目前在金屬焊接中出現(xiàn)的一些挑戰(zhàn)，比如工件形狀越來越復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求越來越高，而且加工的個性化需求中的量小樣多的訂單越來越多，采用機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)完全能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

    介紹

    激光焊接成為一種成熟的無接觸的焊接方式已經(jīng)多年，極高的能量密度使得高速加工和低熱輸入量成為可能，焊接強(qiáng)度高，焊縫窄，熱影響區(qū)小，并且工件變形量小。不斷變化的用戶需求和高度的國際競爭造成了鈑金加工領(lǐng)域的向個性化需求轉(zhuǎn)變的趨勢。對于用戶來說，這意味著產(chǎn)品線的細(xì)分程度加大。因此，生產(chǎn)大量相同部件的需求減少，而對于各個產(chǎn)品的準(zhǔn)備時間越來越多，二整個加工過程特別是焊接過程，必須適應(yīng)這個趨勢，而最合適滿足這個需求的設(shè)備就是六軸機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)。

    激光焊接

    激光的物理原理在20世紀(jì)初的時候已經(jīng)由愛因斯坦闡述清楚，然而，第一臺激光器直到1960年才由Hughes研究所在Malibu研制成功。

    四年之后，世界上第一臺Nd:YAG固體激光器和CO2氣體激光器就被研制出來，直到今天，這兩種激光器還是全世界應(yīng)用最廣泛的兩種工業(yè)激光器。而在最近幾年，新的激光技術(shù)比如光纖激光器和碟片激光器不斷涌現(xiàn)。 全世界第一個用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的激光焊接一直到20年后的1984年才出現(xiàn)。

    今天，激光焊接在各個工業(yè)行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。激光焊接以外，激光釬焊，激光冷/熱送絲焊接和激光復(fù)合焊接也大大拓展了激光的應(yīng)用領(lǐng)域。

    由于其獨(dú)特的柔性和生產(chǎn)效率，激光加工已經(jīng)成為各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的獨(dú)特的工藝。

    通快的機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)

    通快的機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)型號為TruLaser Robot 5020基于一個6軸機(jī)器人，具有非常高的靈活性，可以完成復(fù)雜工件的加工，而且能夠適應(yīng)工件多變的情況。

    機(jī)器人焊接系統(tǒng)由一下幾個部分構(gòu)成：KUKA機(jī)器人，工作臺，吸塵器，激光光源和冷水機(jī)。

    對于激光光源而言，脈沖激光器，二極管激光器，光纖激光器和碟片激光器都可以與機(jī)器人系統(tǒng)相連。

    通快機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)所用的機(jī)器人Kuka KR30HA的重復(fù)精度為+/-0.05mm, 名字中的HA代表“高精度”。激光系統(tǒng)可以使用焊接鏡頭，切割鏡頭，掃描焊接鏡頭甚至激光熔覆頭，由于采用的是磁力耦合的連接方式，所以不同鏡頭之間可以相互快速切換。機(jī)器人的負(fù)重能力是30kg，可以帶動鏡頭中2000×1000×700mm的范圍內(nèi)移動。對于掃描焊接而言，由于鏡頭重量更大，必須選用負(fù)重量100kg的機(jī)器人系統(tǒng)。

    該系統(tǒng)配置有CCD攝像頭，可以清楚的觀察到加工過程。加工頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：激光焊接頭結(jié)構(gòu)

    同時，該系統(tǒng)可以配置”TeachLine”功能，通過光學(xué)傳感器來探測焊縫的實(shí)際位置，從而對工件的公差和定位誤差實(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)。通過“TeachLine”功能，可以大大減少重新示教所需要的大量時間。焊接輔助氣體通過可以更換的不同型號的氣體噴嘴，將焊接氣體送到工件表面。同時，“Crossjet”側(cè)吹氣幕，通過水平方向上的高壓空氣從細(xì)縫吹出，形成一道氣體屏障，降低焊接飛濺弄臟鏡頭的保護(hù)玻璃的風(fēng)險。該機(jī)器人系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)無焊絲的激光焊接，從而實(shí)現(xiàn)激光高速焊接的優(yōu)勢。當(dāng)然，該系統(tǒng)也可以很好的使用冷送絲焊接功能，適用于在接頭縫隙過大的情況下，或者對于焊接區(qū)域金相微結(jié)構(gòu)有特殊要求的情況。

圖2：通快機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)的變位器和雙工位工作臺

    按照不同的應(yīng)用要求，該系統(tǒng)可以配置工件變位器。典型的工件變位器由旋轉(zhuǎn)-翻轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，這兩個軸構(gòu)成機(jī)器人的第七和第八個外部軸，可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的完全聯(lián)動，從而使得焊接復(fù)雜工件變得簡單，增大焊接區(qū)域的可達(dá)性。

    為了進(jìn)一步提升焊接效率，該機(jī)器人系統(tǒng)還可以配置雙工作臺的結(jié)構(gòu)，使得激光焊接在內(nèi)部的工作臺進(jìn)行的時候，工件的裝夾可以在外部工作臺進(jìn)行，在大批量焊接的情況下，這種雙工作臺的方式尤其有利。而對于工件形狀比較復(fù)雜，數(shù)量較少的情況，則比較合適使用工件變位器配合加工。

    通快的TruLaser Robot5020系統(tǒng)還配置有CAD/CAM離線編程軟件TruTops Cell。 通過導(dǎo)入工件的三維數(shù)模文件在軟件中自動生成焊接程序，而不是示教的方式，這樣就可以大大節(jié)省時間。 這個離線的編程軟件可以與各種測量傳感器相互配合使用，可以自動識別不同的工件，適合用戶工件量小樣多的生產(chǎn)方式。

圖3：離線編程軟件TruTops Cell

    激光安全防護(hù)艙配置子自動的滑動前門，可以方便的用于工件裝卸。同時，該安全防護(hù)艙配備有包括激光安全防護(hù)玻璃在內(nèi)的各種安全防護(hù)措施，滿足CE安全標(biāo)準(zhǔn)，激光安全防護(hù)等級達(dá)到一級。（Laser safety Class 1）.

    全自動激光焊接的優(yōu)勢

    現(xiàn)代金屬加工對焊接強(qiáng)度和外觀效果等質(zhì)量的要求越來越高。而傳統(tǒng)的焊接手段，由于極大的熱量輸入，不可避免的會帶來工件扭曲變形等問題。為了彌補(bǔ)工件變形這個問題，需要大量的后續(xù)加工手段，從而導(dǎo)致費(fèi)用的上升。

    而采用全自動的激光焊接方法，具有最小的熱輸入量，因此帶來的極小的熱影響區(qū)，顯著提高焊接產(chǎn)品的品質(zhì)的同時，降低了后續(xù)工作量的時間。另外，由于焊接速度快和焊接深寬比大，能夠極大的提高焊接效率和穩(wěn)定性。

    激光焊接的另外一個優(yōu)勢是可以在深溶焊和熱傳導(dǎo)焊接之間，通過離焦量的控制而自由轉(zhuǎn)換。相對于深溶焊，熱傳導(dǎo)焊接需要較小的激光能量密度和較小的焊接速度，但是卻能夠得到非常美觀的焊接表面效果。

    機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)的應(yīng)用

    機(jī)器人激光自動焊接系統(tǒng)的用途非常廣泛，包括鈑金加工，汽車，廚房設(shè)備以及電子工程，醫(yī)療或者是模具制造行業(yè)。

    得益于深溶焊和熱傳導(dǎo)焊接的各種優(yōu)勢，激光焊接得以廣泛應(yīng)用。在另外一方面，高附加值的且對焊接質(zhì)量要求極高的部件，得以無需后續(xù)加工或者極少后續(xù)加工的方式來完成。

圖4：激光焊接的一些實(shí)例

    在一些全新的領(lǐng)域激光焊接也可以得到很好的應(yīng)用。比如說下圖中的多層結(jié)果的機(jī)械部件，通過激光切割將各個部件切割下來，然后將其組織成多層結(jié)構(gòu)，利用激光焊接強(qiáng)度大，變形小的特點(diǎn)，將其焊接成一個整體，能夠達(dá)到與機(jī)械加工方式得到的部件同樣的功能，但是生產(chǎn)成本卻因此大大降低。

圖5：用激光焊接取代機(jī)械加工

    由于激光焊接目前多采用固體激光作為光源，因此非常容易能夠?qū)崿F(xiàn)多個光路多個工位加工的方式，大大提高了生產(chǎn)效率。與CO2激光機(jī)床相比，由于CO2激光難于實(shí)現(xiàn)多光路，因此機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)相對于CO2激光機(jī)床的效率大大提高。目前在國內(nèi)的OA（辦公自動化）行業(yè)，已經(jīng)有多個機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)取代CO2激光機(jī)床的案例，焊接效率提高30%以上。

圖6：激光焊接在辦公自動化設(shè)備行業(yè)的成功應(yīng)用

    總結(jié)

激光焊接應(yīng)用與工業(yè)個領(lǐng)域已經(jīng)多年，隨著近年控制技術(shù)和激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光焊接的使用也越來越簡單容易，這也促進(jìn)了激光焊接技術(shù)的發(fā)展。同時，越來越多了激光焊接系統(tǒng)集成了離線編程軟件和焊縫探測傳感器等裝置，這些技術(shù)減少了焊接的準(zhǔn)備時間，提高了工作效率。

目前在金屬焊接中出現(xiàn)的一些挑戰(zhàn)，比如工件形狀越來越復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求越來越高，而且加工的個性化需求中的量小樣多的訂單越來越多，采用機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)完全能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。