴重氣化,熔池反應劇烈形成焊接飛濺,飛濺不僅影響工件的外觀和裝配精度,更會影響焊接強度,造成產品不良。
 

焊接氣孔
氣孔是激光焊接中最常見的缺陷,激光焊接熱循環快,熔池存在的時間短,造成焊接時形成的氣體來不及從熔池中溢出,從而形成焊接氣孔。對于焊縫表面的暴露氣孔,可以采用線激光傳感器進行檢測。
 

激光焊接時裂紋危害很大,嚴重影響工件的焊接強度,降低工件的使用壽命,因此預防裂紋有重要意義,激光焊接加熱冷卻時間快,加大了材料產生裂紋的幾率,必須采取一定措施加以改善。


在焊接薄板大幅面多焊點時,往往易產生焊接變形,影響后期工件裝配精度和使用性能,焊接時一種局部加熱的材料加工方式,焊接變形形成的原因是工件各部分焊接熱輸入不均勻,熱脹冷縮不一致造成焊接變形,因此需要從變形產生的原因加以預防或改善


上圖為采用德國米銥2D激光傳感器scanCONTROL系列測量得到的焊縫處掃描輪廓,根據這個掃描結果,用戶可以判斷焊接是否正常,并對后續工序做出相應調整。2D激光傳感器可以集成于焊接機械手上,在焊接之后立刻進行掃描和檢測。
 
如下圖,德國米銥2D激光傳感器專門為焊接應用開發了冷卻保護殼,并使用擋板遮擋激光焊接強光,避免其對激光傳感器測量結果的影響。

 
除此以外,對于激光焊接工藝,焊縫的相對位置也需要進行嚴格控制。下圖是幾種焊接結構,高質量的激光焊接,需要確保金屬材料對齊,并能夠根據焊縫寬度和位置進行焊接追蹤。

 
綜上所述,2D激光傳感器對于激光焊接的作用可以分為兩種,一種是焊后檢測,通過焊縫幾何輪廓的變化判斷焊接質量。另外一種是焊前追蹤,對焊縫的寬度和位置進行定位,確保機械手可以自動尋找焊縫位置,并進行相應的焊接操作。



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