材料成形装备及自动化樊自田.pptx
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1、内容提要4.4 激光焊接设备4.4.1 激光焊原理及分类4.4.2 固体激光焊接机4.4.3 气体激光焊接机 4.5 焊接机器人4.5.1 概述4.5.2 点焊机器人4.5.3 弧焊机器人 8/27/20241第四章第四章金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 4.4 激光焊接设备 激光焊(Laser Welding)是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法。因而激光焊在汽车、钢铁、船舶、航空、轻工等行业得到了日益广泛的应用,特别是随着航空航天、微电子、医疗及核工业等行业的新材料及特殊结构的出现,更显出激光焊的优越性和重要作用。8/27/202424.4.1
2、激光焊原理及分类 1.激光焊接的原理 激光焊接时,激光照射到被焊材料的表面,与其发生作用,一部 分被反射,一部分进入材料内部。激光在金属表面0.010.1m的厚 度中被吸收转变成热能,导致金属表面温度升高,再传向金属内部。如果被焊金属有良好的导热性能,则会得到较大的熔深。激光光波入射材料时,材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调 振动,使光子的幅射能变成了电子的动能。经过一定过程再转化为热 能。同时,光子在轰击金属表面时还伴随着产生强烈的金属蒸气,而 可减少激光能量的反射。8/27/202438/27/202442 激光焊分类 激光焊通常按激光对工件的作用方式以及作用在工件上功率密度进行分类。按
3、照激光发生器工作性质的不同,激光有固体、半导体、液体、气体激光之分。按照激光对工件的作用方式和激光器输出能量的不同,激光焊可分为连续激光焊和脉冲激光焊。按照激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同,激光焊可分为传热焊(功率密度小于105W/cm3)和深熔焊(锁孔焊)。8/27/20245表4-7 焊接用激光器的特点激光器激光器波长波长/m/m工作方工作方式式重复频重复频率率/Hz/Hz输出功率或能输出功率或能量范围量范围主要用途主要用途红宝石激光器红宝石激光器0.69430.6943脉冲脉冲01011100J1100J点焊、打孔点焊、打孔钕玻璃激光器钕玻璃激光器1.061.06脉冲脉冲01/1
4、001/101100J1100J点焊、打孔点焊、打孔YAGYAG激光器激光器1.061.06脉冲脉冲/连续连续040004001100J/1100J/02kW02kW点焊、打孔点焊、打孔焊接、切割、焊接、切割、表面处理表面处理封闭式封闭式COCO2 2激光激光器器10.610.6连续连续-01kW01kW焊接、切割、焊接、切割、表面处理表面处理横流式横流式COCO2 2激光激光器器10.610.6连续连续-025kW025kW焊接、表面处焊接、表面处理理快速轴流式快速轴流式COCO2 2激光器激光器10.610.6连续连续/脉冲脉冲050000500006kW06kW焊接、切割焊接、切割4.4
5、.2 固体激光焊接机8/27/20246 固体激光器中最常用的是红宝石、钕玻璃(即掺Nd3+玻璃)和掺钕钇铝石榴石(Nd3+:Y3Al5O12,简称Nd:YAG)。固体激光焊接机主要包括固体激光器、导光装置和数控工作台等部分组成。(1)Nd:YAG激光器 激光器由Nd:YAG棒、聚光器、泵灯(脉冲氙灯)和电源等部分组成,如图4-69所示。(2)导光装置 导光装置也可称为光学系统,它包括激光束的传播、聚焦系统和观察系统。如图4-70所示8/27/20247 图4-69 Nd:YAG激光器结构原理图1-全反射镜 2-Nd:YAG棒 3-聚光器 4-部分反射镜 5-激光6-泵灯 7-触发电路 8-贮
6、能电容 9-高压充电电源8/27/20248图4-70 Nd:YAG激光器的光路系统示意图8/27/20249 激光束的传播、聚焦系统负责把激光传输到焊件上,同时起到光束变换作用。这个系统由反射镜、透射镜和光纤等光学元件组成。1)反射镜 反射镜有普通反射镜和聚焦反射镜二种。前者的镜面(辐射面)一般为平面,起变换激光传输路线的作用;后者的镜面一般为凹面,常见的是球面和抛物面,起聚焦和换向作用。2)透射镜 透射镜多为聚焦透射镜。有时在平面透射镜的表面镀功能膜,制成复合透射镜,以调整光的透射率(谐振腔的激光输出窗口)。聚焦透镜和平面反射镜组合成平面镜透镜聚焦系统是激光焊接的常用光路(见图4-70中所
7、示)。8/27/2024103)光束光纤传输系统 目前可用石英光纤来传输的激光波长是1.06m,它的传输损耗小,YAG固体激光器输出的激光波长正好是1.06m。将光纤引入到固体激光器的激光束的传输系统中来有以下好处:导光系统柔性大被焊工件可以放置在远离激光器的地方。4)观察系统 观察系统的作用是观察加工工件的配合状况,使激光束准确地对准被加工部位,监视激光加工过程和成形质量。特别是在激光微型焊接机的光路系统中,因为激光聚焦光斑都在零点几毫米范围内,故观察对准系统可采用数十倍的显微放大系统、屏幕显示系统或闭路电视系统。8/27/202411(3)工作台 激光焊接机的工作台就是承载被焊接工件的,并
8、与激光束作相对运动,其运动轨迹有直线、矩形、圆形和任意复杂形。实现激光束与工件作相对运动的方法有很多。常用的方法是激光束不动,用数控或微机控制工作台运动。运动有二维、三维和五维等,先进的工作台已经达到六轴联动。当工件较重时,也采用工件不动,激光束运动的方式。这时光束的运动是通过反射镜、透镜或聚焦镜等光学部件的运动来实现的,如反射镜沿极坐标运动。8/27/2024128/27/2024138/27/202414 气体激光焊接机主要指的是CO2激光焊接机,它同样由激光器、导光装置和数控工作台等部分组成。(1)CO2激光器 在实用的激光器中,唯一能够连续输出高功率的是CO2激光器,它是目前工业应用中
9、数量最大、最广泛的一种激光器。因其输出功率大、电光转换效率高(1025%),结构牢固可靠,操作维修方便和对工作环境要求不高等优点而受到用户的欢迎。根据加工对象和加工目的不同,CO2激光器的输出功率范围可以从几十瓦到几万瓦,输出激光模式可以在多模、低价模到基模之间选择。通常所说的高功率CO2激光器,是指多模,其功率大于1000W;低价模(或基模),其功率大于500W。为了提高CO2激光器的输出功率和稳定性,除工作物质CO2外,还加入了不同含量的辅助气体N2和He,通常最佳气压比为CO2:N2:He=1:7:20,实际成为混合气体。4.4.3 4.4.3 气体激光焊接机气体激光焊接机8/27/20
10、2415 根据气体流动方向、放电方向和光轴方向的相互位置不同,高功率CO2激光器在结构上可分为横向流动CO2激光器和纵向流动CO2激光器两大类:a.横向流动CO2激光器采用三轴正交结构,即气流方向、放电方向与光轴方向三者相互垂直;b.纵向流动CO2激光器采用三轴同轴结构,即三个方向一致。1)纵向流动CO2激光器 .折叠封离式纵向CO2激光器 在中、小功率的CO2激光器中,通常采用折叠式纵向CO2激光器,如图4-71所示。工作气体不流动且密封在放电管内,通过管壁来冷却气体,其输出功率与管长成比例增加,而与放电管直径关系不大。为了提高激光输出功率,且使激光器结构紧凑,大功率CO2激光器的放电管采用
11、折叠式结构。8/27/202416.纵向流动式CO2激光器 输出功率近千瓦到几千瓦的纵向CO2激光器,一般都是纵向流动式的连续CO2激光器,如图4-72所示。它改封离式中工作气体不流动变为流动的。其基本结构可分为5个部分:自动气体混合控制器;双层管壁结构的特殊玻璃振荡管,管内流动着混合气体,管外为冷却水或冷却油的循环系统;激光谐振腔;电源电流控制装置;真空泵冷却装置。8/27/202417图4-71 折叠封离式纵向CO2激光器示意图a)直管式 b)折叠式8/27/202418图4-72 快速轴流CO2激光器示意图1-后腔镜 2-高压放电区 3-输出镜 4-放电管 5-高速风机 6-热交换器8/
12、27/2024192)横向流动式CO2激光器 如图4-73所示为横向流动式CO2 2激光器结构简图。它主要由6个部分组成:激光器外封壳体,激光电源、放电盒(含阴、阳电极)激光高速风机、光学谐振腔、热交换器及导流系流。工作时,工作气体沿着垂直于光轴的方向流动,并在较大面积内接受电场激励,在谐振腔内的停留时间短。虽然气体流速不很高(50m/s),但流量大,导致激光器有较大的激活体积,单位长度输出的功率很高,可以达到25KW以上。工业用横流CO2 2激光器,电激励两电极结构目前主要有管(阴极)板(阳极)放电结构和针(阴极)板(阳极)放电结构两种。后者在高功率CO2 2激光器中占主导地位。高功率横流C
13、O2 2激光器的谐振腔主要有稳定腔(包括多折腔)和非稳腔两种。稳定控多为多模输出,主要适用于激光热处理等工艺;非稳腔可输出单模环形光束,适用于激光切割和焊接工艺。图4-73即为一种采用多折腔和管一板放电结构的横流CO2 2激光器简图。8/27/202420图4-73 横流式CO2激光器示意图1-平板式阳极 2-折叠镜 3-后腔镜 4-阴极 5-放电区 6-密封壳体 7-输出反射镜 8-高速风机 9-气流方向 10-热交换器8/27/202421图4-74针板式横向激励CO2激光器电源工作原理框图8/27/202422(2)导光装置 导光装置是高功率CO2激光器中将光束引导到被加工的工件上的重要
14、部件。图4-75为单向导光系统示意图。对聚焦部分而言,一般采用损耗少的简单聚焦系统,透镜材料选用砷化镓,因为此材料对10.6m波长的激光吸收系数很小,具有较高的热传导率,较小的热膨胀系数和较高的机械强度,光学均匀性好,且不易潮解。图4-76为单透镜聚焦系统。在高功率激光加工系统中,许多情况下都采用球面反射镜聚焦系统,如图4-77所示。8/27/202423图4-75 单向导光系统示意图 8/27/202424图4-76 单透镜聚焦系统 8/27/202425图4-77 球面反射镜聚焦系统8/27/202426(3)工作台 高功率CO2激光焊接工作台的要求基本上与固体激光焊工作台差不多。图4-7
15、8为数控五轴联动激光加工机。该机自动控制和伺服推动等多项技术,能完成平面和三维曲面的激光加工,主要用于汽车制造厂的车身模具制造维修中的热处理与表面熔覆及汽车大型覆盖件和梁类零件进行激光切割与焊接。图4-79为该机的电气控制系统框图,由五轴联动计算机数控(CNC)和伺服驱 动单元、系统逻辑控制单元、激光焦点位置控制单元以及示教单元组成。8/27/202427图4-78多用途数控五轴联动激光加工机结构图1-主机 2-横流激光器 3-电器控制系统8/27/202428图4-79 五轴联动激光加工机电气控制系统框图4.5 焊接机器人4.5.1 概述 焊接机器人是工业机器中的一种,是机器人与现代焊接技术
16、相结合的、用以完成焊接作业任务的典型机电一体化产品,在各国机器人应用比例中约占总数的40%60%。目前我国大约有超过600台焊接机器人用于实际生产,主要集中在汽车、摩托车和工程机械行业中用于点焊、弧焊等工作。8/27/2024298/27/202430焊接机器人的主要优点有:(1)稳定和提高焊接质量,保证其均一性;(2)提高生产率,一天可24小时连续生产;(3)改善工人劳动条件,可在有害环境下长期工作;(4)降低对工人操作技术的要求;(5)缩短产品改型换代的准备周期,减少相应的设备投;(6)可实现小批量产品焊接自动化;(7)为焊接柔性生产线提供技术基础。8/27/202431焊接机器人就其技术
17、发展进程可大至分为三代:第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人,对环境的变化,设备的应变能力差,这是目前焊接生产中广泛使用的机器人。第二代机器人是在第一代机器人上配置了感知系统(视觉、力觉等),对环境的变化可进行一定范围的适应性调整,称为适应型机器人,这类机器人已进入实用阶段。第三代机器人不仅具有感知功能,还能根据人的命令或按照所处环境,自行作出决策和规划动作,即按任务自行编程进行作业,称为智能型机器人。这类机器人目前仍处于研制阶段。第一代示教再现机器人的基本结构如图4-80所示,一般由三个相互关联的部分组成,即机械手总成、控制器总成和示教系统。8/27/202432图4-80 机器人的基
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