大功率激光焊接技术.docx
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大功率激光焊接技术
大功率激光焊接技术（引帖）
1．激光焊接原理
激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。
功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊
接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
其中热传导型激光焊接原理为：
激光辐射加热待加工表面，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、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。
下面重点介绍激光深熔焊接的原理。
激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。
在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。
这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达25000C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。
小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。
孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。
光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。
就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。
上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。
2.激光深熔焊接的主要工艺参数
1）激光功率。
激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。
只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。
如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。
而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。
激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。
焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。
一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。
2）光束焦斑。
光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。
但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。
光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。
最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。
这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。
3）材料吸收值。
材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。
影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：
首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。
CO2激光器的输出波长通常为10.6μm，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高，而金属材料在室温时对它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至气化，它的吸收才急剧增加。
采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法，提高材料对光束的吸收很有效。
4）焊接速度。
焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。
所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。
图10-2给出了1018钢焊接速度与熔深的关系。
5）保护气体。
激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。
氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。
这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。
氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。
但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。
使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。
氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用，主要是由于冶金学方面问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。
使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。
特别在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。
保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。
金属蒸气吸收激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的保护气体也会因受热而电离。
如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。
等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。
通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。
中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而增加电子密度。
表 常用气体和金属的原子（分子）量和电离能
材料氦氩氮铝镁铁
原子（分子）量44028272456
电离能（eV）24.4615.6814.55.967.617.83
从表可知，等离子体云尺寸与采用的保护气体不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。
等离子体尺寸越大，熔深则越浅。
造成这种差别的原因首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸气扩散差别。
氦气电离最小，密度最小，它能很快地驱除从金属熔池产生的上升的金属蒸气。
所以用氦作保护气体，可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高焊接速度；由于质轻而能逸出，不易造成气孔。
当然，从我们实际焊接的效果看，用氩气保护的效果还不错。
等离子云对熔深的影响在低焊接速度区最为明显。
当焊接速度提高时，它的影响就会减弱。
保护气体是通过喷嘴口以一定的压力射出到达工件表面的，喷嘴的流体力学形状和出口的直径大小十分重要。
它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖焊接表面，但为了有效保护透镜，阻止金属蒸气污染或金属飞溅损伤透镜，喷口大小也要加以限制。
流量也要加以控制，否则保护气的层流变成紊流，大气卷入熔池，最终形成气孔。
为了提高保护效果，还可用附加的侧向吹气的方式，即通过一较小直径的喷管将保护气体以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。
保护气体不仅抑制了工件表面的等离子体云，而且对孔内的等离子体及小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比较为理想的焊缝。
但是，此种方法要求精确控制气流量大小、方向，否则容易产生紊流而破坏熔池，导致焊接过程难以稳定。
6）透镜焦距。
焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm（2.5”~10”）焦距的透镜。
聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。
但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。
由于受焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际焊接使用的最短焦深多为焦距126mm（5”）。
当接缝较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可选择254mm（10”）焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔小孔效应，需要更高的激光输出功率（功率密度）。
当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为了避免聚焦透镜遭光学破坏的危险，经常选用反射聚焦方法，一般采用抛光铜镜作反射镜。
由于能有效冷却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。
7）焦点位置。
焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。
焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。
图2-6表示焦点位置对1018钢熔深及缝宽的影响。
在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。
8）激光束位置。
对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。
例如，当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮，正确控制激光束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这种焊缝具有较好的抗裂性。
有些应用场合，被焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束轴线与接头平面间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。
9）焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制。
激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。
当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。
另外，当激光焊层覆盖原先焊缝时，会出现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。
为了防止上述现象发生，可对功率起止点编制程序，使功率起始和终止时间变成可调，即起始功率用电子学方法在一个短时间内从零升至设置功率值，并调节焊接时间，最后在焊接终止时使功率由设置功率逐渐降至零值。
1.激光深熔焊特征及优、缺点
（－）激光深熔焊的特征
1）高的深宽比。
因为熔融金属围着圆柱形高温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊缝就变成深而窄。
2）最小热输入。
因为小孔内的温度非常高，熔化过程发生得极快，输入工件热量很低，热变形和热影响区很小。
3）高致密性。
因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔的熔透焊缝。
焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。
4）强固焊缝。
因为炽热热源和对非金属组分的充分吸收，降低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布。
焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少，使得焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。
5）精确控制。
因为聚焦光点很小，焊缝可以高精确定位。
激光输出无“惯性”，可在高速下急停和重新起始，用数控光束移动技术则可焊接复杂工件。
6）非接触大气焊接过程。
因为能量来自光子束，与工件无物理接触，所以没有外力施加工件。
另外，磁和空气对激光都无影响。
（二）激光深熔焊的优点
1）由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，受热影响区和变形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料。
2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。
3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。
4）由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另外，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工件加工成本。
5）对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动化操作。
（三）激光深熔焊的缺点
1）焊接深度有限。
2）工件装配要求高。
3）激光系统一次性投资较高
提高大型激光加工机器人精度的方法
摘要：
本文介绍了大范围、高精度5轴激光加工机器人系统的研究开发情况。
在提高其绝对精度的前提下，对大范围框架式机器人的结构、高精度机器人的误差补偿方法进行了探讨。
采用有限元分析的方法对机器人本体进行了优化设计，确保了高精度大型激光加工机器人设计的正确性。
基于测量数据，建立了机器人误差模型，对机器人系统误差进行了补偿，取得了较好的结果，保证机器人系统的激光加工精度。
关键词：
激光加工；有限元分析；优化设计；误差模型
1 引言（Introduction）
随着制造业水平的不断提高，激光切割和激光焊接技术已在工业界得到广泛应用，并在一些加工领域显示出明显的优越性。
除激光切割和激光焊接外，激光表面工程、激光快速成型、激光微处理等技术亦日趋成熟，并逐渐应用于一些特殊的工业加工中。
目前激光加工机器人大多为两轴或三轴的机械手，只能进行简单的加工，而复杂曲面的加工则必须由高性能机器人来完成。
针对此种现状，本课题研制了大范围、高精度5轴激光加工机器人，它可以完成复杂曲面的加工。
该机器人系统具有如下特点：
机器人本体采用高刚度框架式结构，平衡式设计，交流伺服驱动，高精度绝对码盘检测反馈。
机器人控制器采用工业级嵌入式CPU，进一步提高控制器的运算能力，缩短控制周期，提高插补精度，保证机器人的检测精度和控制精度。
建立了机器人误差模型，解决了机器人系统的误差补偿问题，实现了机器人的高精度加工。
2 总体设计方案（Schemedesign）
研制大范围、高精度5轴框架式机器人系统，既要保证系统的先进性，同时又要考虑其实用性和可靠性。
由于机器人系统行程的加大，精度的大幅度提高，在机器人的基本结构形式、传动系统的配置方式、关键部件如一体化传动装置、交流伺服电机的选用等方面，均采取了诸多技术措施来达到性能指标的要求。
同时对机器人的检测系统和机器人控制系统进行了特殊设计，保证了机器人整体系统的高精度和高性能。
2.1 特殊设计和技术措施
（1）Y轴传动采用双传动型，来减少由于Z轴的倾斜引起的误差；
（2）腕部自由度的配置做了较大的改变，解决激光头与A轴同心度带来的误差，并加入了激光头姿态的调整功能；
（3）X、Y梁采取了提高刚度的措施，Z梁立柱由2个增加至3个，以提高其刚度系数；
（4）X轴、Z轴一体化传动装置的动力桥，采用加长形，由340mm长改为500mm长，提高装置的承载能力，减少变形的影响；
（5）Y轴采用弃荷装置，以减小X轴一体化传动装置的负载，同时加大X轴驱动电机的功率；
（6）增加了X轴、Y轴一体化传动装置的侧向直线度的整体功能，达到垂直方向的直线度由梁的平面度保证，侧向直线度由调整保证；
（7）X梁、Y梁采用严格加工工艺，确保性能稳定和高精度：
专做的特种钢管、合理的焊接工艺、人工时效处理、导轨磨床精加工等。
2.2 优化设计
在激光加工机器人的开发过程中，采用SolidEdge进行三维CAD设计，并通过有限元软件进行模拟分析，依据分析结果进行设计修改和优化。
由于采用先进的设计手段，确保了机器人本体的优化设计，为提高机器人的整体精度奠定了基础。
图1 激光加工机器人外型图
3 关键部件的有限元分析（Finiteelementanalysisofkeyparts）
在激光加工机器人的设计过程中，对其关键部件x梁、y梁和z梁支架用软件进行了有限元模拟分析。
模拟分析是按照梁在最大承载的位置进行计算，这样可以保证在任何位置都有较高的安全系数。
3.1 模拟分析过程
在模拟分析过程中，对x梁的简化最大，将三维模型转化成二维图形来分析，主要是因为x梁的结构比较简单而且规则，受力情况也比较简单。
我们选择的单元类型是BEAM189，这种单元的精度比较高，另外，还引入了截面特性这个参数，所以，我们认为结果的准确性还是值得信任的。
这样可以省掉复杂的建模过程，将主要精力用在结果的分析上。
对y梁的分析也采用了简化，但是采用了实体建模，y梁的结构相对比较复杂，而且受力也很复杂，采用的单元是SOLID45，单元的精度适中，考虑到y梁的长度，如果采用复杂的单元并细分网格，可能增加求解的困难，并延长计算的时间。
在准确度和效率之间应该有一个合理的分配，采用三维实体模型就可以大大提高精度，所以在单元类型和网格划分的选择上，可以稍微粗糙一些，这样并不降低精度，并且能提高计算效率。
z梁支架是一个很关键的部件，所以，我们在尽量不简化的情况下对其进行了模拟，倒角、连接过渡和螺纹必须要简化掉，否则，这些部位可能增加相当多的单元数，增加计算量，甚至导致求解的失败。
3.2 模拟结果分析
3.2.1 x梁
x梁的模拟结果如图2所示，通过模拟的结果我们可以看出，在受力方向上，最大的应变是0.6×10-5m，这说明我们的变形是在允许的范围之内的。
图2 x梁在受力方向的应变分布
3.2.2 y梁
y梁的模拟结果如图3所示，通过模拟的结果可以看出，在受力方向上，y轴的最大变形是0.15×10-7m，完全能够满足实际工作中精度的要求。
在受力方向上，y梁受到的应力最大也只有300N左右。
图3 y梁在受力方向的应变分布
3.2.3 z梁支架
z梁支架的模拟需要很详细，因为这个支架结构比较复杂，而且受力很大，它的变形直接影响到z梁的精度，所以，我们对其在各个方向的应力和应变都进行了分析。
如图4、5、6所示为z梁支架在x、y、z3个方向的应变图。
图7、8、9为z梁支架在x、y、z3个方向的应力图。
图4 z梁支架在x方向的应变分布
图5 z梁支架在y方向的应变分布
图6 z梁支架在z方向的应变分布
图7 z梁支架在x方向的应力分布
图8 z梁支架在y方向的应力分布
图9 z梁支架在z方向的应力分布
在图中，x方向跟x梁的方向是一致的，y方向即是y梁的方向，z方向是垂直向下的。
在图4中，我们可以看到，在各个支撑板上，都承受了很大的应力，因而变形量也很大。
而图5则说明由于z梁的作用力，使得固定z梁的板发生了变形，在模拟中，我们可以得到最大变形是0.2×10-8m，这样就保证了z梁的垂直度。
图6是z梁支架在垂直方向即z方向上的变形，通过应变的分布可以看出，z梁固定板在z方向上的变形很小，而且比较相近，大约在0.2～0.7×10-9m左右，对垂直方向的尺寸精度影响很小。
图7、8、9则是从应力方面来说明这个问题。
总之，从应力和应变两方面的分析结果来看，我们对z梁支架这个关键的零件的设计是合理的。
4 机器人误差模型（Roboterrormodel）
4.1 误差补偿方法
在进行机器人误差补偿及标定时，首先要考虑机器人的精度问题。
在示教再现作业方式下，操作者移动机器人末端执行器到指定位置，然后通过机器人控制器记录下此时末端执行器的位姿，通常就是电机的码盘值。
然后，机器人可以“再现”已经记录的运动方式和编程顺序。
在这种编程方式下，机器人的重复精度是主要的特性参数，现在大多数商品化工业机器人都是以这种方式工作，其重复精度在整个工作空间上都可以达到毫米数量级。
因此，就精度问题来说，示教再现方式可以使机器人很好的工作。
而对于激光加工机器人来说，它的工作方式不是采用示教再现方式，而是采用离线编程方式，这时机器人的绝对精度成为关键指标。
一般而言，机器人的绝对精度要比重复精度低一到两个数量级，在如此低的精度下，机器人是无论如何也不能满足工作需要。
造成这种情况的原因主要是机器人控制器根据机器人的运动学模型来确定机器人末端执行器的位置，而这个理论上的模型与实际机器人的物理模型存在一定误差。
因此，对机器人运动学模型进行误差补偿进而提高机器人的绝对精度是目前机器人技术领域急需解决的问题。
一般情况下，机器人误差分为几何误差和非几何误差。
其中几何误差包括杆件参数误差，理论参考坐标系与实际基准坐标系的误差、关节轴线的不平行度、零位偏差等；非几何因素包括关节和连杆的弹性形变、齿轮间隙、齿轮传动误差、热形变等。
如果对机器人的几何误差进行了很好的补偿，绝对精度就可以大大提高，只有对于特定的需要提高绝对精度的应用时才考虑进行非几何误差的补偿。
要提高机器人的绝对精度，可以从两方面入手，一是采用“避免”误差的方法，即针对产生机器人误差的各种误差源，采用高精密加工手段加工机器人各零部件，结合高精密装配技术进行装配。
二是采用综合补偿技术，即采用现代的测量手段，对所测得的数据进行分析，辅以适当的补偿算法，对机器人的误差进行补偿以达到减小误差的目的。
由于激光加工机器人的精度要求很高，需要采用多种方法进行误差综合补偿。
首先采用“避免”误差的方法。
在机器人的结构设计中，采用合理的结构，使机器人的变形尽可能小。
在加工制造过程中，关键的部件采用高精度的加工技术和装配工艺。
但是该方法对机器人经过运行，产生由于机械磨损、元件性能降低以及构件自身动态特性等因素带来的误差则无能为力。
其次通过综合补偿技术来进一步提高机器人精度。
即根据实际测量的机器人误差，在机器人模型中引入恰当的补偿算法，来减小机器人的误差，实现改善和提高机器人精度的目的。
4。
2 机器人误差模型的建立
运动学模型的选择是决定机器人绝对精度的重要因素之一。
它必须正确地对影响机器人末端位姿的各种因素建模。
增加运动学模型的复杂度有助于提高机器人的绝对精度，但是也要付出降低机器人性能中其它特性的代价，因此建模时要综合考虑各方面的因素。
激光加工机器人为框架结构的机器人，我们认为采用网格化的误差补偿方法较合适，该方法可以补偿机器人几何误差和某些非几何误差。
根据机器人补偿精度的要求，可以把激光加工机器人工作空间划分为网格如图10所示。
根据不同的补偿精度的要求，网格的疏密程度可以不同。
实际的网格划分为14×11×9。
图10 机器人工作空间网格划分图
X方向的误差补偿公式
Y方向的误差补偿公式
Z方向的误差补偿公式
其中Li、Lj、Lk分别为X方向、Y方向和Z方向的网
格点，Lxi、Lyj、Lzk分别为X方向、Y方向和Z方向的
位置补偿值。
在机器人系统未补偿前，机器人系统的最大误差为0.2mm，经过补偿后的机器人误差为0.04mm，完全满足机器人激光加工精度的要求。
5 结论（Conclusion）
目前激光加工机器人完成调试，运行结果表明系统完全达到预期指标。
该机器人准备用于汽车大型模具的表面激光处理，现在正在进行激光加工处理工艺实验。
不远的将来即可达到实用化程度，投入实际使用。
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447-450
作者简介：
曲道奎（1961-），男，研究员、博导。
研究领域：
机器人学，智能控制。
徐 方（1962-），男，研究员。
研究领域：
机器人学，自动控制。
（end）
激光切割中的焦点位置检测方法研究
引言
激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、热效应低、无污染、无噪音等优点，在汽车、船舶、航空航天和电子工业中都得到了广泛的应用。
而激光切割加工质量与激光焦点与工件之间的相对位置有着密切的关系，保证激光焦点和切割对象之间的合理的相对位置是保证激光切割加工质量的关键之一。
激光聚焦的焦点位置无法直接测量，但可以通过间接方法检测。
对于一个激光切割加工系统，其焦点位置是由聚焦镜的光学焦点决定的，所以在聚焦镜一定情况下其位置是不变的（不考虑聚焦镜的热效应），因此可以通过检测聚焦镜和被加工对象之间的
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