通過高速偏轉(zhuǎn)光束進(jìn)行小尺寸部件的激光焊接

1 問題的提出

    通過采用聚焦極好的千瓦級CO2激光可大大提高焊接的速度。與此有關(guān)的對傳統(tǒng)激光加工機(jī)動力學(xué)方面的高要求只有少數(shù)激光裝置能滿足。尤其是嚴(yán)重彎曲的軌道運(yùn)動，如小尺寸部件結(jié)構(gòu)的加工更成問題。

    即使是動力學(xué)最佳的激光機(jī)，如以線性運(yùn)作的二維切割設(shè)備在切割10 mm 直徑的圓結(jié)構(gòu)時也只能得到約20 m/min 的軌道速度。曲率半徑較小的軌道結(jié)構(gòu)只能降低精度或減小速度進(jìn)行。

2 解決的途徑

    替代和補(bǔ)充傳統(tǒng)激光加工機(jī)普通的卡笛兒式或交鏈?zhǔn)捷S系的方法是采用使激光束在工件上移動的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。用該系統(tǒng)替代常用焊接和切割頭時，操作系統(tǒng)(龍門吊或工業(yè)機(jī)械手)只能承擔(dān)對部件的基本定位和加工頭的作用，實際操作進(jìn)量由加工頭中轉(zhuǎn)動的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)反射鏡來實現(xiàn)。由于該偏振鏡質(zhì)量輕，這種光束轉(zhuǎn)動即使在很高的推進(jìn)速度(600 m/min) 時也特別精確。

    這種光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)目前主要用于激光標(biāo)記或低激光功率(幾百瓦)的焊接。這里激光束通過透鏡聚焦，由兩個相互垂直、通過電流計掃描器驅(qū)動的偏振鏡移動光束聚焦在工件上。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作原理不僅確定了偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與部件間的距離，還確定了最大可達(dá)工作范圍。因為焦點在一個環(huán)形面上移動，這在原理上決定了像差的出現(xiàn)。這與待加工外形的尺寸，即所需激光束的偏轉(zhuǎn)角有關(guān)，可能限制使用范圍。采用平場透鏡可避免這種像差，可在確定的工作場所用恒定光束強(qiáng)度加工平面工件。

    由于采用透鏡光學(xué)件和掃描反射鏡，商用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的供應(yīng)商將可傳輸?shù)募す夤β氏拗圃趲装偻�，而對于機(jī)械制造中通常的毫米級焊深來說，則需幾干瓦功率的激光。

3 高功率激光的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

    夫朗和費材料-射柬技術(shù)研究所為此研制一種光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，用于激光功率高至4kW 的CO2 激光加工時。這有助于將高技術(shù)可實現(xiàn)的加工進(jìn)給速度化為工業(yè)應(yīng)用。

    加工系統(tǒng)由具有電流計掃描器的光束偏轉(zhuǎn)單元和具有拋物面鏡的聚焦系統(tǒng)組成(圖1)，該拋物面鏡可以通過附加反射鏡完成動態(tài)焦點跟蹤。于此產(chǎn)生一種硬件基本塊形成模件式PC卡的控制和特種加工任務(wù)的控制程序，該系統(tǒng)還采用光束監(jiān)控附加部件加以完善。此外，為了傳輸高功率激光，對所有光學(xué)部件都進(jìn)行冷卻。

4 應(yīng)用實例

    替代軸運(yùn)動系統(tǒng)的一個例子是用一維光束偏轉(zhuǎn)的小部件激光點焊，這里激光功率和脈沖序列同時得到控制。自1977 年以來工業(yè)部門流行的加工中已實現(xiàn)500 ms 內(nèi)16個焊接點。于是在一個多站加工臺上可將8個圓形彎曲板條焊成一個環(huán)(圖2) 。每年這類焊件數(shù)約2000 萬。

    另一可望成功的應(yīng)用領(lǐng)域是將螺帽、管腳、管子等焊入組合部件。圖3 示出將直徑為2.5 mm 的小管焊入孔板。焊接時間約100ms。這里，需要用傳感器控制確定下一待焊管的位置，以免由于位置公差使整個部件扭曲。

    原則上，圖形加工的軌跡，尤其是加工小直徑時，用其他系統(tǒng)也可達(dá)到，但采用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以幾乎是無限制地實現(xiàn)加工形狀的多樣化。因為對于光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來說，與傳統(tǒng)運(yùn)動系統(tǒng)的不同在于，在焊縫產(chǎn)生的過程中要保持恒定的進(jìn)給速度，待加工的幾何尺寸不起重要作用，相反加工頭與部件的精確定位倒是重要的。