自動化激光焊接機(jī)工作原理圖詳解

一、系統(tǒng)組成概述

自動化激光焊接機(jī)由以下核心模塊構(gòu)成（如圖1所示）：

1. 激光發(fā)生器：通常采用光纖激光器（波長1064nm）或CO?激光器

2. 光束傳輸系統(tǒng)：含準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡組（焦距100-200mm）

3. 運(yùn)動控制系統(tǒng)：六軸機(jī)械臂（重復(fù)定位精度±0.02mm）或XYZ直線模組

4. 工作臺系統(tǒng)：伺服驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺（轉(zhuǎn)速0-50rpm可調(diào)）

5. 視覺定位系統(tǒng)：CCD相機(jī)（500萬像素）+紅外測溫模塊

6. 保護(hù)氣體系統(tǒng)：氬氣/氮?dú)鈬娮欤髁?0-20L/min）

7. 人機(jī)界面：工業(yè)PC+PLC控制單元

二、激光產(chǎn)生與傳導(dǎo)原理

1. 激光生成（圖2-a）：

– 光纖激光器通過915nm泵浦源激發(fā)摻鐿光纖產(chǎn)生連續(xù)激光

– 典型參數(shù)：功率1-6kW，光束質(zhì)量M2<1.2 - 脈沖模式時可調(diào)頻率1-1000Hz，脈寬0.1-20ms 2. 光束整形（圖2-b）： - 經(jīng)準(zhǔn)直鏡擴(kuò)展至直徑10-20mm - 聚焦鏡將光斑縮小至0.1-0.3mm（功率密度可達(dá)10?W/cm2） - 擺動焊接頭可實現(xiàn)∞字形軌跡（振幅0.5-2mm） 三、焊接過程控制流程 1. 工件定位（圖3）： - CCD相機(jī)采集焊縫圖像，經(jīng)Halcon算法處理實現(xiàn)亞像素定位 - 激光測距儀實時監(jiān)控工件表面高度（精度±0.01mm） 2. 動態(tài)焊接（圖4）： - 激光功率PID閉環(huán)控制（響應(yīng)時間<1ms） - 同軸保護(hù)氣體形成惰性環(huán)境（氧含量<50ppm） - 熔池監(jiān)控系統(tǒng)實時調(diào)整參數(shù)（采樣率1kHz） 3. 質(zhì)量控制： - 紅外熱像儀監(jiān)測溫度場（300-2500℃量程） - 聲發(fā)射傳感器檢測飛濺信號 四、典型工藝參數(shù) | 材料類型 | 功率(kW) | 速度(m/min) | 離焦量(mm) | 氣體類型 | |-|-|-|-|-| | 不銹鋼| 2.5| 1.2| +0.5 | Ar | | 鋁合金| 3.0| 0.8| -0.2 | He/Ar | | 碳鋼 | 1.8| 1.5| 0 | N? | 五、安全防護(hù)機(jī)制 1. 光路安全：Class 1防護(hù)等級，急停時快門0.1ms切斷光束 2. 互鎖系統(tǒng)：門禁開關(guān)與激光輸出聯(lián)鎖 3. 煙塵處理：配備99.97%效率的HEPA過濾器 六、技術(shù)優(yōu)勢 1. 深寬比可達(dá)10:1（傳統(tǒng)弧焊僅1:1） 2. 熱影響區(qū)寬度<0.5mm 3. 焊接變形量減少70%以上 該系統(tǒng)的控制邏輯如圖5所示：通過EtherCAT總線實現(xiàn)各模塊同步，運(yùn)動控制周期≤0.5ms，確保焊接軌跡精度達(dá)到±0.05mm。現(xiàn)代機(jī)型已集成數(shù)字孿生功能，可提前模擬焊接效果并優(yōu)化參數(shù)。 （注：實際原理圖應(yīng)包含上述各模塊的電氣連接關(guān)系、信號流向及機(jī)械結(jié)構(gòu)剖面圖，此處文字描述對應(yīng)圖示編號）

自動化激光焊接機(jī)工作原理詳解

自動化激光焊接機(jī)是現(xiàn)代制造業(yè)中一種高效、精密的焊接設(shè)備，它利用高能量密度的激光束作為熱源，通過精確的控制系統(tǒng)實現(xiàn)材料的快速熔接。下面將從激光產(chǎn)生、光束傳輸、焊接過程和控制系統(tǒng)四個方面詳細(xì)闡述其工作原理。

一、激光產(chǎn)生系統(tǒng)

自動化激光焊接機(jī)的核心是激光發(fā)生器，主要有以下幾種類型：

1. CO2激光器：通過氣體放電激發(fā)二氧化碳分子產(chǎn)生10.6μm波長的激光，功率可達(dá)數(shù)千瓦，適合厚板焊接。

2. 光纖激光器：利用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)，產(chǎn)生1.06μm波長激光，光電轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)30%），光束質(zhì)量好。

3. YAG激光器：采用摻釹釔鋁石榴石晶體，產(chǎn)生1.06μm波長激光，可通過光纖傳輸。

激光產(chǎn)生過程遵循受激輻射原理：工作物質(zhì)中的粒子被激發(fā)到高能級后，在入射光子作用下躍遷到低能級并釋放出同頻率、同相位的光子，通過光學(xué)諧振腔的反饋放大形成激光。

二、光束傳輸與聚焦系統(tǒng)

激光產(chǎn)生后，通過精密的光學(xué)系統(tǒng)傳輸并聚焦到工件表面：

1. 光束傳輸：光纖激光器直接通過柔性光纖傳輸；CO2激光則需反射鏡系統(tǒng)，每米光路損耗約1-2%。

2. 聚焦系統(tǒng)：采用F-theta透鏡或動態(tài)聚焦鏡，焦點(diǎn)直徑可控制在0.1-0.5mm，功率密度可達(dá)10^6-10^7W/cm2。

3. 掃描系統(tǒng)：振鏡式掃描頭可在XY平面快速偏轉(zhuǎn)激光束，最高速度可達(dá)10m/s，配合Z軸升降實現(xiàn)三維焊接。

三、焊接物理過程

激光與材料相互作用分為以下幾個階段：

1. 初始吸收：金屬表面對激光的吸收率隨溫度升高而增加，室溫下對1μm激光吸收率約30-40%，熔融后可達(dá)60%以上。

2. 匙孔效應(yīng)：當(dāng)功率密度超過10^6W/cm2時，材料汽化形成等離子體，反沖壓力使熔池下陷形成深寬比可達(dá)10:1的匙孔。

3. 熔池動態(tài)：熔池溫度可達(dá)2000-3000℃，表面張力梯度和馬蘭戈尼效應(yīng)引起強(qiáng)烈對流，影響焊縫成形。

4. 凝固過程：冷卻速率可達(dá)10^3-10^6K/s，形成細(xì)晶組織，硬度通常比母材高10-30%。

四、自動化控制系統(tǒng)

現(xiàn)代激光焊接機(jī)采用多層級控制系統(tǒng)：

1. 運(yùn)動控制：伺服電機(jī)定位精度±0.01mm，重復(fù)定位精度±0.005mm，配合機(jī)器人的可達(dá)六軸聯(lián)動。

2. 過程監(jiān)測：采用CCD視覺系統(tǒng)（分辨率可達(dá)5μm）、紅外測溫（精度±5℃）和等離子體光譜分析實時監(jiān)控焊接質(zhì)量。

3. 參數(shù)閉環(huán)：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)節(jié)激光功率（調(diào)節(jié)響應(yīng)時間<1ms）、離焦量（±0.1mm）和焊接速度（0.1-20m/min可調(diào)）。 4. 人機(jī)交互：工業(yè)計算機(jī)運(yùn)行專用焊接軟件，可存儲數(shù)百種工藝配方，支持CAD圖紙直接導(dǎo)入編程。 五、典型工藝參數(shù)示例 以1mm不銹鋼焊接為例： - 激光功率：800W - 焊接速度：3m/min - 離焦量：+1mm - 保護(hù)氣體：Ar，流量15L/min - 焊縫寬度：0.6mm - 熔深：1.2mm 自動化激光焊接機(jī)通過上述系統(tǒng)的精密配合，實現(xiàn)了高效率（比傳統(tǒng)焊接快5-10倍）、低變形（熱影響區(qū)減小60-80%）和高質(zhì)量（焊縫氣孔率<0.5%）的焊接效果，廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子精密器械、航空航天等領(lǐng)域。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，未來將實現(xiàn)更復(fù)雜的自適應(yīng)焊接和數(shù)字孿生過程優(yōu)化。

自動激光焊接機(jī)的工作原理

一、系統(tǒng)概述

自動激光焊接機(jī)是一種利用高能量密度激光束作為熱源，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)精密焊接的現(xiàn)代化加工設(shè)備。該系統(tǒng)集光學(xué)、機(jī)械、電子和計算機(jī)技術(shù)于一體，主要由激光發(fā)生器、光學(xué)傳輸系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和輔助氣體系統(tǒng)等組成。

二、核心工作原理

1. 激光產(chǎn)生與放大

激光焊接機(jī)的核心是激光發(fā)生器（通常為光纖激光器、CO?激光器或YAG激光器）。以光纖激光器為例，其工作原理是：

– 泵浦源（通常為二極管）發(fā)出特定波長的光

– 通過光纖耦合器進(jìn)入摻稀土元素（如鐿）的有源光纖

– 在光纖諧振腔內(nèi)通過受激輻射產(chǎn)生激光

– 經(jīng)過多次反射放大后形成高功率激光輸出

2. 光束傳輸與聚焦

產(chǎn)生的激光通過以下路徑傳輸：

– 傳輸光纖：將激光從發(fā)生器傳導(dǎo)至焊接頭

– 準(zhǔn)直鏡：將發(fā)散的光束變?yōu)槠叫泄?/p>

– 聚焦鏡組：將激光束聚焦到極小的光斑（通常0.1-0.5mm）

– 聚焦后的功率密度可達(dá)10?-10?W/cm2，足以瞬間熔化金屬

3. 焊接過程物理機(jī)制

當(dāng)高能激光束照射到工件表面時：

– 金屬表面吸收光子能量，電子躍遷

– 能量轉(zhuǎn)化為熱能，使材料溫度急劇升高

– 達(dá)到熔點(diǎn)后形成熔池（溫度可達(dá)2000-3000°C）

– 在輔助氣體保護(hù)下，熔池金屬冷卻凝固形成焊縫

三、自動化控制系統(tǒng)

1. 運(yùn)動控制系統(tǒng)

– 多軸聯(lián)動：通常采用X-Y-Z三軸或更多軸聯(lián)動，配合旋轉(zhuǎn)軸

– 伺服驅(qū)動：高精度伺服電機(jī)確保定位精度（±0.01mm）

– 路徑規(guī)劃：通過CAD/CAM軟件生成焊接軌跡

2. 參數(shù)控制系統(tǒng)

– 功率調(diào)節(jié)：根據(jù)材料厚度實時調(diào)整激光功率（100-6000W可調(diào)）

– 頻率控制：脈沖激光可達(dá)數(shù)千Hz

– 焦點(diǎn)位置：自動調(diào)焦系統(tǒng)保持最佳焦距

– 氣體控制：精確調(diào)節(jié)保護(hù)氣體（Ar、He、N?等）流量和壓力

3. 監(jiān)測與反饋系統(tǒng)

– 紅外測溫：實時監(jiān)測熔池溫度

– CCD視覺系統(tǒng)：焊縫跟蹤和位置校正

– 等離子體監(jiān)測：檢測焊接過程穩(wěn)定性

– 自適應(yīng)控制：根據(jù)反饋自動調(diào)節(jié)參數(shù)

四、特殊工藝技術(shù)

1. 深熔焊（小孔效應(yīng)）

當(dāng)功率密度超過10?W/cm2時：

– 金屬汽化形成蒸汽壓力

– 在熔池中產(chǎn)生深而窄的小孔

– 小孔隨激光移動，實現(xiàn)深寬比大的焊縫（可達(dá)10:1）

2. 擺動焊接技術(shù)

通過振鏡系統(tǒng)使激光束進(jìn)行：

– 圓形、八字形或線性擺動

– 擴(kuò)大熱影響區(qū)，改善焊縫成形

– 減少氣孔和裂紋缺陷

五、應(yīng)用優(yōu)勢

1. 高能量密度：局部加熱減少熱影響區(qū)

2. 非接觸加工：無機(jī)械應(yīng)力，工件變形小

3. 高精度：可焊接微小部件（最小0.1mm）

4. 高速度：比傳統(tǒng)焊接快2-10倍

5. 材料適應(yīng)廣：可焊高熔點(diǎn)、異種金屬

6. 自動化程度高：可集成到智能制造系統(tǒng)

自動激光焊接機(jī)通過上述精密的光-機(jī)-電協(xié)同工作機(jī)制，實現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)、靈活的現(xiàn)代焊接工藝，廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子元件、醫(yī)療器械和航空航天等領(lǐng)域。隨著智能化發(fā)展，其自適應(yīng)控制和工藝優(yōu)化能力將進(jìn)一步提升。