二维激光传感器

线激光传感器在机械手自动焊接中的应用-2D/3D

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发布日期:2017-08-01 浏览: 次





激光焊接机技术广泛被应运在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域,给人们的生活质量带来了重大提升,更是引领家电行业进入了精工时代。
 
激光焊接的主要应用领域包括:
1、制造业应用  激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用,据统计,2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条,年产轿车构件拼焊坯板7000万件,并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat,Buick,Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接,在超薄板焊接的研究,如板厚100微米以下的箔片,无法熔焊,但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功,显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等。
 
2、粉末冶金领域  随着科学技术的不断发展,许多工业技术上对材料特殊要求,应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点,在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料,随着粉末冶金材料的日益发展,它与其它零件的连接问题显得日益突出,使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期,激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域,为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景,如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石,由于结合强度低,热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落,采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。
 
3、汽车工业  20世纪80年代后期,千瓦级激光成功应用于工业生产,而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业,成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接,90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步较晚,但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接,日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺,高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多,根据美国金属市场统计,至2002年底,激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点,激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究,德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究,认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹,提高焊接速度,解决公差问题,开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。
 
4、电子工业  激光焊接在电子工业中,特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低,因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中,显示出独特的优越性,在真空器件研制中,激光焊接也得到了应用,如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm,采用传统焊接方法难以解决,TIG焊容易焊穿,等离子稳定性差,影响因素多而采用激光焊接效果很好,得到广泛的应用。
 
5、生物医学  生物组织的激光焊接始于20世纪70年代,Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性,使更多研究者尝试焊接各种生物组织,并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究,刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较,激光焊接具有吻合速度快,愈合过程中没有异物反应,保持焊接部位的机械性质,被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。
 
6、其他领域  在其他行业中,激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究,如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接,德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。
 
与其它焊接方式相比,激光焊接具有以下特性:

  • 能量集中,焊接效率高、加工精度高,焊缝深宽比大
  • 热输入量小,热影响区小,工件残余应力和变形小
  • 非接触式焊接,光纤传输,可达性较好,自动化程度高
  • 接头设计灵活,节省原材料
  • 焊接能量可精确控制,焊接效果稳定,焊接外观好
 
激光焊接时工艺参数不正确,措施不良,往往会导致一些焊接缺陷的产生:
  • 焊点表面飞溅
  • 内部焊接气孔
  • 出现焊接裂纹
  • 产生焊接变形

焊接飞溅
激光焊接时产生飞溅的主要原因是激光功率密度过高,工件在短时间内吸收了较多的激光能量,材料严重气化,熔池反应剧烈形成焊接飞溅,飞溅不仅影响工件的外观和装配精度,更会影响焊接强度,造成产品不良。
 

焊接气孔
气孔是激光焊接中最常见的缺陷,激光焊接热循环快,熔池存在的时间短,造成焊接时形成的气体来不及从熔池中溢出,从而形成焊接气孔。对于焊缝表面的暴露气孔,可以采用线激光传感器进行检测。
 

激光焊接时裂纹危害很大,严重影响工件的焊接强度,降低工件的使用寿命,因此预防裂纹有重要意义,激光焊接加热冷却时间快,加大了材料产生裂纹的几率,必须采取一定措施加以改善。


在焊接薄板大幅面多焊点时,往往易产生焊接变形,影响后期工件装配精度和使用性能,焊接时一种局部加热的材料加工方式,焊接变形形成的原因是工件各部分焊接热输入不均匀,热胀冷缩不一致造成焊接变形,因此需要从变形产生的原因加以预防或改善


上图为采用德国米铱2D激光传感器scanCONTROL系列测量得到的焊缝处扫描轮廓,根据这个扫描结果,用户可以判断焊接是否正常,并对后续工序做出相应调整。2D激光传感器可以集成于焊接机械手上,在焊接之后立刻进行扫描和检测。
 
如下图,德国米铱2D激光传感器专门为焊接应用开发了冷却保护壳,并使用挡板遮挡激光焊接强光,避免其对激光传感器测量结果的影响。

 
除此以外,对于激光焊接工艺,焊缝的相对位置也需要进行严格控制。下图是几种焊接结构,高质量的激光焊接,需要确保金属材料对齐,并能够根据焊缝宽度和位置进行焊接追踪。

 
综上所述,2D激光传感器对于激光焊接的作用可以分为两种,一种是焊后检测,通过焊缝几何轮廓的变化判断焊接质量。另外一种是焊前追踪,对焊缝的宽度和位置进行定位,确保机械手可以自动寻找焊缝位置,并进行相应的焊接操作。



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