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1、 本科生课程论文 远隔控制激光在汽车工业的应用 课程名称 先进制造技术 姓 名 学 号 专 业 机械制造及自动化 任课教师 开课时间 2009.03 教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间：2010年 4 月 30 日远隔控制激光在汽车工业的应用华侨大学机电学院机制2班摘要：由于激光具有极高能量密度和超高加工速度等特殊的加工特性，近年来受到世人的注目。特别是远隔控制激光机器人加工系统的超高加工效率，倍受青睐。就当前激光加工领域最先端的“远隔控制激光机器人加工系统在汽车制造业的应用及发展前景”进行了综述。远隔控制激光加工头是通过程序控制反射镜和聚焦镜的位置，以实现任意形状的加工。试验结果
2、表明，实际加工速度可达500mmin，并实现小于等于01 mm 以下的轨迹加工精度。关键词：普通反射镜振动反射镜光纤激光圆片激光远隔控制激光机器人加工系统概述：为了满足汽车及铁道车辆等结构高速焊接的需要，作为电弧焊、电阻焊的替代方法而诞生了激光焊接、激光电弧复合焊接和远隔控制激光机器人加工(焊接)系统等焊接方法。德国的一家汽车制造公司在2003年采用相同的投资和工作量以3 台LPNdYAG 激光机器人焊接系统取代了9 台电阻点焊机器人系统。现在更增加了1 台远隔控制圆片激光机器人加工系统从事着同样的工作量，其投资成本仅为原来一半。现在，激光焊接在汽车制造及船舶制造等行业受到越来越多的关注，激光
3、焊接的发展应用越来越多。激光焊接技术的发展历经了固体受激物质气体受激物质固体受激物质、脉冲激光焊接连续激光焊接、低功率高功率、薄板厚件、低速高速、低频高频及低效高效的历史。20 世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属于热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于激光焊接作为1 种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,随着高功率CO2 和高功率的YA G激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功,使其在机械制造、航空航天、汽车工业、造船工业、粉
4、末冶金、生物医学、微电子行业等领域的应用越来越广。激光焊接的优点：采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比, 且焊接速度比较快。由于激光焊接不需真空环境, 因此通过透镜及光纤, 可以实现远程控制与自动化生产。激光具有较大的功率密度, 对难焊材料如钛、石英等有较好的焊接效果并能对不同性能材料施焊。激光焊接的不足:激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵, 因此初期投资及维护成本比传统焊接工艺高,经济效益较差。由于固体材料对激光的吸收率较低, 特别是在出现等离子体后, 因此激光焊接的转化效率普遍较低( 通常为5%30%) 。由于激光焊接的聚焦光斑较小,对工件接头的装备精度要求较高, 很小的装
5、备偏差就会产生较大的加工误差。远隔控制激光系统在汽车制造业中的应用现状：在汽车制造业中，远隔控制激光加工系统的研制开发更加受到世人的关注，并正在逐步地转变成产业化。在远隔控制激光加工系统的研制开发中，所使用的激光光源主要有CO2 激光、YAG 激光、圆片激光(Disc laser)和光纤激光等。CO2 激光由于光波较长而不能使用光纤传导，所以较难与焊接机器人搭载，难以构成CO2激光的远隔控制激光机器加工系统。而其他三种激光光源，在一般情况下都能与机器人搭载而构成远隔控制激光加工系统，实现超高效率的加工作业。远隔控制激光机器人加工系统主要是由远隔控制激光系统、机器人、激光发振器和传导光纤等组成。
6、机器人搭载远隔控制激光头的加工作业即在机器人移动的路线上，远隔控制激光焊接系统进行可控范围的超高速加工。远隔控制激光机器人加工系统的特点有：(1)超高速、非接触和无间断的连续焊接；(2)超高的加速度；(3)在狭窄部位加工；(4)瞬间实现多点焊接，容易实现焊接顺序的最佳化，焊接变形小；(5)输入热量小，焊接应力小；(6)灵活多变等。下面介绍目前最受关注的使用普通反射镜(reflecting mirror)或者使用振动反射镜(Galvomirror)的远隔控制激光机器人加工系统的现状及未来发展方向。普通反射镜的远隔控制激光机器人加工系统：普通反射镜的远隔控制激光焊接系统由直线电机驱动聚光镜按照箭头
7、方向前后移动，焊接过程中调节激光束焦点的距离以保证焊接过程中焦点位置的正确性。普通反射镜在x 轴和y 轴驱动电机的作用下实现激光焦点的运动程序，实现任意形状的焊接加工。远隔控制激光焊接系统的主要技术参数有：(1)加工范围200 mm200 mm(2)聚焦镜的焦点距离600 mm(3)反射镜的最大偏转角度15(4)加工轨迹精度01 mm(5)最大距离移动时间小于等于015 s(6)最高移动速度500 mmin。使用振动反射镜的远隔控制激光机器人加工系统：与上述普通反射镜远隔控制激光机器人加工系统不同的是，在x 轴和y 轴上使用了两个振动反射镜，利用这两个振动反射镜的组合振动，可实现任意形状的加工
8、。最高加工速度大约可达360 mmin。激光光源使用了圆片激光器。激光器采用TRUMPH的TruDisk 2002(20 kW)、TruDisk 4002(40 kW)、TruDisk6002(60 kW)和TruDisk 8002(80 kW)圆片激光器，激光束质量8 mmmrad，传导光纤直径02 mm。远隔控制激光焊接系统的种类有：Programmable FocusingOpticPFO 20(加工范围 85 mm，最高加工速度270mmin，加工轨迹精度小于等于0015 mm)；PFO 33(加工范围320 mm190mm，最高速度270 mmin，加工轨迹精度小于等于0045 mm
9、)；PFO 3D(加工范围352 mm206mm)。远隔控制激光系在汽车制造业的发展趋势：随着焊接技术的发展，激光焊接的应用领域将越来越广，包括电动机械、轿车筋板和各种零部件船舶筋板、客机筋板等，其发展速度快，今后应用范围将进一步扩大。特别是远隔控制激光机器人加工系统，由于本身具有的特性确立了它在汽车制造业中的重要地位。在电弧焊自动生产线中，探测仪检测、屏幕观察、工艺参数及其波形分析、工艺参数的自动控制等已有许多的实际应用。但是，对于激光焊接和真空电子束焊接而言，由于热源较微小、焊接熔深大、焊接速度快和易产生等离子体等特点，给各种探测仪的检测、屏幕观察、工艺参数及其波形分析、工艺参数的自动控制
10、等方面带来一定的困难。目前世界各国在这方面的研究正在进行中，相信在不久的将来这些自动检测和控制系统会逐步投入生产。目前对于自动检测系统的研究工作可以归纳如下：(1)激光束输出功率大小、激光束输出功率分布、激光束外形和激光束脉冲波形等激光束因素(2)反射光量或者透射光量的光量信号(3)从焊接区获得的红外线光量(4)焊接中的音响和杂音(5)焊接区的表面温度(6)激光束焦点位置等通过上述各参数的检测、观察、记录和分析，将结果反馈给控制系统以维持焊接参数的稳定，同时确保焊接质量的稳定。在远隔控制激光机器人加工系统中，激光束焦点的离开距离是一个特别重要的参数，保持这一参数的稳定，对确保焊接质量的稳定是十
11、分关键的。这方面的研究工作到目前为止还没有一个成熟的报道。具体来讲，在三维空间进行激光焊接时，焊缝位置的高低是变化的，在变化的过程中，如何通过检测、观察、记录和分析焦点离开距离，将结果反馈给控制系统，进而驱动直线电机使聚焦镜前后或者上下移动，以维持焦点离开距离的稳定，确保焊接质量的稳定。这一研究项目能得以实现，将进一步拓宽远隔控制激光机器人加工系统在汽车制造业中的应用范围。参考文献：【1】徐国建 杭争翔 远隔控制激光机器人加工系统在汽车制造业的应用及发展趋势 沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110178【2】张文毓 激光焊接技术的研究现状与应用 河南省洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039【3】游德勇, 高向东 激光焊接技术的研究现状与展望 广东工业大学机电工程学院, 广东广州510006【4】韩立军 激光焊接技术在一汽大众迈腾车身制造中的应用 一汽大众汽车有限公司（长春 130011） 【5】杨春燕 激光焊接技术的应用与发展 西安航空技术高等专科学校机械工程系,西北工业大学机电学院, 陕西西安710077【6】任成高 申晓龙 数控激光焊接汽车用高强钢工艺参数的优化 湖南工业职业技术学院长沙
