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【沐鸣2代理注册】光束质量的连续监测可促进绿色和蓝色激光进行高质量焊接

绿色和蓝色激光器提供了许多可能性,特别是在焊接铜的领域。但是,工业用途需要一个稳定的过程结果,因此需要对激光束工具进行持续监测。

电动汽车需要强大的电池和车辆中的基础设施,而这离不开铜的使用。但用红外线(IR)激光器焊接可能太慢,可能有高能耗,并导致焊缝的质量问题。即便如此,对于需要短周转时间和高可靠性的自动化生产过程来说,激光通常是首选工具,特别是对于铝和铜的安全连接来说。

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对红外激光器的担心是,铜只吸收了激光束中约5%的红外辐射,因此需要相应的高额激光能量来启动焊接过程。如果焊缝池存在,它比固体铜吸收更多的红外能量。熔融焊缝中的这种过剩能量会导致金属蒸发并形成气泡,这就是会导致飞溅、孔隙,从而降低部件的质量和功能。

绿色和蓝色范围内的光被有色金属吸收的效率比红外辐射高20倍,所以熔化需要的能量明显减少。这为薄板或薄片的可控焊接提供了充分的工业加工窗口。

具有工业应用所需适当功率的绿色激光器通常是波长在515纳米和532纳米之间的倍频红外激光器。它们的缺点是,与红外激光器相比,它们的效率较低,在制造过程中可能会损失功率,并且需要昂贵的冷却和复杂的光学设置。

蓝光激光器则没有这些限制。氮化镓(GaN)和氮化镓铟(InGaN)是半导体材料,它们本身就能提供蓝光,但每个二极管的功率只有几瓦。然而,为了使蓝光激光器的输出达到千瓦级,业界已经开发了几个概念。这里只介绍两个。

在联合研究项目BlauLas中,欧司朗和Laserline开发了激光棒,将多个横向激光器组合成一个部件。然后,这种条形激光器可以叠加在一起,进一步提高这些系统的功率。

Nuburu结合了单体发射器,其寿命比条形激光器长,但其寿命通常对工业应用来说足够长。而且,单发射器的光束质量更高。然而,目前的蓝色激光器可提供1.5至2千瓦的功率,由于其结构原因,其光束质量低于绿色激光器。

不管是堆叠棒还是捆绑单个二极管,监测光束质量是一个复杂的问题。现实情况是,如果不对绿色和蓝色激光器进行修改,熟悉的监测红外激光器光束质量的系统就不能继续使用。

焊接参数的可靠监测

由于受到偏转镜、导光板、聚焦单元等的影响,即使是最初理想的激光束在到达机器人手上的加工点时也会发生变化。为了保证焊接质量的可重复性,在整个生产过程中,诸如光束功率、光束直径和焦点位置等参数必须始终是已知的。因此,与焊缝的破坏性测试相比,对这些参数的定期检查可以大大降低生产成本,节省时间。

一些公司已经致力于满足这一需求。PRIMES GmbH(德国Pfungstadt),通过其FocusParameterMonitor(FPM)工具,能够同时确定功率、光束位置、光束尺寸,以及在1千瓦/平方厘米到50兆瓦/平方厘米的广泛功率密度范围内的分布。通过可用的现场总线接口,这样的测量设备可以被集成到生产网络中,并简化了测量数据的传输。

另一种方法是使用机械扫描系统。由于内部探测器不同,它们可以在许多环境中使用,并允许测量近红外、绿色和蓝色激光束。

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光束监测也可以用使用瑞利散射的系统进行。然而,它不可能确定光束分布。此外,它仅限于非常高的功率密度和980至1080纳米的波长范围,最小功率密度为2MW/cm2。因此,一些过程不能被监测。

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图1.带有打开快门的光束测量系统的入口光圈。

随着具有足够功率的绿色和蓝色激光器的出现,可供工业使用,测量装置的光学机械设计被修改,内部光学器件也根据波长进行了调整。

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图2. FPM的重量接近10公斤,是快速测定激光功率和光束尺寸领域的一个既定传感器。

坚固、紧凑的测量系统

在一个可靠的测量设备的光束输入端,一个电子快门(见图1和图2)和一个保护玻璃对保护仪器不受污染很有帮助。激光束通过一个偏转镜进入设备,并被分成一束用于测量激光束功率的光束和一束用于确定光束轮廓和几何尺寸的单独光束。

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图3. 功率密度的分布和光束的位置可以通过CCD传感器测量。

一般来说,CCD传感器会分析功率密度的分布(见图3和图4)和光束位置。在测量过程中,有必要将激光器的聚焦头移动到相应的测量位置,并在测量后返回。之后,聚焦头又可以正常工作。测量的频率由用户决定,该数据在控制系统中指定。

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图4. 现在可以用绿色和蓝色激光器测量激光功率、光束传播焦点尺寸和光束位置等重要参数。

在监测激光束的过程中,应该注意到激光束通常不是圆形的,因此必须考虑到它在X和Y方向的尺寸。为了将该系统整合到生产线上,大约5秒钟的测量时间对于确保捕获全部光束是很有用的。符合标准的光束位置和光束传播的测量需要记录传播方向上不同位置的功率密度分布。要做到这一点,机器人轴与测量设备的可靠连接是必不可少的。

公司喜欢用于状态监测的紧凑型测量系统,可以通过即插即用的安装方式实现。同样重要的是,该系统通过适当的现场总线接口直接集成到过程控制系统中,并能在很短的时间内传输完整的数据集。

在传统的波长范围内,用于光束诊断的系统已经证明了自己,现在,它们必须适合绿色激光器和蓝色激光器。

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