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应用碟片激光器和光学扫描仪进行远程焊接

与传统焊接技术相比，机器人激光扫描焊接技术可以提供高出数倍的生产效率。

Kurt Mann博士，Thomas Schwoerer，Guenther Weinmann；Trumpf

采用YAG固体激光器进行焊接，已成为汽车制造过程中一项成熟可靠的工艺。该项工艺现广泛用于车身和车架制造、传动系统制造、车座制造和其他领域。

由于能够进行光束共享以及可利用柔性激光电缆传输激光束，固体激光器可以轻松自如地与机器人共同使用可转动回油阀。机器人的移动与光学扫描仪的动态运动紧密配合，可以实现高度灵活的机器人3D焊接工艺以及光学扫描仪所带来的高生产率。

碟片激光器技术

固体激光器最初采用灯泵浦升船机系统，然后逐渐发展到二极管激光器泵浦系统以及随后的二极管泵浦碟片激光器和光纤激光器系统。固体激光器的演进，使得其功效和光束质量产生了巨大的飞跃。

固体激光器之所以能获得如此重大的技术改进，主要原因在于采用了半导体激光器泵浦激光晶体。半导体激光器仅发射出一段波长的光，可以被激光晶体很好地吸收，此类系统的光-光转换效率已经能达到如今碟片激光器的65%左右，从而使整个系统的电光转换效率最高可达到30%。很显然，与灯泵浦的系统相比，其效率大约提供了10倍。

碟片激光器的另一大优势在于激光激活晶体本身的设计。对于棒状系统（rod systems）来说，泵浦光所产生的热量会导致热透镜效应，从而影响光束的预期质量。新型碟片激光器的设计，使晶体内部（碟片）的温度保持恒定。图1显示了这两种系统的不同厌氧胶。因而，采用碟片激光器所实现的光束质量将大大超过棒状系统，由此可以将光束参数积（BPP）最高提高到6倍。

图1：碟片激光器（右图）的主要优势是在碟片（图中红色部分）内部保持恒定的温度分布，避免了碟片的热透镜效应。棒状系统（左图）的热变形会导致激光光束质量的下降。

半导体泵浦二极管技术的改进，目前碟片激光器的潜力尚未得到充分开发。第一代二极管泵浦一个碟片，只能产生1kW的激光功率，而用最新一代二极管泵浦，则可以产生4kW的激光功率。如果将多个单独的碟片谐振腔集中在一起（见图2），那么从理论上讲，一个碟片激光器可以实现的总体激光功率将会无限大。现有的4个谐振腔的设计（见图3），能够立刻获得16kW的激光功率，并且在提高激光功率的同时，没有光束质量损失。

图2：碟片激光器谐振腔的原理图。来自二极管泵浦叠阵的泵浦光束，通过谐振腔内的反射镜多次反射，最高可穿过碟片20次。然后，碟片将泵浦光“转换”为可用于加工的激光光束。

图3：有4个谐振腔的碟片激光器，包括泵浦二极管、光学共振器、实时/闭环功率控制系统以及采用TRUMPF LASERNETWORK最高可转换为6倍输出功率的光束转换装置。

远程激光焊接

由于碟片激增高鞋光器的光束质量得到了改进，进而可以设计出新的具有更长焦距的光学加工头，并且不会影响加工速度或焦点尺寸。例如，一个4kW碟片激光器的光束质量是一活套法兰个4kW灯泵激光器光束质量的3倍，进而其焦距也可以是灯泵激光器的3倍，而且其焦点直径仍可保持在适于深熔焊接的0.6mm左右。

新的光学焊接技术可以利用500mm或更长的焦距，因此将其称为“远程焊接”。更长的工作距离可以大幅降低激光污染，并延长防护玻璃的使用寿命，从而有利于降低运营成本。

高光束质量的激光器还可以增加光学扫描仪的场尺寸，从而可以通过由电机驱动的可以移动的反射镜对光束进行定位。此类光学扫描仪的可编程性，可以实现在处理区域内对任何焊接形状进行加工。由于这些反射镜质量轻，所以它们非常灵活，因而在将光束从一个焊接位置重新定位到下一个焊接位置时，几乎没有时间损耗。

TRUMPF的可编程聚焦的光学仪器 PFO 3D，可以使所有轴对光束进行高速三维定位。所有这些轴可以在不到30ms的时间内将光束从一端重新定位到另一端。各个轴之间的协同运动，可实现直线、圆形或弧形等各种模式的焊接加工。

磨擦面应清洁干净

TRUMPF扫描仪控制器系统可以与机器人运动控制器进行耦合，与机器人的轴实现完全同步。这使得在进行极高速材料加工的同时，机器人可以移动光学扫描仪，从而扩大加工空间，并对部件进行三维接触。

这种将两种系统耦合在一起的技术称之为“飞行加工”（processing-on-the-fly），这是目前最为高效的焊接技术。由于激光光束通过光学扫描仪可以极快地从一个焊接位置“跳”到另一个焊接位置，不会但抛光毁伤层也较深;后者要求利用细的质料存在光束重新定位的时间损耗，机器人路径的移动速率通常快于焊接工艺的有效加工速度。如果人们直接观看整个焊接过程，肉眼将难以跟上焊接“电火花”的移动速度。

远程焊接的实际应用

机器人激光扫描仪系统的焊接性能，在很大程度上取决于所应用的实际激光输出功率（1～10kW）以及光学扫描仪的设计。一般来讲，在所有其他因素保持不变的情况下，激光输出功率越高，焊接速度越快。该技术已经广泛用于汽车行业中可用来焊接0.6～1.5mm厚的薄金属板。采用功率4kW的TRUMPF Tr5）Testmdb文件夹 实验数据、试样信息文件；如果做了很多实验uDisk Laser碟片激光器，用远程焊接方式将两块1mm厚的薄金属板焊接在一起，其有效焊接速度大约可达到100mm/s。其生产效率的实质性提高，主要得益于大幅缩短了将焦点从一个焊接位置重新定位到另一个焊接位置所用的时间。

利用软件可对焊接模式进行自由编程。无论采用多大功率，TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器进行一次C形焊接的时间均不会超过200ms，而电阻点焊工艺进行同样焊接的时间一般都需要2s。各种实际应用经验表明，碟片激光器焊接的生产率一般超过电阻点焊生产率的2～6倍。

高强度钢的焊接

高强度钢焊接是目前激光焊接的另一个主要应用领域。高强度钢的屈服强度不断增加，并已超过了1000MPa。从理论上讲，钢的强度越高，其对热输入的敏感性越高。由于激光器焊接比电阻点焊乃至MIG焊接的热输入更小，因此激光焊接仍然是高强度钢焊接的首选方法。

锌和激光凹槽

在焊接钢材的时候，一个必须重点考虑的因素是锌。目前，用于汽车车身制造的最新钢板往往在两侧镀锌。当温度达到大约900℃时，锌通常会气化，而锌表面下的钢却根本没有融化。因此，镀在两块金属板之间的两层锌，在焊接时会产生很大的蒸气压。如果金属板之间没有缝隙，蒸气压将导致熔化材料发生爆炸，绝大多数情况下是冲破上层的金属板发生爆炸。这最终将可能影响焊接的效果，并可能发生泄漏。因此，必需有一个缝隙使蒸气压能够从金属板之间侧向逃逸。

形成这种缝隙的方法多种多样，但激光技术可以提供最为灵活的解决方案。在将两块金属板焊接在一起之前，用于焊接的同一设备可首先用来做一种被称为“激光凹槽”（Laser Dimpling）的加工。可以对激光参数进行调节，形成一个可再生的凹槽，深度通常为0.1～0.2mm。用户可以在10ms以内采用同一设备，以极其低廉、高效的方式形成多个凹槽。(end)

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