焊接機器人激光加工的原理

來源:焊接與組裝    關鍵詞:激光焊接, 激光加工, 激光器,    發布時間:2019-06-18

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摘要:激光雕刻加工是激光系統最常用的應用。根據激光束與材料相互作用的機理,大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程,包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光鐳射打標、激光鉆孔和微加工等;光化學反應加工是指激光束照射到物體,借助高密度激光高能光子引發或控制光化學反應

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激光雕刻加工是激光系統最常用的應用。根據激光束與材料相互作用的機理,大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程,包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光鐳射打標、激光鉆孔和微加工等;光化學反應加工是指激光束照射到物體,借助高密度激光高能光子引發或控制光化學反應的加工過程。包括光化學沉積、立體光刻、激光雕刻刻蝕等。

激光加工是利用光的能量經過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度,靠光熱效應來加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面變形小,可加工各種材料。用激光束對材料進行各種加工,如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。 某些具有亞穩態能級的物質,在外來光子的激發下會吸收光能,使處于高能級原子的數目大于低能級原子的數目——粒子數反轉,若有一束光照射,光子的能量等于這兩個能相對應的差,這時就會產生受激輻射,輸出大量的光能。

激光加工與其他加工技術相比有其獨特的特點和優勢,它的主要特點有:

1、非接觸加工。激光屬于無接觸加工,切割不用刀具,切邊無機械應力,也無刀具磨損和替換、拆裝問題,為此可縮短加工時間;焊接無需電極和填充材料,再加上深熔焊接產生的純化效應,使得焊縫雜質含量低、純度高。聚焦激光束具有106~1012W/cm2高功率密度,可以進行高速焊接和高速切割。利用光的無慣性,在高速焊接或切割中可急停和快速啟動。

2、對加工材料熱影響區小。激光束照射到物體的表面是局部區域,雖然在加工部位的溫度較高,產生的熱量很大,但加工時的移動速度很快,其熱影響的區域很小,對非照射的部位幾乎沒有影響。在實際熱處理、切割、焊接過程中,加工工件基本沒有變形。正是激光加工的這一特點,它已被成功地應用于局部熱處理和顯像管焊接中。

3、加工靈活。激光束易于聚焦、發散和導向,可以很方便地得到不同的光斑尺寸和功率大小,以適應不同的加工要求。并且通過調節外光路系統改變光束的方向,與數控機床、機器人進行連接,構成各種加工系統,可對復雜工件進行加工。激光加工不受電磁干擾,可以在大氣環境中進行加工。

4、可以進行微區加工。激光束不僅可以聚焦,而且可以聚焦到波長級光斑,使用這樣小的高能量光斑可以進行微區加工。

5、可以透過透明介質對密封容器內的工件進行加工。

6、加工高硬度、高脆性、高熔點的金屬及非金屬材料。

焊接機器人激光加工的原理

焊接機器人激光加工的原理

激光加工技術

是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術。激光加工作為先進制造技術已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等工業領域,對提高產品質量和勞動生產率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到越來越重要的作用。

焊接機器人激光加工

焊接機器人激光加工是以聚焦的激光束作為熱源轟擊工件,對金屬或非金屬工件進行熔化形成小孔、切口、連接、熔覆等的加工方法。激光加工實質上是激光與非透明物質相互作用的過程,微觀上是一個量子過程,宏觀上則表現為反射、吸收、加熱、熔化、氣化等現象。

在不同功率密度的激光束照下,材料表面區域發生各種不同的變化,這些變化包括表面溫度升高、熔化、氣化、形成小孔以及產生光致等離子體等。

1激光功率密度小于數量級

當激光功率密度小于數量級時,金屬吸收激光能量只引起材料表層溫度升高,但維持固相不變,主要用于零件的表面熱處理、相變硬化處理或釬焊等。當激光功率密度在數量級范圍時,產生熱傳導型加熱,材料表層將發生熔化,主要用于金屬的表面重熔、合金化、熔覆和熱傳導型焊接(如薄板高速焊及精密點焊等)。

2激光功率密度達到數量級

當激光功率密度達到數量級時,材料表面在激光束的照射下,激光熱源中心加熱溫度達到金屬的沸點,形成等離子蒸汽而強烈氣化,在氣化膨脹壓力作用下,液態表面向下凹陷形成深熔小孔;與此同時,金屬蒸汽在激光束的作用下電離產生光致等離子體。這一階段主要用于激光束深熔焊接、切割和打孔等。

3激光束功率密度大于數量級

當激光束功率密度大于數量級時,光致等離子體將逆著激光束的入射方向傳播,形成等離子體云團,出現等離子體對激光的屏蔽現象,這一階段只適用于采用脈沖激光進行打孔、沖擊硬化等加工。

激光技工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等特種加工。早期的激光加工由于功率小,大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀70年代,隨著大功率二氧化碳激光器、高重復頻釔鋁石榴石激光器的出現,以及對激光加工機理和工藝的深入研究,激光加工技術有了很大進展,適用范圍隨之擴大。數千瓦的激光加工設備競相出現,并與光電跟蹤、計算機數字控制、工業焊接機器人等技術相結合,大大提高了激光加工的自動化水平和使用功能。

激光加工裝備由四大部分組成,分別是激光器、光學系統、機械系統、控制及檢測系統。從激光器輸出的高強度激光束經過透鏡聚焦到工件上,其焦點處的功率密度可達溫度高達1萬攝氏度以上,任何材料都會瞬時熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應對材料進行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是YAG固體激光器和二氧化碳氣體激光器。由于二氧化碳激光器具有結構簡單、輸出功率范圍大和能量轉換效率高等優點,可以廣泛用于材料的激光加工。

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