激光钎焊设备技术在焊装车间的应用

黄浦，周飚，罗峰

摘要：在汽车行业的市场竞争中，行业技术发展趋势，产品质量是制造业提高市场竞争力的基础；激光焊工艺的应用极大提升白车身焊接强度及车身美观性；激光钎焊对设备要求比较高，设备选型及参数技术要求直接影响焊接工艺结果。

关键词：激光钎焊、激光源、激光头

一、 激光钎焊原理

在汽车行业的市场竞争中，行业技术发展趋势，产品质量是制造业提高市场竞争力的基础；激光焊工艺的应用极大提升白车身焊接强度及车身美观性；激光钎焊对设备要求比较高，设备选型及参数技术要求直接影响焊接工艺结果。激光钎焊利用高能量密度的激光束作为热源，照射在填充焊丝表面上，焊丝在光束能量作用下熔化形成高温液态金属，并浸润到被焊零件连接处，与工件间形成良好的冶金结合。

二、 激光钎焊设备

2.1 激光钎焊设备清单

2.2 激光钎焊设备功用描述

激光钎焊工位具有高度的自动化、柔性化。首先，需要激光源来提供焊接热源，为保证激光源内部光学模块及外部光路的性能稳定，需要水冷机对其进行循环冷却。激光源的能量通过一根光纤进行传输，并由一个激光头对光纤进行耦合、准直、聚焦，使得照射在工件表面的是加工所需的激光束。还需要由一台送机自动的、匀速的、稳定的向熔池输送焊丝。由一台机器人带着激光头执行焊接动作。

所有的水、电、气路管线需要由专用的管线包进行束缚管理。考虑到激光的辐射危险，所以需要在一个密闭的激光安全防护房内进行，所有的工艺设备都由一台中央工艺控制柜通过总线统一控制与管理，机器人通总线与上层 PLC 对话，通过总线与下层中央控制柜对话。

三、 激光钎焊设备技术要求

3.1 激光源

激光源又叫激光发生器，其主要功能是为焊接提供激光能量热源。由于光学性能稳定的需要，需要一个独立的水冷却系统对激光发生器内部光学模块、光学系统以及外部光路进行冷却。

3.1.1 技术规范

1） 波长 1.07μm 左右固体激光器，使用光纤传输。

2） 建议 6KW，激光器需有功率模块扩展功能。

3） 分光方式可以实现至少 2-4 路输出（具体采用几路分光方式根据项目确定）。可现场升级改造，可在现场增加或更改光路输出数量和方式。

4） 汽车行业 D 型输出头，可实现光纤即插即用，无需借助外部工具，无需调整。

5） 操作光纤附带编码电缆，建议长度 30 米（根据项目布局确认），芯径 600µm，D 型连接头，一用一备。备用光纤两端接头必须使用生产商的原装保护帽盖住，并使用装有干燥剂的塑料袋保护。

6） 采用标准工业通信接口：支持 Profinet 现场总线接口。

7） 激光源建造恒温光源房（光源房需配备空调、温度计、湿度计）。激光器四周必须要留足空间，在需要维护时，激光器的各柜门和侧面板可以打开，维修人员可以靠近（各面均需留 1m 空间）。各电源线和控制线长度必须足够，允许激光器移动 1m 的距离。

8） 每一路光纤出口都具备激光瞄准导引红光。

9） 可编程功率阶梯功能，可以分别进行升降。

10） 空调房制冷量需满足环境温度要求（25~27℃）。

11) 激光钎焊应用要求到达工件的光源光斑直径≥2*焊丝直径，焊丝直径范围 1.2～1.6mm，即光斑直径在 2.4～3.2mm 之间。

12) 在前期提出需求的情况下，可现场功率升级，直接增加模块。

3.1.2 其它要求

1） 激光光源房配置有空调。

2） 对于光纤等易损件要准备备件，保证生产过程中及时更换。

3） 激光器带可固定的脚轮，在最终的安装位置将支撑落地并调整水平。

4） 激光器功能测试报告（激光器出厂报告）、客户现场光头输出端出光的光学质量测试报告。

5） 配备用于激光源及水冷机运行状态监控及调试的软件。

6） 提供激光源及水冷机设备操作及维护培训。

7） 激光源及水冷机的中/英文版说明书（纸质版与电子版均提供）。

8） 配备一套光纤连接头清洁工具，包含： 柯达擦镜纸、光学清洁棉签、无水异丙醇（Isopropanol）、无水丙酮（Acetone）、罐装洁净压缩气体（无油、无水）。

3.2 激光钎焊头

激光钎焊头的作用是将光纤传输的激光束进行耦合准直、聚焦，再传递到加工区域，同时，配有适用于焊丝接触式焊缝跟踪功能，可以补偿焊接接头在垂直于行进方向上的偏差，可以适应零件高度的波动，带有高度跟踪功能；能通过摄像头观察工作区域，来校准光斑与焊丝的位置。

3.2.1 技术规范

1） 光纤耦合-D 型接头。

2） 光纤直径：600 µm。

3） 带 CROSS JET 防护气帘装置和防碰撞传感器。

4） 光头带准直镜保护镜和聚焦镜的抽屉式保护镜。

5） 通过 Profinet 的通讯系统。

6） 摄像机监控系统，具备摄像机 + 定位栅极 + 滤波处理功能。

7） 具有绝缘套的送丝导管，与送丝机的送丝枪匹配，要求一用一备。

8） 用于气帘、防碰撞传感器的压缩空气，线体商考虑满足过滤器精度的要求。

9） 气帘、防碰撞传感器的气压传感器，可输出二路信号用于中央工艺控制柜的控制和故障报警。

10） 带有 Profinet 通讯接口、气帘、防碰撞传感器的气压调压阀、控制电磁阀等功能的中继盒。

11） 带有可以进行固有参数设置的软件。

12) 镜组设计有独立的水冷系统；

13） 具备保护镜片污损自动检测功能；

14） 伸缩臂可根据焊接材料（钢或铝）选配弹簧或者由伺服电机来控制 Z 向的跟踪；

15） 支持扩展三光斑焊接功能（选配）；

16） 带快速拆卸功能，方便更换激光头；

17） 激光头防碰撞保护装置采用单独气路供气。

18） 在线质量检测模块（选配）

——应具有自动记录焊接过程和判断焊缝表面质量的功能。

——能够实时摄像机成像和实时图像分析。

——同步记录、评价和记录基于图像的数据和过程参数（进给速率等），数据可追溯。

——焊接结束后能够自动判断焊缝表面质量是否满足要求。

——防护等级满足 IP64；可以存储 1T 数据。

3.2.2 其它要求

1） 要求附带将伸缩臂固定在零位的装置。

2） 要求附带校准 TCP 专用的针头。

3） Z 方向伸缩臂具有抱闸功能、Y 方向轴具有保持功能。

4） 保护镜片等易损件要准备备件。每套钎焊头提供保护镜片 20 片供调试使用，单片保护镜片寿命必修大于 300 台/片。

1.3.3 送丝机

送丝机的主要功能是为激光钎焊提供自动送丝，并且保证焊丝的准直度与送进速度的均匀。为了增加焊丝对激光的吸收率，要提供焊丝预热功能；为保证焊丝送丝的匀速性，要提供实时速度监控及反馈功能。

3.3.1 技术规范

1） 推拉式送丝机构（主、从送丝机）。

2） 连接送丝桶-推丝机-拉丝机-送丝枪头之间的集成线缆。

3） 将送丝机及线缆固定在机器人手臂上的专业支撑系统。

4） 送丝枪头要与激光头匹配。

5） 具备钎焊焊丝预热的热丝系统。

6） Profinet 接口及控制线缆。

7） 带有遥控式操作单元或可以配置操作软件进行送丝系统的参数设置、故障诊断和参数存储。

8） 带有焊丝末端监控传感器，焊丝用完可报警。

9） 带有实际送丝速度检测传感器。

10） 带有手动送丝及回退功能。

3.3.2 其它要求

1） 送丝机的冷却水系统集成。

2） 送丝机冷却水提供流量计。

3） 导丝嘴等易损件要准备备件，其中每套钎焊头导丝嘴提供 10 个供调试使用。

4） 调试用焊丝由线体商提供一桶(大桶、至少 100kg)，焊丝品牌为主流合资主机厂使用品牌。

5） 中/英文版说明书（纸质版与电子版均提供）。

3.4 测试台

测试台的主要功能是提供试片的简易工装，用来测试焊接功能以及焊接参数试验；配有 TCP 校准机构，允许机器人校准工具坐标系；配有自动功率测量仪，用于测量工件得到的实际焊接功率。

3.4.1 技术规范

1） 简易工装要求能最大程度的模拟出零件实际的焊接接头的间隙尺寸。

2） 需要有试片焊接的服务程序。

3） 带剪丝机用于焊接完成后将焊丝剪切至标准伸出长度，并配备相应的服务程序。

4） 功率测试需要专门的服务程序。

3.4.2 其它要求

线体商需要提供用于激光焊接测试的试片。

3.5 中央工艺控制柜

中央工艺控制柜通过总线控制激光源、激光钎焊头、送丝机及热丝机，可实现对焊接工艺规范的控制：允许在人机界面上设置激光功率、送丝速度、焊丝预热电流、起弧、收弧的出光及送丝延时、光头的部分参数选择、辅助气体的流量等工艺参数；能监控实时的送丝速度、激光器输出功率、焊丝预热电流等参数；能实时监控机器人、激光器等设备的输入输出状态。

3.5.1 技术规范

1） 为周期性自动检测功率编制服务程序。

2） 配备人机界面，人机界面需要显示所有设备的状态及报警信息。

3） 与机器人之间的就工具状态、工艺状态、服务请求等方面进行通讯。

4） 与激光源之间就开启引导光、发射激光、激光程序号选择等信号进行通讯。

5） 与激光头之间就焊接头的旋轴位置、旋轴侧力、侧向运行区域监控、自动调焦、焦点定位等信号进行通讯。

6） 与送丝系统之间就启动/停止送丝、送丝速度控制、焊丝预热电流、焊丝接触零件等信号进行通讯。

7） 激光源网线接口要引出到中央工艺控制柜。

8） 出光不出丝故障报错。

9） 出丝不出光故障报错。

10） 冷却水故障报错(激光头、激光源、送丝机)。

11） 镜片使用次数报警、报错。

12） 导电嘴使用次数报警、报错。

13） 激光头防碰撞功能报错。

14） 气源故障报错。

15） 剪丝故障报错。

16） 送丝速度故障报错。

17） 热丝故障报错。

18） 没有焊丝故障报错。

19） 激光功率输出故障报错。

20） 机器人故障报错。

21） 安全门、安全光栅、零件检测。

22） 至少提供两种工作模式：正常焊接模式、不带激光模式。

23） 提供三个级别的权限，普通权限：仅具备查看功能；管理权限：具备常用的焊接参数管理功能；高级权限：具备不常用的焊接参数管理功能，具备所有设备固有设备的设置及管理功能。

3.5.2 其它要求

1） 中央工艺控制柜具体配置、功能可向奇瑞确认。

2） 具有工艺需求的：机器人工艺包及 PLC 程序。