華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院    楊永強  王迪

3.2 國外設(shè)備與應(yīng)用

    國外目前多以動態(tài)聚焦式掃描焊接為主，采用幾千瓦的CO₂激光器、碟片激光器和光纖激光器等為主。以德國Rofin集團(tuán)生產(chǎn)的RofinSWS掃描焊接系統(tǒng)而言，它可搭載最大功率6KW的RofinDP系列半導(dǎo)體泵浦激光器或DS系列Disc圓片激光器，通過離線編程及軌跡生成系統(tǒng)，振鏡和機(jī)器人可以同步工作，實現(xiàn)了高速無時滯焊接^[11]。

圖-2所示為BMW轎車的某個部件使用激光掃描焊接后提高生產(chǎn)率的例子，該工件需要焊接的部位達(dá)到20多個，采用電阻焊接需要30 s，采用傳統(tǒng)激光焊接需要23 s，而采用激光掃描焊接，焊接時間縮短到5 s，而且焊縫檢測顯示各個部位的焊接質(zhì)量優(yōu)良。

圖-2 BMW公司汽車部件采用不同焊接方式焊接時間比較^[12]

荷蘭的ZENNA公司生產(chǎn)的掃描焊接系統(tǒng)^[13]，參數(shù)配置如下：激光器為最高功率5000W的CO₂氣體激光器，工作范圍最大為：1250x1250x300 mm，振鏡掃描速度達(dá)到20 m/s，Z軸升降可以通過氣動或者伺服驅(qū)動來實現(xiàn)。該掃描焊接系統(tǒng)達(dá)到0.05mm的重復(fù)精度和0.1mm的定位精度，基于PC控制。如圖-3為該公司提供的將管子焊接連接到鋼板上的掃描焊接實例，共有12根直徑為10mm的管子，獲得縫焊效果，整個焊接過程所需時間才15 s。

 焊接前背面              焊接前正面                 焊接效果            

                    圖-3 Zenna 公司掃描焊接實例

大眾汽車和奧迪的研發(fā)工程師研究了激光掃描焊接工藝的優(yōu)勢。同時奧迪成功解決了工裝夾具與零部件準(zhǔn)備等各種挑戰(zhàn)，今天它們生產(chǎn)的部件質(zhì)量更加卓越。從2007年初，后續(xù)的奧迪 A4車門就已經(jīng)采用激光掃描焊接工藝與TRUMPF公司制造的4千瓦圓盤激光器。應(yīng)用此技術(shù)后，四個制造單元每天可生產(chǎn)1800扇車門。每個激光掃描系統(tǒng)均為TRUMPF公司生產(chǎn)的TruDisk 4002，它們采用了最新的圓盤激光器，4千瓦的功率輸出僅由兩個圓盤產(chǎn)生^[7,8]。

TRUMPF研發(fā)的可編程聚焦掃描模PFO 3D^[5,8]，可以使所有軸對光束進(jìn)行高速三維定位，所有這些軸可以在不到30ms的時間內(nèi)將光束從一端重新定位到另一端。各個軸之間的協(xié)同運動，可實現(xiàn)直線、圓形或弧形等各種模式的焊接加工。目前只有該公司開發(fā)的機(jī)器人掃描焊接系統(tǒng)方案通過了德國汽車行業(yè)嚴(yán)格的認(rèn)證測試，并已應(yīng)用于其系列生產(chǎn)中，如圖4所示。

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 圖4 TRUMPF 公司機(jī)械手掃描焊接技術(shù)

4 國內(nèi)現(xiàn)狀

4.1研究進(jìn)展

國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對掃描焊接的研究深度明顯不足，相關(guān)的技術(shù)文章幾乎空白?？赡茉蚴菕呙韬附蛹夹g(shù)還沒有引起國內(nèi)研究人員的重視，或者因為傳統(tǒng)的激光焊接技術(shù)研究的較為成熟。但因為市場上出現(xiàn)的較多的掃描焊機(jī)機(jī)，國內(nèi)的專利申請也主要側(cè)重于該技術(shù)的應(yīng)用層面。

華南理工大學(xué)申請專利^[14]：基于振鏡掃描的選擇性激光微釬焊系統(tǒng)，把數(shù)字控制的高速振鏡與高質(zhì)量光纖激光以及高速開關(guān)光閘組合起來，實現(xiàn)程序控制的瞬時多點焊接的能量輸入，焊點尺寸達(dá)到50～100微米，振鏡掃描方式可實現(xiàn)在瞬間完成大面積的微點焊接，其效率與再流焊相比并不遜色，是替代傳統(tǒng)再流焊接的新技術(shù)。

上海市激光技術(shù)研究所申請專利^[15]：一種激光掃描焊接列管式換熱器的方法及裝置，采用動態(tài)聚焦式掃描焊接技術(shù)，完成換熱器部件的焊接加工?？朔泄苁綗峤粨Q器制造的困難，實現(xiàn)不銹鋼超薄列管微型熱交換器精密制造。

廣州瑞通千里激光設(shè)備有限公司申請專利^[1]：光纖激光動態(tài)聚焦振鏡掃描式點焊系統(tǒng)及其焊接方法。該專利采用光纖激光器，通過動態(tài)聚焦模塊的編程控制，獲得掃描范圍或者工作距離的大范圍變化，掃描范圍從200mm變化到1450mm，光斑直徑變化從30微米到200微米。能夠?qū)崿F(xiàn)針對大工件多點高效率焊接。

廣州瑞通千里激光設(shè)備有限公司申請專利^[16]: 動力型鋰離子電池安全蓋帽激光焊接設(shè)備。該專利描述了YAG激光采用振鏡掃描后可以對電池蓋帽進(jìn)行瞬時多點焊接，配合旋轉(zhuǎn)工作臺的控制，可以達(dá)到每小時焊接至少2000個安全蓋帽的效率，具有較好的市場效果。

黃冬林等進(jìn)行了光纖激光器掃描焊接1mm厚有機(jī)玻璃的基礎(chǔ)研究^[2]，該方法可以方便的控制焊縫的寬度，并研究了掃描間距、掃描速度對焊接強度的影響。

4.2 國內(nèi)設(shè)備與應(yīng)用

目前已有多家廠商推出了振鏡式掃描焊接設(shè)備，但都屬于最為簡單式的，具體表現(xiàn)在激光器主要為YAG激光器，功率在200W-400W，采用的大多為f-?鏡聚焦式掃描焊接系統(tǒng)，限制了工作范圍與焊接速度，特別是YAG激光器需要不間斷的進(jìn)行維護(hù)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對汽車車身這類大零件的焊接時，采用將代替不了傳統(tǒng)的激光焊接。國內(nèi)主要激光焊接設(shè)備廠商如大族激光、楚天激光、廣州瑞通激光、聯(lián)贏激光等都推出了較為簡單的f-?鏡聚焦式掃描焊接系統(tǒng)。

深圳大族激光科技股份有限公司開發(fā)掃描焊接系統(tǒng)^[18]，其焊接速度為1～20點/秒，焊接范圍70mm×70mm。深圳市聯(lián)贏激光設(shè)備有限公司生產(chǎn)的任意波型能量負(fù)反饋控制型YAG激光焊接機(jī)，是在激光器的輸出端增加一個能量檢測裝置，用來檢測輸出激光能量的大小，并將該信號實時地反饋到控制端，與理論設(shè)定的能量進(jìn)行比較，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到精確控制激光能量輸出的目的。通過改變激光能量的輸出波形，可以極大地改善焊接質(zhì)量。

國內(nèi)其它激光設(shè)備公司，如武漢楚天激光^[19]，深圳聯(lián)贏激光^[20]，上海方圓激光^[21]等都推出了類似的激光掃描焊接設(shè)備?？偟膩碚f，國內(nèi)針對掃描焊接技術(shù)還以走低端路線為主，各廠家通過價格的競爭而非技術(shù)的創(chuàng)新贏得客戶。

5、振鏡掃描式激光焊接的應(yīng)用前景與應(yīng)用舉例

    掃描焊接系統(tǒng)主要應(yīng)用于一個工件上需要多點焊接的情況，以及焊點之間的轉(zhuǎn)換定位比較困難時候。掃描焊接技術(shù)還應(yīng)用于大型不易移動的工件，或者具有復(fù)雜曲面的外形，可以通過機(jī)械手的快速靈活定位獲得快速高質(zhì)量的焊接。振鏡掃描焊接機(jī)系統(tǒng)也可以根據(jù)客戶或者工件的形狀、大小與自動化程度進(jìn)行定制化的制作。因為振鏡掃描單元可以根據(jù)ＰＣ加工任意的圖形單元，所以焊接時的加工軌跡將具有很大的自由性。國外目前將掃描焊接技術(shù)大量的應(yīng)用于對汽車車身的多點焊接，在使用掃描焊接技術(shù)后，汽車車身的結(jié)構(gòu)件可以變得更加靈活，焊縫形狀可以根據(jù)焊點的強度要求采用不同的形式，汽車制造業(yè)因此得益于重量更輕、更加經(jīng)濟(jì)的高強度零部件。對未來車身結(jié)構(gòu)的研究表明，掃描焊接系統(tǒng)相對于電阻點焊來說，可以降低30%的投資成本，減少50%的加工區(qū)域，縮短60%的加工時間。

國外已經(jīng)將掃描焊接技術(shù)廣泛用于汽車行業(yè)中用來焊接0.6～1.5mm厚的薄金屬板^[22]。采用功率4kW#p#分頁標(biāo)題#e#的TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器，用掃描焊接將兩塊1mm厚的薄金屬板焊接在一起，有效焊接速度大約可達(dá)到100mm/s^[8]。其生產(chǎn)效率的實質(zhì)性提高，主要得益于大幅縮短了將焦點從一個焊接位置重新定位到另一個焊接位置所用的時間。利用軟件可對焊接模式進(jìn)行自由編程。無論采用多大功率，TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器進(jìn)行一次C形焊接的時間均不會超過200ms，而電阻點焊工藝進(jìn)行同樣焊接的時間一般都需要2s。各種實際應(yīng)用經(jīng)驗表明，碟片激光器焊接的生產(chǎn)率一般超過電阻點焊生產(chǎn)率的2～6倍^[8]。圖5為戴姆勒公司采用機(jī)械手掃描焊接汽車部件的現(xiàn)場。

    圖-5 機(jī)械手掃描焊接汽車部件現(xiàn)場

國內(nèi)采用振鏡掃描式激光焊接機(jī)可以高效地焊接各類電池，如手機(jī)電池，動力電池等的焊接。圖-6為各類電池和手機(jī)面板的焊接樣品圖。采用掃描激光焊接機(jī)焊接手機(jī)電池時，用特制的夾具一次可裝夾多塊電池，然后通過編程，控制振鏡讓激光連續(xù)掃描電池，實現(xiàn)快速高效的焊接，這跟硬光路相比，優(yōu)勢非常明顯。

           a各類電池焊接                                                        b手機(jī)面板焊接

              圖-6 掃描焊接技術(shù)焊接各類電池與手機(jī)殼

 另外，掃描焊接技術(shù)應(yīng)用于電池安全蓋帽的焊接也具有很大的優(yōu)勢。圖-7為瑞通激光使用LWS-300FS掃描焊接系統(tǒng)焊接的安全蓋帽樣品^[17]。LWS-300FS設(shè)備配備了轉(zhuǎn)盤式工作臺，便于電池的上下料，大大提高了生產(chǎn)效率。選用原來的硬光路傳輸?shù)募す夂附訖C(jī)焊接電池蓋帽，效率為1100個/小時，選用振鏡掃描式激光點焊機(jī)焊接電池蓋帽(多點)，焊接效率可達(dá)到2000-5000個/小時，由焊接的樣品可知，通過振鏡掃描激光焊接電池安全蓋帽，方便靈活地實現(xiàn)單點、多點及各種排列分布焊點的焊接。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖-7 掃描焊接技術(shù)焊接電池安全蓋帽

6、總結(jié)

掃描焊接工藝具有焊接速度快、熱輸入量小、焊接熱變形小、靈活性大、焊接熔深可自由控制等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的激光焊接技術(shù)一樣，掃描焊接可以進(jìn)行疊加縫焊工藝。國內(nèi)主要以使用YAG激光和低掃描范圍的f-?鏡聚焦式掃描焊接系統(tǒng)，國外主要以使用具有高光束質(zhì)量和高功率的激光器和具有大掃描范圍動態(tài)聚焦掃描焊接系統(tǒng)。在國內(nèi)掃描焊接技術(shù)主要應(yīng)用于各類電池焊接、手機(jī)面板和電子元器件的多點焊接，而在國外掃描焊接技術(shù)主要應(yīng)用于汽車車身、車門等大件、復(fù)雜件的多點焊接。（編輯：邵火  通訊員：王迪）