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焊接机器人激光焊接原理

2021-11-10 14:08:46

焊接这个行业对人们来说是非常熟悉的,大家一听到焊接就会想到火花四溅、烟雾缭绕的工作车间,随着技术的发展,现在在焊接车间中基本上看不到人工的身影,都是使用机器人进行焊接。

 激光焊接机器人以半导体激光器作为的焊接热源,使得其已越来越广泛地被应用于手机、笔记本电脑等电子设备的摄像头零件的焊接。

 半导体激光器(也称激光二极管(LD))作为激光焊接机器人的焊接热源,使得小型化、高性能的激光焊接机器人系统的应用成为现实。通过激光实行局部非接触式,细小直径加热方式的激光焊接机器人系统解决了细微焊接的一大难题。例如,在电子装置制造中,以往用的焊接机器人对电子组装施以锡钎焊时,必须留有一定空间让烙铁头能伸人至被焊部位进行焊接。随着电子产品小型化的发展,电子部件引脚的间距越来越小(0.3mm间距),集成电路芯片封装元件的引脚间距也从当初的1.0mm发展为0.8mm、0.65mm、0.5mm,甚至0.4mm、0.3mm都已很普遍,并且部件之间的空间也越来越小。

 焊接机器人激光是利用受激辐射实现光的放大原理而产生的一种单色 、方向性聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达10W/㎡的能束,可用焊接、切割及材料表面熔覆的热源。

机器人激光焊接效果

焊接机器人

 焊接机器人激光焊是利用能(可见光或紫外线)作为热源熔化并连接工件的焊接方法。激光能得以实现,不仅是因为激光本身具有极高的能量,更重要的是因为激光能量被高度聚焦到一点,使其能量密度增大。

 激光焊接时,激光照射到被焊材料的表面,与其发生作用,一部分被反射,一部分被吸收,进入材料内部。对于不透明材料,透射光被吸收,金属的线性吸收系数为107~108/m。对于金属,激光在金属表面0.01~0.1m的厚度中被吸收转变成热能,导致金属表面温度升高,再传向金属内部。

 光子轰击金属表面形成蒸气,蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能,则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收,本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时,材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动,使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后,首先产生的是某些质点的过量能量,如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过量的声子,这些原始激发能经过一定过程在转化为热能。

 激光除了与其他光源一样是电磁波外,还具有其他光源不具备的特性,如高方向性、高亮度(光子强度)、高单色性和高相干性。激光焊接加工时,材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间(约为10s)内完成的。在这个时间内,热能仅仅局限于材料的激光辐射区,而后通过热传导,热量由高温区传向低温区。

 金属对激光的吸收,主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。一般来说,金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大,随电阻率的增大而增大。

焊接领域目前主要采用两种激光器:YAG固体激光器(含Nd3+的Yttri-um-Aluminium-Garnet,简称YAG)和二氧化碳气体激光器。


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