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焊接机器人激光加工的原理

2019-8-13 10:33:46

激光雕刻加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理,大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程,包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等;光化学反应加工是指激光束照射到物体,借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。

激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度,靠光热效应来加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小,可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工,如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。 某些具有亚稳态能级的物质,在外来光子的激发下会吸收光能,使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转,若有一束光照射,光子的能量等于这两个能相对应的差,这时就会产生受激辐射,输出大量的光能。

激光加工与其他加工技术相比有其独特的特点和优势,它的主要特点有:

1、非接触加工。激光属于无接触加工,切割不用刀具,切边无机械应力,也无刀具磨损和替换、拆装问题,为此可缩短加工时间;焊接无需电极和填充材料,再加上深熔焊接产生的纯化效应,使得焊缝杂质含量低、纯度高。聚焦激光束具有106~1012W/cm2高功率密度,可以进行高速焊接和高速切割。利用光的无惯性,在高速焊接或切割中可急停和快速启动。

2、对加工材料热影响区小。激光束照射到物体的表面是局部区域,虽然在加工部位的温度较高,产生的热量很大,但加工时的移动速度很快,其热影响的区域很小,对非照射的部位几乎没有影响。在实际热处理、切割、焊接过程中,加工工件基本没有变形。正是激光加工的这一特点,它已被成功地应用于局部热处理和显像管焊接中。

3、加工灵活。激光束易于聚焦、发散和导向,可以很方便地得到不同的光斑尺寸和功率大小,以适应不同的加工要求。并且通过调节外光路系统改变光束的方向,与数控机床、机器人进行连接,构成各种加工系统,可对复杂工件进行加工。激光加工不受电磁干扰,可以在大气环境中进行加工。

4、可以进行微区加工。激光束不仅可以聚焦,而且可以聚焦到波长级光斑,使用这样小的高能量光斑可以进行微区加工。

5、可以透过透明介质对密封容器内的工件进行加工。

6、加工高硬度、高脆性、高熔点的金属及非金属材料。

焊接机器人激光加工的原理

焊接机器人激光加工的原理

激光加工技术

是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等工业领域,对提高产品质量和劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到越来越重要的作用。

焊接机器人激光加工

焊接机器人激光加工是以聚焦的激光束作为热源轰击工件,对金属或非金属工件进行熔化形成小孔、切口、连接、熔覆等的加工方法。激光加工实质上是激光与非透明物质相互作用的过程,微观上是一个量子过程,宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象。

在不同功率密度的激光束照下,材料表面区域发生各种不同的变化,这些变化包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔以及产生光致等离子体等。

1激光功率密度小于数量级

当激光功率密度小于数量级时,金属吸收激光能量只引起材料表层温度升高,但维持固相不变,主要用于零件的表面热处理、相变硬化处理或钎焊等。当激光功率密度在数量级范围时,产生热传导型加热,材料表层将发生熔化,主要用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热传导型焊接(如薄板高速焊及精密点焊等)。

2激光功率密度达到数量级

当激光功率密度达到数量级时,材料表面在激光束的照射下,激光热源中心加热温度达到金属的沸点,形成等离子蒸汽而强烈气化,在气化膨胀压力作用下,液态表面向下凹陷形成深熔小孔;与此同时,金属蒸汽在激光束的作用下电离产生光致等离子体。这一阶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数量级

当激光束功率密度大于数量级时,光致等离子体将逆着激光束的入射方向传播,形成等离子体云团,出现等离子体对激光的屏蔽现象,这一阶段只适用于采用脉冲激光进行打孔、冲击硬化等加工。

激光技工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔、切割和焊接等特种加工。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世纪70年代,随着大功率二氧化碳激光器、高重复频钇铝石榴石激光器的出现,以及对激光加工机理和工艺的深入研究,激光加工技术有了很大进展,适用范围随之扩大。数千瓦的激光加工设备竞相出现,并与光电跟踪、计算机数字控制、工业焊接机器人等技术相结合,大大提高了激光加工的自动化水平和使用功能。

激光加工装备由四大部分组成,分别是激光器、光学系统、机械系统、控制及检测系统。从激光器输出的高强度激光束经过透镜聚焦到工件上,其焦点处的功率密度可达温度高达1万摄氏度以上,任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是YAG固体激光器和二氧化碳气体激光器。由于二氧化碳激光器具有结构简单、输出功率范围大和能量转换效率高等优点,可以广泛用于材料的激光加工。


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