振鏡的光學(xué)配置、振鏡控制元件和光學(xué)傳感器之間的實(shí)時(shí)接口等領(lǐng)域的發(fā)展與創(chuàng)新已顯著拓寬了遠(yuǎn)程激光焊接的應(yīng)用。各種光學(xué)放大器可用于將光學(xué)器件優(yōu)化為特定應(yīng)用所需的激光功率和光束質(zhì)量。以前無法利用的旨在使可變光斑大小對(duì)焦的光學(xué)變焦功能現(xiàn)在可用于振鏡系統(tǒng)，例如德國(guó)SCANLAB公司的intelliWELD II。振鏡控制系統(tǒng)提供直觀的用戶界面，并通過算法優(yōu)化機(jī)器人路徑，從而使過去繁瑣的復(fù)雜焊接程序的編程任務(wù)變得簡(jiǎn)單有效，并容易掌握。

 

從傳統(tǒng)角度看，這些系統(tǒng)主要用于鈑金部件的搭接焊接。近年來，制造商已廣泛利用遠(yuǎn)程激光焊接的優(yōu)點(diǎn)來更有效地發(fā)揮其在多個(gè)具有挑戰(zhàn)的焊接應(yīng)用中的功效。以下生產(chǎn)情況已受益于遠(yuǎn)程激光焊接，從而實(shí)現(xiàn)更多傳統(tǒng)焊接技術(shù)所不能達(dá)到的精度和生產(chǎn)率水平。

 

在其最簡(jiǎn)單的形式中，遠(yuǎn)程激光焊接可以利用固定位置的2D和3D振鏡來實(shí)現(xiàn)。通常被稱為靜態(tài)遠(yuǎn)程激光焊接，振鏡安裝于一個(gè)相對(duì)靜態(tài)的機(jī)械位置，未焊接組件位于掃描區(qū)域內(nèi)，而焊接過程中的唯一運(yùn)動(dòng)是由掃描光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的。

 

靜態(tài)遠(yuǎn)程激光焊接的快速增長(zhǎng)領(lǐng)域之一是應(yīng)用于電動(dòng)汽車的鋰電池模塊的組裝。這些電池需要焊接單個(gè)電池單元，以及多個(gè)電池組件的封裝。這些可以是由各種材料（銅、鋁、鎳和鍍鎳銅）以及厚度不一的多層所構(gòu)成的復(fù)雜組件。激光對(duì)于大多數(shù)這些焊接要求而言都是理想的解決方案，振鏡已被證明是最大限度提高速度和精度，同時(shí)提供高度靈活的焊縫幾何形狀的有效工具。

 

圖1：i8 電池模組焊接任務(wù)( 來源:BMW at EALA Conference 2015)

 

其中一個(gè)例子是寶馬（BMW）i8的電池模塊的焊接（見圖1）。寶馬工程師面臨著如何增加壓板與鋁電池模塊的框架之間形成的焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度，以及保持焊縫質(zhì)量的挑戰(zhàn)。這是通過采用具有不同振蕩模式的掃描振鏡焊接工藝來實(shí)現(xiàn)的。據(jù)寶馬的制造技術(shù)和原型車間電能儲(chǔ)存部門的Rüdiger Daub 博士稱，通過縱向和橫向振動(dòng)模式的結(jié)合，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度拉提高了35％，孔隙率降低了40％。所應(yīng)用的Blackbird Robotics 公司的掃描振鏡焊接解決方案（基于intelliWELD）能夠最大化振鏡動(dòng)態(tài)特性（頻率為幾百赫茲）以及完全控制具有可自由編程的振蕩模式和功率調(diào)制的熱輸入等方面的靈活性。

 

通過對(duì)掃描范圍進(jìn)行完整的笛卡爾校準(zhǔn)以及采用集成漂移補(bǔ)償方式，即使位置極為關(guān)鍵的焊接點(diǎn)的加工也可以由掃描頭高速執(zhí)行。焊接用于汽車排氣組件的熱交換器涉及薄壁管與兩端的薄片之間的焊接（管束，見圖2）。這些組件是精密沖壓的薄壁部件，而焊接頭是對(duì)接焊接頭，因此薄壁管接觸每端的板件。一個(gè)典型的配置是每個(gè)管束16 個(gè)薄壁管。Weil Engineering GmbH公司（位于德國(guó)Muellheim）確定用于激光焊接這些組件的理想光學(xué)元件是2D振鏡（SCANLAB 公司的intelliSCAN FT），其能實(shí)現(xiàn)激光束的高速和精準(zhǔn)定位，并具有足夠的運(yùn)動(dòng)范圍可在不移動(dòng)光學(xué)元件的情況下焊接整個(gè)組件。

 

圖2：Conntronic 公司的aDM(a) 以及Weil 公司的熱交換器（b)

 

挑戰(zhàn)是將激光束精確地定位在管和片材的交接處。部件本身具有很強(qiáng)的可重復(fù)性，然而，由于工裝和分度裝置的公差疊加，組件位置的變化大于焊接所需的可重復(fù)性。因此，需要在焊接之前精確定位每個(gè)組件。

 

解決方案是結(jié)合基于相機(jī)的視覺系統(tǒng)（Blackbird的振鏡視覺系統(tǒng)）來檢測(cè)管板的關(guān)鍵特征。該圖像被發(fā)送到Blackbird的機(jī)器人振鏡控制單元（SCU）內(nèi)，相對(duì)比之前記錄的組件位置，x 和y 軸的掃描位置發(fā)生偏移并圍繞z 軸旋轉(zhuǎn)，使焊接路徑對(duì)準(zhǔn)組件的實(shí)際位置。在焊接每個(gè)組件之前，這一工序僅不到300毫秒便能完成。這些自2012年以來采用多班生產(chǎn)模式的熱交換器成為該解決方案的首個(gè)應(yīng)用。從那時(shí)起，許多2D和3D焊接應(yīng)用陸續(xù)從這一速度和精度的雙重優(yōu)勢(shì)中獲益。

 

位于德國(guó)奧格斯堡的Conntronic Prozess-und Automatisierungstechnik GmbH 公司遇到了來自焊接自動(dòng)檔案模塊（aDM）的挑戰(zhàn)，aDM 是旨在支持大眾汽車（VW) 的藍(lán)驅(qū)（BlueMotion）技術(shù)項(xiàng)目的一種冷卻外罩。BlueMotion 是一系列創(chuàng)新的節(jié)能技術(shù)，包括設(shè)計(jì)能夠降低汽車的油耗及有害排放的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。aDM 是一種復(fù)雜的機(jī)械外殼，需要三種不同的材料厚度以氣密密封方式組裝在一起，同時(shí)最大限度地降低變形率（圖2）。該公司評(píng)估了許多替代焊接解決方案，最終選擇了基于掃描振鏡的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)，因?yàn)樗軌蜃钚』瘷C(jī)器人運(yùn)動(dòng)，從而減少加工周期，并且彰顯其精確焊接小直徑（6mm）圓的能力和長(zhǎng)焦距光學(xué)器件為限制性較小的工具設(shè)計(jì)所提供的整體靈活性。成功的關(guān)鍵是Blackbird Robotics遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)與機(jī)器人控制系統(tǒng)的緊密集成，以及通過掃描范圍的3D校準(zhǔn)和檢流計(jì)振鏡電機(jī)的集成漂移補(bǔ)償所實(shí)現(xiàn)的精度。

 

 

將基于檢流計(jì)振鏡電機(jī)的掃描振鏡系統(tǒng)的速度和精度與關(guān)節(jié)臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍相結(jié)合，可顯著提高遠(yuǎn)程焊接應(yīng)用的生產(chǎn)率。當(dāng)協(xié)調(diào)掃描振鏡與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些性能得到最大化。在“飛行焊接（On-The-Fly）”工藝中，機(jī)器人在平滑的軌跡上引導(dǎo)掃描頭，而所有的高速運(yùn)動(dòng)是由速度更快的掃描軸執(zhí)行的。采用該方法，可以實(shí)現(xiàn)90％以上的激光有效時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)表明，使用遠(yuǎn)程激光焊接的單個(gè)接頭所需的時(shí)間僅是采用由傳統(tǒng)接合方法（例如，電阻點(diǎn)焊鉚接和固定光學(xué)激光焊接）打造的相同焊接點(diǎn)的20%。

 

通過使用適當(dāng)?shù)目刂蒲b置，能夠以高效的方式執(zhí)行飛行焊工藝。最先進(jìn)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的完全同步，并且為振鏡掃描頭和機(jī)器人軸提供優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。通常，分布在整個(gè)部件上的多個(gè)短焊接點(diǎn)的搭接焊應(yīng)用已經(jīng)采用了這種加工手段。在過去，該應(yīng)用局限于座椅靠背等簡(jiǎn)單且平坦的部件。隨著近年來控制技術(shù)的進(jìn)展，更復(fù)雜的部件（例如座椅結(jié)構(gòu)件、交叉車梁和汽車門）已成功地應(yīng)用了Blackbird的3D機(jī)器人飛行焊解決方案。該方案實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜3D 零件的焊接速度最大化（>10m/min）以及跳躍時(shí)間最小化（<20ms），同時(shí)依然確保能夠在適當(dāng)?shù)膬A角到達(dá)焊接位置。

 

此外，還必須解決在焊接鍍鋅材料時(shí)為鋅的蒸發(fā)提供一個(gè)通道的挑戰(zhàn)。為了確保穩(wěn)定的工藝，焊接期間釋放的鋅氣體必須被給予一種從板件之間排出的方式。因而，可對(duì)許多得到生產(chǎn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行研究。

 

除了在部件上打造專門設(shè)計(jì)的間隔特征，或通過夾緊技術(shù)在板件之間創(chuàng)建明確的間隔外，最常見的方法是凸點(diǎn)法（dimpling）。在這個(gè)兩步驟的方法中，首輪工序是通過使用幾毫秒的短脈沖激光在較下方位置的板件表面打造出高度通常為0.1-0.2mm的小凸點(diǎn)。這些小凸點(diǎn)用作上方位置的板件的間隔件，使其在第二道工序中與下方板件進(jìn)行焊接。

 

近來，已經(jīng)開發(fā)出常被稱為“螺釘激光焊接”或“激光點(diǎn)焊”的技術(shù)，旨在替代電阻點(diǎn)焊工藝。這種技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)激光焊接的較高加工速度、單面進(jìn)入和低熱輸入等優(yōu)勢(shì)，以及為板件間的間隙公差提供更多的靈活性，并省去了鍍鋅材料的預(yù)焊打凸點(diǎn)工序。

 

圖3：在寶馬的生產(chǎn)車間對(duì)Mini 款車型車門的角焊縫進(jìn)行焊接

 

幾年前，寶馬通過與Blackbird的合作，逐漸摒棄了傳統(tǒng)的激光搭接焊車門的技術(shù)。他們的目標(biāo)是使用角焊縫來縮小法蘭邊距離，并且彰顯其它工藝優(yōu)點(diǎn)，例如實(shí)現(xiàn)鍍鋅材料的“零間隙”焊接。將遠(yuǎn)程激光焊接的應(yīng)用擴(kuò)展到角焊縫領(lǐng)域的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種通過振鏡掃描頭實(shí)現(xiàn)的同軸焊縫跟蹤技術(shù)。目前，這種同軸焊縫跟蹤技術(shù)已獲得工業(yè)使用的資格，并自2014 年起成功應(yīng)用于寶馬（BMW）Mini款車型的車門的批量生產(chǎn)中（圖3）。

 

生產(chǎn)解決方案包括來自Blackbird的遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以及用于焊縫跟蹤的同軸相機(jī)。其結(jié)果是獲得一款由同軸照明和在線焊縫跟蹤功能加持的掃描振鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了掃描飛行焊的優(yōu)點(diǎn)，并能滿足位置極為關(guān)鍵的焊接結(jié)構(gòu)的要求：

 

● 可靠的跟蹤焊縫精度通常為0.1mm；

 

● 全向加工的高靈活性；

 

● 通過最大程度減少再定位時(shí)間和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)效率最大化；

 

● 通過工件的長(zhǎng)距離（～0.5m）改善焊接接頭的可接近性。

 

 

掃描振鏡技術(shù)不斷取得進(jìn)展，持續(xù)增強(qiáng)了焊接工藝的可見性和控制性。就這一領(lǐng)域而言，光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)下一個(gè)飛躍，因?yàn)樗且环N在千赫茲的頻率范圍在微米尺度上收集距離數(shù)據(jù)的單點(diǎn)測(cè)量方法。原則上來說，它是一種干涉儀裝置，其中一個(gè)光束路徑（測(cè)量臂）指向工件，第二道光束路徑（參考臂）具有已知長(zhǎng)度。這種傳感器在固定式激光光學(xué)頭中的最先進(jìn)的應(yīng)用近來已被引入市場(chǎng)。該干涉儀使用了一款近紅外波長(zhǎng)范圍以及光纖耦合光束傳輸?shù)某椛浒l(fā)光二極管（SLD）。

 

圖4：高精度的焊縫形貌( 頂部）以及焊接點(diǎn)檢測(cè)（底部）

 

結(jié)合合適的用于測(cè)量光束的光束控制手段，可以實(shí)現(xiàn)以下測(cè)量任務(wù)：

 

● 預(yù)加工：激光焊接前的焊縫跟蹤；

 

● 工序內(nèi)：熔池區(qū)或鎖孔內(nèi)的測(cè)量；

 

● 后加工：焊縫的形貌測(cè)量；

 

目前正在開展的工作中包括要將OCT技術(shù)能夠完全集成到基于intelliWELD 3D振鏡掃描頭的Blackbird振鏡遠(yuǎn)程激光焊接解決方案中。為此，正在攻克以下挑戰(zhàn)：

 

● 將第二個(gè)x-y掃描系統(tǒng)耦合到焊接掃描頭的觀察端口，從而能以精確的校準(zhǔn)方式掃描測(cè)量光束；

 

● 一款用于測(cè)量光束的對(duì)焦裝置，以此能與焊接頭z軸的速度相匹配；

 

● 集成的軟件和控制環(huán)境，從而能以便捷的手段在焊接圖編程過程中跟蹤焊縫以及執(zhí)行測(cè)量任務(wù)。

 

在第一道實(shí)施階段，這將實(shí)現(xiàn)焊前的焊縫跟蹤，以及焊后的形貌測(cè)量。在第一個(gè)原型系統(tǒng)（圖4）上取得的初始數(shù)據(jù)將有望開發(fā)出在該領(lǐng)域具有空前能力的光學(xué)系統(tǒng)。