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(lái)越復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求越來(lái)越高，而且加工的個(gè)性化需求中的量小樣多的訂單越來(lái)越多，采用機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)完全能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
介紹
激光焊接成為一種成熟的無(wú)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)造成了鈑金加工領(lǐng)域的向個(gè)性化需求轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，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(duì)于各個(gè)產(chǎn)品的準(zhǔn)備時(shí)間越來(lái)越多，二整個(gè)加工過(guò)程特別是焊接過(guò)程，必須適應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，而最合適滿足這個(gè)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(shí)候已經(jīng)由愛(ài)因斯坦闡述清楚，然而，第一臺(tái)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(tái)Nd:YAG固體激光器和CO2氣體激光器就被研制出來(lái)，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(gè)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(gè)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(gè)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(hào)為TruLaser Robot 5020基于一個(gè)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(gè)部分構(gòu)成：KUKA機(jī)器人，工作臺(tái)，吸塵器，激光光源和冷水機(jī)。
對(duì)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(dòng)鏡頭中2000×1000×700mm的范圍內(nèi)移動(dòng)。對(duì)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(guò)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(shí)，該系統(tǒng)可以配置”TeachLine”功能，通過(guò)光學(xué)傳感器來(lái)探測(cè)焊縫的實(shí)際位置，從而對(duì)工件的公差和定位誤差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)。通過(guò)“TeachLine”功能，可以大大減少重新示教所需要的大量時(shí)間。焊接輔助氣體通過(guò)可以更換的不同型號(hào)的氣體噴嘴，將焊接氣體送到工件表面。同時(shí)，“Crossjet”側(cè)吹氣幕，通過(guò)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(xiǎn)。該機(jī)器人系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)無(wú)焊絲的激光焊接，從而實(shí)現(xiàn)激光高速焊接的優(yōu)勢(shì)。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(guò)大的情況下，或者對(duì)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(tái)
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(gè)軸構(gòu)成機(jī)器人的第七和第八個(gè)外部軸，可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的完全聯(lián)動(dòng)，從而使得焊接復(fù)雜工件變得簡(jiǎn)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(tái)的結(jié)構(gòu)，使得激光焊接在內(nèi)部的工作臺(tái)進(jìn)行的時(shí)候，工件的裝夾可以在外部工作臺(tái)進(jìn)行，在大批量焊接的情況下，這種雙工作臺(tái)的方式尤其有利。而對(duì)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(guò)導(dǎo)入工件的三維數(shù)模文件在軟件中自動(dòng)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(shí)間。 這個(gè)離線的編程軟件可以與各種測(cè)量傳感器相互配合使用，可以自動(dòng)識(shí)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(dòng)的滑動(dòng)前門，可以方便的用于工件裝卸。同時(shí)，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(jí)達(dá)到一級(jí)。（Laser safety Class 1）.
全自動(dòng)激光焊接的優(yōu)勢(shì)
現(xiàn)代金屬加工對(duì)焊接強(qiáng)度和外觀效果等質(zhì)量的要求越來(lái)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(huì)帶來(lái)工件扭曲變形等問(wèn)題。為了彌補(bǔ)工件變形這個(gè)問(wèn)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(dòng)的激光焊接方法，具有最小的熱輸入量，因此帶來(lái)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(shí)，降低了后續(xù)工作量的時(shí)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(gè)優(yōu)勢(shì)是可以在深溶焊和熱傳導(dǎo)焊接之間，通過(guò)離焦量的控制而自由轉(zhuǎn)換。相對(duì)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(dòng)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(shì)，激光焊接得以廣泛應(yīng)用。在另外一方面，高附加值的且對(duì)焊接質(zhì)量要求極高的部件，得以無(wú)需后續(xù)加工或者極少后續(xù)加工的方式來(lái)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(shuō)下圖中的多層結(jié)果的機(jī)械部件，通過(guò)激光切割將各個(gè)部件切割下來(lái)，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(gè)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(gè)光路多個(gè)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(duì)于CO2激光機(jī)床的效率大大提高。目前在國(guó)內(nèi)的OA（辦公自動(dòng)化）行業(yè)，已經(jīng)有多個(gè)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(dòng)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(gè)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(lái)越簡(jiǎn)單容易，這也促進(jìn)了激光焊接技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，越來(lái)越多了激光焊接系統(tǒng)集成了離線編程軟件和焊縫探測(cè)傳感器等裝置，這些技術(shù)減少了焊接的準(zhǔn)備時(shí)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(lái)越復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求越來(lái)越高，而且加工的個(gè)性化需求中的量小樣多的訂單越來(lái)越多，采用機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)完全能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
