薄型碟片激光器和光纖激光器等高功率及高光束質(zhì)量的固態(tài)激光器，如今已不斷促進(jìn)了激光焊接在制造業(yè)中的普及。近來，得益于一種被稱為“多波長光束組合”的光束組合方法，千瓦級直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器已實(shí)現(xiàn)商用，其光束質(zhì)量可媲美薄型碟片激光器或光纖激光器。這一方法在功率定標(biāo)時(shí)仍可維持高光束質(zhì)量，不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量下降。這些固體激光器正被用于取代CO2 激光器，成為遠(yuǎn)程激光焊接領(lǐng)域的主力軍。
遠(yuǎn)程激光焊接（RLW）具備長焦距的特點(diǎn)，且激光光斑通常可依靠一組掃描振鏡，在工件上實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。據(jù)稱，掃描振鏡的重量超過30公斤，必需搭配使用一款重載機(jī)器人。本文將報(bào)道一種新開發(fā)的、配備了用于遠(yuǎn)程激光焊接的緊湊型激光焊接頭的激光加工機(jī)器人集成系統(tǒng)解決方案（LAPRISS），并將展示其多種應(yīng)用。
LAPRISS技術(shù)
圖1顯示了這一LAPRISS系統(tǒng)的主要組件及其連接，包括采用多波長光束組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)定標(biāo)的4kW直接半導(dǎo)體激光器，以及一種新設(shè)計(jì)的、可直接安裝在機(jī)器人操作臂上的開孔式激光焊接頭。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和激光在工件上的振蕩，包括其能量和激光輻照模式，均由機(jī)器人控制器進(jìn)行控制。
圖1：LAPRISS 系統(tǒng)的主要組件及其連接
在激光焊接頭上，兩塊平行光學(xué)板分別由兩臺(tái)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，以改變光學(xué)路徑并在工件上形成不同類型的激光輻照模式（圖2）。激光焊接頭設(shè)計(jì)重量小于5 公斤，可以由輕型機(jī)器人承載。
圖2 所示：激光焊頭（a）、其光學(xué)器件（b）、光束路徑（c），以及在工件上形成的典型輻照模式（d）
根據(jù)圖2d所示的典型激光輻照模式，可以很容易想到，LAPRISS技術(shù)能夠利用圓弧或線形焊縫取代電阻點(diǎn)焊或電弧焊工藝。在遠(yuǎn)程激光焊接的眾多優(yōu)點(diǎn)中，LAPRISS在取代電阻點(diǎn)焊時(shí)可以縮減焊接時(shí)間，并提高金屬薄板焊接中的間隙公差。
縮減焊接時(shí)間
分別采用電阻點(diǎn)焊及LAPRISS技術(shù)，對0.8毫米厚低碳鋼的焊接時(shí)間進(jìn)行了評估，電阻點(diǎn)焊的熔核直徑以及LAPRISS的圓直徑均設(shè)置為4毫米。圖3顯示了每種焊接耗費(fèi)的時(shí)間及其拉伸剪切的試驗(yàn)結(jié)果，電阻點(diǎn)焊與LAPRISS工藝的平均焊接時(shí)間分別為2.85秒與0.675秒，可以看出，LAPRISS的焊接時(shí)間僅為電阻點(diǎn)焊的四分之一。
圖3 ：電阻點(diǎn)焊與LAPRISS搭接焊縫的焊接時(shí)間（a、b）及其拉伸剪切（c）測試結(jié)果對比
例如，假設(shè)車身上的焊接點(diǎn)總數(shù)為3,500 – 7,000個(gè)，總焊接時(shí)間可從10,000 - 20,000秒縮減到2,400 - 4,800秒。電阻點(diǎn)焊與LAPRISS技術(shù)在拉伸抗剪強(qiáng)度上并無明顯的差異，試件的接縫斷裂均發(fā)生在熱影響區(qū)（HAZ）附近的基底金屬上。
提高焊接間隙容差
在汽車制造業(yè)等薄板應(yīng)用中采用激光焊接技術(shù)時(shí)，許多零部件是通過剪切或沖壓制造的。因此，提高間隙公差就變得非常重要，特別是當(dāng)焊接高強(qiáng)度鋼質(zhì)零部件時(shí)，更是如此，這是因?yàn)樗鼈冊跊_壓過程中會(huì)發(fā)生較大的回彈。
補(bǔ)償較大焊接間隙公差的方法之一，是采用螺旋型激光束掃描方式，即從工件上的某個(gè)點(diǎn)開始，沿圓弧形路徑掃描，圓弧直徑逐漸加大。在螺旋掃描焊接中，機(jī)器人在完成一次焊接后即在某點(diǎn)停止，然后移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。
圖4：圓弧焊接與螺旋掃描焊接的接縫對比
圖4顯示了圓弧掃描與螺旋掃描焊接的結(jié)果。在采用圓弧掃描的情況下，由于熔融金屬不足而發(fā)生了焊穿現(xiàn)象。最大間隙公差僅為0.3毫米。另一方面，螺旋掃描焊接的最大間隙公差可達(dá)0.5毫米。因此，螺旋掃描焊接取代電阻點(diǎn)焊十分有益，它可使焊接時(shí)間縮減25%。
旋轉(zhuǎn)掃描焊接
旋轉(zhuǎn)掃描方法涉及到用一束激光對工件進(jìn)行輻照，然后按照與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)相同的直徑掃描出一個(gè)圓弧。工件上的激光輻照軌跡類似于在平面上的投影。熔池大小是由掃描圓弧直徑?jīng)Q定的。通過改變這一圓弧的大小，可以獲得各種不同寬度的焊縫。
圖5：采用傳統(tǒng)激光焊接（線性焊接）與旋轉(zhuǎn)掃描焊接的接縫如圖所示。
根據(jù)0.8毫米厚的低碳鋼試件的對接焊縫，對旋轉(zhuǎn)掃描焊接工藝進(jìn)行了評估。工件上的激光光斑設(shè)置于兩個(gè)板件的接觸面，或垂直于焊接方向設(shè)置0.2毫米的偏移。
圖5顯示了焊接條件和測試結(jié)果。當(dāng)預(yù)留間隙為0mm時(shí)，采用傳統(tǒng)激光焊接（線性焊接）允許的偏移值僅為0.2毫米，而采用旋轉(zhuǎn)掃描焊接則可增加到0.5毫米。當(dāng)預(yù)留間隙值增加到0.2毫米時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)掃描焊接允許的偏移值可達(dá)0.9毫米，為傳統(tǒng)激光焊接（0.1毫米）的近9倍。因此，以旋轉(zhuǎn)掃描焊接取代電弧焊頗具價(jià)值，并且焊接速度可提高2 到3 倍。
潛在應(yīng)用前景
除了金屬薄板焊接，LAPRISS 技術(shù)還可以在汽車行業(yè)等應(yīng)用中用于異質(zhì)材料的焊接，以實(shí)現(xiàn)輕量級的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種激光鉚接工藝被提出，用于取代傳統(tǒng)的熱連接工藝，但其中存在的最主要問題是不同合金元素的金屬間化合物相的形成。
圖6：激光鉚接工藝可將鋼材與鋁、樹脂、CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）相連接。
圖6展示了激光鉚接原理，以及一個(gè)鋼材與鋁連接的示例，對于傳統(tǒng)的熱連接工藝，這通常被認(rèn)為是極為困難甚至不可能實(shí)現(xiàn)的。這種激光鉚接工藝也可用于將鋼材與樹脂、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）等其它非金屬材料相連接。
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