大功率激光焊接技術(shù)

1、大功率激光焊接技術(shù)(引帖)1激光焊接原理激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊 接速度慢；功率密度大于105107 W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)。其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機(jī)主要涉及激光深熔焊接。下面重點(diǎn)介紹激光深熔焊接的原理。激光深熔焊接一般采

2、用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過(guò)程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過(guò)“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來(lái)完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500 0C左右，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過(guò)程和激光傳導(dǎo)焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）。孔壁外液體流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持

3、著動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說(shuō)，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬充填著小孔移開(kāi)后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過(guò)程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。2. 激光深熔焊接的主要工藝參數(shù)1)激光功率。激光焊接中存在一個(gè)激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達(dá)到或超過(guò)此值，熔深會(huì)大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過(guò)閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會(huì)產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。而當(dāng)激光功

4、率密度處于小孔形成的臨界條件附近時(shí)，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進(jìn)行，成為不穩(wěn)定焊接過(guò)程，導(dǎo)致熔深波動(dòng)很大。激光深熔焊時(shí)，激光功率同時(shí)控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。2)光束焦斑。光束斑點(diǎn)大小是激光焊接的最重要變量之一，因?yàn)樗鼪Q定功率密度。但對(duì)高功率激光來(lái)說(shuō)，對(duì)它的測(cè)量是一個(gè)難題，盡管已經(jīng)有很多間接測(cè)量技術(shù)。光束焦點(diǎn)衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計(jì)算，但由于聚焦透鏡像差的存在，實(shí)際光斑要比計(jì)算值偏大。最簡(jiǎn)單的實(shí)測(cè)方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測(cè)量焦斑和穿孔直徑。這種

5、方法要通過(guò)測(cè)量實(shí)踐，掌握好激光功率大小和光束作用的時(shí)間。3)材料吸收值。材料對(duì)激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導(dǎo)率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等，其中最重要的是吸收率。影響材料對(duì)激光光束的吸收率的因素包括兩個(gè)方面：首先是材料的電阻系數(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)材料拋光表面的吸收率測(cè)量發(fā)現(xiàn)，材料吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比，而電阻系數(shù)又隨溫度而變化；其次，材料的表面狀態(tài)（或者光潔度）對(duì)光束吸收率有較重要影響，從而對(duì)焊接效果產(chǎn)生明顯作用。CO2激光器的輸出波長(zhǎng)通常為10.6m，陶瓷、玻璃、橡膠、塑料等非金屬對(duì)它的吸收率在室溫就很高，而金屬材料在室溫時(shí)對(duì)它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至氣化，它的吸

6、收才急劇增加。采用表面涂層或表面生成氧化膜的方法，提高材料對(duì)光束的吸收很有效。4)焊接速度。焊接速度對(duì)熔深影響較大，提高速度會(huì)使熔深變淺，但速度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)度熔化、工件焊穿。所以，對(duì)一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個(gè)合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。圖10-2給出了1018鋼焊接速度與熔深的關(guān)系。5)保護(hù)氣體。激光焊接過(guò)程常使用惰性氣體來(lái)保護(hù)熔池，當(dāng)某些材料焊接可不計(jì)較表面氧化時(shí)則也可不考慮保護(hù)，但對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護(hù)，使工件在焊接過(guò)程中免受氧化。氦氣不易電離（電離能量較高），可讓激光順利通過(guò)，光束能量不受阻礙地直達(dá)工件表面。這是激光

7、焊接時(shí)使用最有效的保護(hù)氣體，但價(jià)格比較貴。氬氣比較便宜，密度較大，所以保護(hù)效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離，結(jié)果屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接的有效激光功率，也損害焊接速度與熔深。使用氬氣保護(hù)的焊件表面要比使用氦氣保護(hù)時(shí)來(lái)得光滑。氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體最便宜，但對(duì)某些類(lèi)型不銹鋼焊接時(shí)并不適用，主要是由于冶金學(xué)方面問(wèn)題，如吸收，有時(shí)會(huì)在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔。使用保護(hù)氣體的第二個(gè)作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時(shí)，由于其噴出物變得非常有力，此時(shí)保護(hù)透鏡則更為必要。保護(hù)氣體的第三個(gè)作用是對(duì)驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽很有效。金屬蒸氣吸收激光束電離成等離子云

8、，金屬蒸氣周?chē)谋Ｗo(hù)氣體也會(huì)因受熱而電離。如果等離子體存在過(guò)多，激光束在某種程度上被等離子體消耗。等離子體作為第二種能量存在于工作表面，使得熔深變淺、焊接熔池表面變寬。通過(guò)增加電子與離子和中性原子三體碰撞來(lái)增加電子的復(fù)合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高；另一方面，只有電離能高的保護(hù)氣體，才不致因氣體本身的電離而增加電子密度。表 常用氣體和金屬的原子(分子)量和電離能材料 氦 氬 氮 鋁 鎂 鐵原子(分子)量 4 40 28 27 24 56電離能(eV) 24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83從表可知，等離子體云尺寸與采用的保護(hù)

9、氣體不同而變化，氦氣最小，氮?dú)獯沃褂脷鍤鈺r(shí)最大。等離子體尺寸越大，熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同，另外也由于保護(hù)氣體不同密度引起金屬蒸氣擴(kuò)散差別。氦氣電離最小，密度最小，它能很快地驅(qū)除從金屬熔池產(chǎn)生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護(hù)氣體，可最大程度地抑制等離子體，從而增加熔深，提高焊接速度；由于質(zhì)輕而能逸出，不易造成氣孔。當(dāng)然，從我們實(shí)際焊接的效果看，用氬氣保護(hù)的效果還不錯(cuò)。等離子云對(duì)熔深的影響在低焊接速度區(qū)最為明顯。當(dāng)焊接速度提高時(shí)，它的影響就會(huì)減弱。保護(hù)氣體是通過(guò)噴嘴口以一定的壓力射出到達(dá)工件表面的，噴嘴的流體力學(xué)形狀和出口的直徑大小十分重要。它必須以足夠大

10、以驅(qū)使噴出的保護(hù)氣體覆蓋焊接表面，但為了有效保護(hù)透鏡，阻止金屬蒸氣污染或金屬飛濺損傷透鏡，噴口大小也要加以限制。流量也要加以控制，否則保護(hù)氣的層流變成紊流，大氣卷入熔池，最終形成氣孔。為了提高保護(hù)效果，還可用附加的側(cè)向吹氣的方式，即通過(guò)一較小直徑的噴管將保護(hù)氣體以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保護(hù)氣體不僅抑制了工件表面的等離子體云，而且對(duì)孔內(nèi)的等離子體及小孔的形成施加影響，熔深進(jìn)一步增大，獲得深寬比較為理想的焊縫。但是，此種方法要求精確控制氣流量大小、方向，否則容易產(chǎn)生紊流而破壞熔池，導(dǎo)致焊接過(guò)程難以穩(wěn)定。6)透鏡焦距。焊接時(shí)通常采用聚焦方式會(huì)聚激光，一般選用63254mm(2.5”10”

11、)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距長(zhǎng)短也影響焦深，即焦深隨著焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必須精確保持透鏡與工件的間距，且熔深也不大。由于受焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物和激光模式的影響，實(shí)際焊接使用的最短焦深多為焦距126mm(5”)。當(dāng)接縫較大或需要通過(guò)加大光斑尺寸來(lái)增加焊縫時(shí)，可選擇254mm(10”)焦距的透鏡，在此情況下，為了達(dá)到深熔小孔效應(yīng)，需要更高的激光輸出功率（功率密度）。當(dāng)激光功率超過(guò)2kW時(shí)，特別是對(duì)于10.6m的CO2激光束，由于采用特殊光學(xué)材料構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，為了避免聚焦透鏡遭光學(xué)破壞的危險(xiǎn)，經(jīng)常選用反射聚焦方法，一般采用拋光

12、銅鏡作反射鏡。由于能有效冷卻，它常被推薦用于高功率激光束聚焦。7)焦點(diǎn)位置。焊接時(shí)，為了保持足夠功率密度，焦點(diǎn)位置至關(guān)重要。焦點(diǎn)與工件表面相對(duì)位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。圖2-6表示焦點(diǎn)位置對(duì)1018鋼熔深及縫寬的影響。在大多數(shù)激光焊接應(yīng)用場(chǎng)合，通常將焦點(diǎn)的位置設(shè)置在工件表面之下大約所需熔深的1/4處。8)激光束位置。對(duì)不同的材料進(jìn)行激光焊接時(shí)，激光束位置控制著焊縫的最終質(zhì)量，特別是對(duì)接接頭的情況比搭接結(jié)頭的情況對(duì)此更為敏感。例如，當(dāng)淬火鋼齒輪焊接到低碳鋼鼓輪，正確控制激光束位置將有利于產(chǎn)生主要有低碳組分組成的焊縫，這種焊縫具有較好的抗裂性。有些應(yīng)用場(chǎng)合，被焊接工件的幾何形狀需要激光束偏

13、轉(zhuǎn)一個(gè)角度，當(dāng)光束軸線與接頭平面間偏轉(zhuǎn)角度在100度以內(nèi)時(shí)，工件對(duì)激光能量的吸收不會(huì)受到影響。9)焊接起始、終止點(diǎn)的激光功率漸升、漸降控制。激光深熔焊接時(shí)，不管焊縫深淺，小孔現(xiàn)象始終存在。當(dāng)焊接過(guò)程終止、關(guān)閉功率開(kāi)關(guān)時(shí)，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外，當(dāng)激光焊層覆蓋原先焊縫時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對(duì)激光束過(guò)度吸收，導(dǎo)致焊件過(guò)熱或產(chǎn)生氣孔。為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，可對(duì)功率起止點(diǎn)編制程序，使功率起始和終止時(shí)間變成可調(diào)，即起始功率用電子學(xué)方法在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)從零升至設(shè)置功率值，并調(diào)節(jié)焊接時(shí)間，最后在焊接終止時(shí)使功率由設(shè)置功率逐漸降至零值。1. 激光深熔焊特征及優(yōu)、缺點(diǎn)（）激光深熔焊的特征1) 高的深寬比。因?yàn)槿廴诮饘賴鴪A

14、柱形高溫蒸氣腔體形成并延伸向工件，焊縫就變成深而窄。2) 最小熱輸入。因?yàn)樾】變?nèi)的溫度非常高，熔化過(guò)程發(fā)生得極快，輸入工件熱量很低，熱變形和熱影響區(qū)很小。3) 高致密性。因?yàn)槌錆M高溫蒸氣的小孔有利于焊接熔池?cái)嚢韬蜌怏w逸出，導(dǎo)致生成無(wú)氣孔的熔透焊縫。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織細(xì)微化。4) 強(qiáng)固焊縫。因?yàn)闊霟釤嵩春蛯?duì)非金屬組分的充分吸收，降低雜質(zhì)含量、改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布。焊接過(guò)程無(wú)需電極或填充焊絲，熔化區(qū)受污染少，使得焊縫強(qiáng)度、韌性至少相當(dāng)于甚至超過(guò)母體金屬。5) 精確控制。因?yàn)榫劢构恻c(diǎn)很小，焊縫可以高精確定位。激光輸出無(wú)“慣性”，可在高速下急停和重新起始，用數(shù)控光束移動(dòng)技術(shù)則可焊

15、接復(fù)雜工件。6) 非接觸大氣焊接過(guò)程。因?yàn)槟芰縼?lái)自光子束，與工件無(wú)物理接觸，所以沒(méi)有外力施加工件。另外，磁和空氣對(duì)激光都無(wú)影響。（二）激光深熔焊的優(yōu)點(diǎn)1) 由于聚焦激光比常規(guī)方法具有高得多的功率密度，導(dǎo)致焊接速度快，受熱影響區(qū)和變形都很小，還可以焊接鈦等難焊的材料。2) 因?yàn)楣馐菀讉鬏敽涂刂?，又不需要?jīng)常更換焊槍、噴嘴，又沒(méi)有電子束焊接所需的抽真空，顯著減少停機(jī)輔助時(shí)間，所以有荷系數(shù)和生產(chǎn)效率都高。3) 由于純化作用和高的冷卻速度，焊縫強(qiáng)度、韌性和綜合性能高。4) 由于平均熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費(fèi)用；另外，激光焊接運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也較低，從而可降低工件加工成本。5) 對(duì)光束強(qiáng)度和精細(xì)定位

16、能有效控制，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。（三）激光深熔焊的缺點(diǎn)1) 焊接深度有限。2) 工件裝配要求高。3) 激光系統(tǒng)一次性投資較高提高大型激光加工機(jī)器人精度的方法摘要：本文介紹了大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)情況。在提高其絕對(duì)精度的前提下，對(duì)大范圍框架式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、高精度機(jī)器人的誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行了探討。采用有限元分析的方法對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了高精度大型激光加工機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性?；跍y(cè)量數(shù)據(jù)，建立了機(jī)器人誤差模型，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，取得了較好的結(jié)果，保證機(jī)器人系統(tǒng)的激光加工精度。 關(guān)鍵詞：激光加工；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；誤差模型 1引言(Introducti

17、on) 隨著制造業(yè)水平的不斷提高，激光切割和激光焊接技術(shù)已在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，并在一些加工領(lǐng)域顯示出明顯的優(yōu)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、激光微處理等技術(shù)亦日趨成熟，并逐漸應(yīng)用于一些特殊的工業(yè)加工中。 目前激光加工機(jī)器人大多為兩軸或三軸的機(jī)械手，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工，而復(fù)雜曲面的加工則必須由高性能機(jī)器人來(lái)完成。針對(duì)此種現(xiàn)狀，本課題研制了大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人，它可以完成復(fù)雜曲面的加工。該機(jī)器人系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：機(jī)器人本體采用高剛度框架式結(jié)構(gòu)，平衡式設(shè)計(jì)，交流伺服驅(qū)動(dòng)，高精度絕對(duì)碼盤(pán)檢測(cè)反饋。機(jī)器人控制器采用工業(yè)級(jí)嵌入式CPU，進(jìn)一步提高控制器的運(yùn)算能力，縮

18、短控制周期，提高插補(bǔ)精度，保證機(jī)器人的檢測(cè)精度和控制精度。建立了機(jī)器人誤差模型，解決了機(jī)器人系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的高精度加工。 2總體設(shè)計(jì)方案(Schemedesign) 研制大范圍、高精度5軸框架式機(jī)器人系統(tǒng)，既要保證系統(tǒng)的先進(jìn)性，同時(shí)又要考慮其實(shí)用性和可靠性。由于機(jī)器人系統(tǒng)行程的加大，精度的大幅度提高，在機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式、關(guān)鍵部件如一體化傳動(dòng)裝置、交流伺服電機(jī)的選用等方面，均采取了諸多技術(shù)措施來(lái)達(dá)到性能指標(biāo)的要求。同時(shí)對(duì)機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，保證了機(jī)器人整體系統(tǒng)的高精度和高性能。 2.1特殊設(shè)計(jì)和技術(shù)措施 (1)Y軸傳動(dòng)采用雙傳

19、動(dòng)型，來(lái)減少由于Z軸的傾斜引起的誤差； (2)腕部自由度的配置做了較大的改變，解決激光頭與A軸同心度帶來(lái)的誤差，并加入了激光頭姿態(tài)的調(diào)整功能； (3)X、Y梁采取了提高剛度的措施，Z梁立柱由2個(gè)增加至3個(gè)，以提高其剛度系數(shù)； (4)X軸、Z軸一體化傳動(dòng)裝置的動(dòng)力橋，采用加長(zhǎng)形，由340mm長(zhǎng)改為500mm長(zhǎng)，提高裝置的承載能力，減少變形的影響； (5)Y軸采用棄荷裝置，以減小X軸一體化傳動(dòng)裝置的負(fù)載，同時(shí)加大X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率； (6)增加了X軸、Y軸一體化傳動(dòng)裝置的側(cè)向直線度的整體功能，達(dá)到垂直方向的直線度由梁的平面度保證，側(cè)向直線度由調(diào)整保證； (7)X梁、Y梁采用嚴(yán)格加工工藝，確保性能穩(wěn)

20、定和高精度：專(zhuān)做的特種鋼管、合理的焊接工藝、人工時(shí)效處理、導(dǎo)軌磨床精加工等。 2.2優(yōu)化設(shè)計(jì) 在激光加工機(jī)器人的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用SolidEdge進(jìn)行三維CAD設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元軟件進(jìn)行模擬分析，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化。由于采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，確保了機(jī)器人本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高機(jī)器人的整體精度奠定了基礎(chǔ)。 圖1激光加工機(jī)器人外型圖3關(guān)鍵部件的有限元分析(Finiteelementanalysisofkeyparts) 在激光加工機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其關(guān)鍵部件x梁、y梁和z梁支架用軟件進(jìn)行了有限元模擬分析。模擬分析是按照梁在最大承載的位置進(jìn)行計(jì)算，這樣可以保證在任何位置都有較高的安全系

21、數(shù)。 3.1模擬分析過(guò)程 在模擬分析過(guò)程中，對(duì)x梁的簡(jiǎn)化最大，將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖形來(lái)分析，主要是因?yàn)閤梁的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單而且規(guī)則，受力情況也比較簡(jiǎn)單。我們選擇的單元類(lèi)型是BEAM189，這種單元的精度比較高，另外，還引入了截面特性這個(gè)參數(shù)，所以，我們認(rèn)為結(jié)果的準(zhǔn)確性還是值得信任的。這樣可以省掉復(fù)雜的建模過(guò)程，將主要精力用在結(jié)果的分析上。 對(duì)y梁的分析也采用了簡(jiǎn)化，但是采用了實(shí)體建模，y梁的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，而且受力也很復(fù)雜，采用的單元是SOLID45，單元的精度適中，考慮到y(tǒng)梁的長(zhǎng)度，如果采用復(fù)雜的單元并細(xì)分網(wǎng)格，可能增加求解的困難，并延長(zhǎng)計(jì)算的時(shí)間。在準(zhǔn)確度和效率之間應(yīng)該有一個(gè)合理的分配，

22、采用三維實(shí)體模型就可以大大提高精度，所以在單元類(lèi)型和網(wǎng)格劃分的選擇上，可以稍微粗糙一些，這樣并不降低精度，并且能提高計(jì)算效率。 z梁支架是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，所以，我們?cè)诒M量不簡(jiǎn)化的情況下對(duì)其進(jìn)行了模擬，倒角、連接過(guò)渡和螺紋必須要簡(jiǎn)化掉，否則，這些部位可能增加相當(dāng)多的單元數(shù)，增加計(jì)算量，甚至導(dǎo)致求解的失敗。 3.2模擬結(jié)果分析 3.2.1x梁 x梁的模擬結(jié)果如圖2所示，通過(guò)模擬的結(jié)果我們可以看出，在受力方向上，最大的應(yīng)變是0.6×10-5m，這說(shuō)明我們的變形是在允許的范圍之內(nèi)的。 圖2x梁在受力方向的應(yīng)變分布3.2.2y梁 y梁的模擬結(jié)果如圖3所示，通過(guò)模擬的結(jié)果可以看出，在受力方向上

23、，y軸的最大變形是0.15×10-7m，完全能夠滿足實(shí)際工作中精度的要求。在受力方向上，y梁受到的應(yīng)力最大也只有300N左右。 圖3y梁在受力方向的應(yīng)變分布3.2.3z梁支架 z梁支架的模擬需要很詳細(xì)，因?yàn)檫@個(gè)支架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且受力很大，它的變形直接影響到z梁的精度，所以，我們對(duì)其在各個(gè)方向的應(yīng)力和應(yīng)變都進(jìn)行了分析。如圖4、5、6所示為z梁支架在x、y、z3個(gè)方向的應(yīng)變圖。圖7、8、9為z梁支架在x、y、z3個(gè)方向的應(yīng)力圖。 圖4z梁支架在x方向的應(yīng)變分布圖5z梁支架在y方向的應(yīng)變分布圖6z梁支架在z方向的應(yīng)變分布圖7z梁支架在x方向的應(yīng)力分布圖8z梁支架在y方向的應(yīng)力分布圖9z

24、梁支架在z方向的應(yīng)力分布在圖中，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。在圖4中，我們可以看到，在各個(gè)支撐板上，都承受了很大的應(yīng)力，因而變形量也很大。而圖5則說(shuō)明由于z梁的作用力，使得固定z梁的板發(fā)生了變形，在模擬中，我們可以得到最大變形是0.2×10-8m，這樣就保證了z梁的垂直度。圖6是z梁支架在垂直方向即z方向上的變形，通過(guò)應(yīng)變的分布可以看出，z梁固定板在z方向上的變形很小，而且比較相近，大約在0.20.7×10-9m左右，對(duì)垂直方向的尺寸精度影響很小。圖7、8、9則是從應(yīng)力方面來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。 總之，從應(yīng)力和應(yīng)變兩方面的分析結(jié)果來(lái)看，我

25、們對(duì)z梁支架這個(gè)關(guān)鍵的零件的設(shè)計(jì)是合理的。 4機(jī)器人誤差模型(Roboterrormodel) 4.1誤差補(bǔ)償方法 在進(jìn)行機(jī)器人誤差補(bǔ)償及標(biāo)定時(shí)，首先要考慮機(jī)器人的精度問(wèn)題。在示教再現(xiàn)作業(yè)方式下，操作者移動(dòng)機(jī)器人末端執(zhí)行器到指定位置，然后通過(guò)機(jī)器人控制器記錄下此時(shí)末端執(zhí)行器的位姿，通常就是電機(jī)的碼盤(pán)值。然后，機(jī)器人可以“再現(xiàn)”已經(jīng)記錄的運(yùn)動(dòng)方式和編程順序。在這種編程方式下，機(jī)器人的重復(fù)精度是主要的特性參數(shù)，現(xiàn)在大多數(shù)商品化工業(yè)機(jī)器人都是以這種方式工作，其重復(fù)精度在整個(gè)工作空間上都可以達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)。因此，就精度問(wèn)題來(lái)說(shuō)，示教再現(xiàn)方式可以使機(jī)器人很好的工作。而對(duì)于激光加工機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它的工作方式

26、不是采用示教再現(xiàn)方式，而是采用離線編程方式，這時(shí)機(jī)器人的絕對(duì)精度成為關(guān)鍵指標(biāo)。一般而言，機(jī)器人的絕對(duì)精度要比重復(fù)精度低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在如此低的精度下，機(jī)器人是無(wú)論如何也不能滿足工作需要。造成這種情況的原因主要是機(jī)器人控制器根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置，而這個(gè)理論上的模型與實(shí)際機(jī)器人的物理模型存在一定誤差。因此，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償進(jìn)而提高機(jī)器人的絕對(duì)精度是目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。 一般情況下，機(jī)器人誤差分為幾何誤差和非幾何誤差。其中幾何誤差包括桿件參數(shù)誤差，理論參考坐標(biāo)系與實(shí)際基準(zhǔn)坐標(biāo)系的誤差、關(guān)節(jié)軸線的不平行度、零位偏差等；非幾何因素包括關(guān)節(jié)和連桿

27、的彈性形變、齒輪間隙、齒輪傳動(dòng)誤差、熱形變等。如果對(duì)機(jī)器人的幾何誤差進(jìn)行了很好的補(bǔ)償，絕對(duì)精度就可以大大提高，只有對(duì)于特定的需要提高絕對(duì)精度的應(yīng)用時(shí)才考慮進(jìn)行非幾何誤差的補(bǔ)償。 要提高機(jī)器人的絕對(duì)精度，可以從兩方面入手，一是采用“避免”誤差的方法，即針對(duì)產(chǎn)生機(jī)器人誤差的各種誤差源，采用高精密加工手段加工機(jī)器人各零部件，結(jié)合高精密裝配技術(shù)進(jìn)行裝配。二是采用綜合補(bǔ)償技術(shù)，即采用現(xiàn)代的測(cè)量手段，對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輔以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償算法，對(duì)機(jī)器人的誤差進(jìn)行補(bǔ)償以達(dá)到減小誤差的目的。 由于激光加工機(jī)器人的精度要求很高，需要采用多種方法進(jìn)行誤差綜合補(bǔ)償。首先采用“避免”誤差的方法。在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，

28、采用合理的結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人的變形盡可能小。在加工制造過(guò)程中，關(guān)鍵的部件采用高精度的加工技術(shù)和裝配工藝。但是該方法對(duì)機(jī)器人經(jīng)過(guò)運(yùn)行，產(chǎn)生由于機(jī)械磨損、元件性能降低以及構(gòu)件自身動(dòng)態(tài)特性等因素帶來(lái)的誤差則無(wú)能為力。其次通過(guò)綜合補(bǔ)償技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高機(jī)器人精度。即根據(jù)實(shí)際測(cè)量的機(jī)器人誤差，在機(jī)器人模型中引入恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償算法，來(lái)減小機(jī)器人的誤差，實(shí)現(xiàn)改善和提高機(jī)器人精度的目的。 4。2機(jī)器人誤差模型的建立 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的選擇是決定機(jī)器人絕對(duì)精度的重要因素之一。它必須正確地對(duì)影響機(jī)器人末端位姿的各種因素建模。增加運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的復(fù)雜度有助于提高機(jī)器人的絕對(duì)精度，但是也要付出降低機(jī)器人性能中其它特性的代價(jià)，因此建模時(shí)要

29、綜合考慮各方面的因素。 激光加工機(jī)器人為框架結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，我們認(rèn)為采用網(wǎng)格化的誤差補(bǔ)償方法較合適，該方法可以補(bǔ)償機(jī)器人幾何誤差和某些非幾何誤差。 根據(jù)機(jī)器人補(bǔ)償精度的要求，可以把激光加工機(jī)器人工作空間劃分為網(wǎng)格如圖10所示。根據(jù)不同的補(bǔ)償精度的要求，網(wǎng)格的疏密程度可以不同。實(shí)際的網(wǎng)格劃分為14×11×9。 圖 10機(jī)器人工作空間網(wǎng)格劃分圖X方向的誤差補(bǔ)償公式 Y方向的誤差補(bǔ)償公式 Z方向的誤差補(bǔ)償公式 其中 Li、Lj、Lk 分別為 X方向、Y方向和 Z方向的網(wǎng) 格點(diǎn) ，Lxi、Lyj、Lzk分別為 X方向、Y方向和 Z方向的 位置補(bǔ)償值 。 在機(jī)器人系統(tǒng)未補(bǔ)償前 ，機(jī)器人

30、系統(tǒng)的最大誤差為 0.2mm，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的機(jī)器人誤差為 0.04mm，完全滿足機(jī)器人激光加工精度的要求 。 5結(jié)論 ( Conclusion) 目前激光加工機(jī)器人完成調(diào)試 ，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)完全達(dá)到預(yù)期指標(biāo) 。該機(jī)器人準(zhǔn)備用于汽車(chē)大型模具的表面激光處理 ，現(xiàn)在正在進(jìn)行激光加工處理工藝實(shí)驗(yàn) 。不遠(yuǎn)的將來(lái)即可達(dá)到實(shí)用化程度 ，投入實(shí)際使用 。 參考文獻(xiàn) (References) 1 Chia P Day. Robot Accuracy Issues and Methods of ImprovementA. 19 th ISIRC, Chicago：April，1989. 16 -26 2 Brya

31、n Greenway. RobotaccuracyJ. Industrial Robot，2000，27( 4)：257 - 265 3 Joachim O Berg. Path and Orientation Accuracy of Industrial RobotJ. Advanced Manufacturing Technology, 1993, 86 2-71 4劉振宇，陳英林，曲道奎，徐方。機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)研究 J。機(jī)器人 ， 2001， 24( 5 ) ：447 - 450 作者簡(jiǎn)介 ： 曲道奎 (1961-)，男，研究員、博導(dǎo)。研究領(lǐng)域：機(jī)器人學(xué)，智能控制。 徐方 (1962-)，

32、男，研究員。研究領(lǐng)域：機(jī)器人學(xué)，自動(dòng)控制。 (end)激光切割中的焦點(diǎn)位置檢測(cè)方法研究引言 激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應(yīng)低、無(wú)污染、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、船舶、航空航天和電子工業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。而激光切割加工質(zhì)量與激光焦點(diǎn)與工件之間的相對(duì)位置有著密切的關(guān)系，保證激光焦點(diǎn)和切割對(duì)象之間的合理的相對(duì)位置是保證激光切割加工質(zhì)量的關(guān)鍵之一。 激光聚焦的焦點(diǎn)位置無(wú)法直接測(cè)量，但可以通過(guò)間接方法檢測(cè)。對(duì)于一個(gè)激光切割加工系統(tǒng)，其焦點(diǎn)位置是由聚焦鏡的光學(xué)焦點(diǎn)決定的，所以在聚焦鏡一定情況下其位置是不變的（不考慮聚焦鏡的熱效應(yīng)），因此可以通過(guò)檢測(cè)聚焦鏡和被加工對(duì)象之間的相對(duì)位置來(lái)間接檢測(cè)

33、焦點(diǎn)和被加工對(duì)象之間的位置關(guān)系。 激光焦點(diǎn)和被加工對(duì)象之間的相對(duì)位置可以通過(guò)電感位移傳感器和電容傳感器來(lái)檢測(cè)，在使用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。電感傳感器的響應(yīng)頻率較低，不太適用于高速加工和像!維加工這樣需要非接觸檢測(cè)的場(chǎng)合；電容傳感器，具有響應(yīng)速度快，檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，但在使用過(guò)程中存在非線性和易受激光切割加工過(guò)程中產(chǎn)生的等離子云和噴渣的干擾的影響。 本文將系統(tǒng)討論激光切割加工中激光焦點(diǎn)位置誤差的產(chǎn)生途徑和自動(dòng)消除誤差的控制系統(tǒng)的組成。在此基礎(chǔ)上分別討論了兩種傳感器檢測(cè)系統(tǒng)組成以及實(shí)際使用中存在的不足和克服的方法。 1 激光切割過(guò)程中焦點(diǎn)位置誤差的產(chǎn)生 在激光切割過(guò)程中，產(chǎn)生焦點(diǎn)和被加工對(duì)象表面之間相對(duì)位

34、置發(fā)生變化的因素很多，被加工工件表面凸凹不平、工件裝夾方式、機(jī)床的幾何誤差以及機(jī)床在負(fù)載力下的變形、工件在加工過(guò)程中的熱變形等都會(huì)造成激光焦點(diǎn)位置和理想給定位置（編程位置）發(fā)生偏差。有些誤差（如機(jī)床的幾何誤差）具有規(guī)律性，可以通過(guò)定量補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償，但有些誤差為隨機(jī)誤差，只能通過(guò)在線檢測(cè)和控制來(lái)消除，這些誤差是： 1.1 工件幾何誤差 激光切割的對(duì)象為板材或覆蓋件型零件，由于各種?因的影響，加工對(duì)象表面具有起伏不平，且在切割過(guò)程中的熱效應(yīng)的影響也會(huì)產(chǎn)生薄板零件的表面變形，對(duì)于1維激光加工，覆蓋件在壓制成型過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生表面的不平，所有這些，都會(huì)產(chǎn)生激光焦點(diǎn)與被加工對(duì)象表面的位置與理想位置發(fā)生

35、隨機(jī)變化。 1.2 工件裝夾裝置產(chǎn)生的誤差 激光切割加工的工件是放在針狀工作臺(tái)上，由于加工誤差、長(zhǎng)時(shí)間與工件之間的磨損和激光的燒傷，針床會(huì)出現(xiàn)凸凹不平，這種不平也會(huì)產(chǎn)生薄鋼板和激光焦點(diǎn)之間的位置的隨機(jī)誤差。 1.3 編程產(chǎn)生的誤差 在1維激光切割加工過(guò)程中，復(fù)雜曲面上的加工軌跡是通過(guò)直線、圓弧等擬合的，這些擬合曲線和實(shí)際曲線存在一定誤差，這些誤差使得實(shí)際焦點(diǎn)和加工對(duì)象表面的相對(duì)位置和理想編程位置產(chǎn)生一定誤差。而有些示教編程系統(tǒng)也會(huì)引入一些偏差。 2激光切割過(guò)程中焦點(diǎn)位置在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)的組成 如圖1所示，激光切割焦點(diǎn)位置在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)由控制器、檢測(cè)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置等部分組成。 根據(jù)焦點(diǎn)位置

36、檢測(cè)控制系統(tǒng)和系統(tǒng)的關(guān)系，焦點(diǎn)位置檢測(cè)控制系統(tǒng)分為獨(dú)立式和集成式兩種。 獨(dú)立式焦點(diǎn)位置檢測(cè)與控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的坐標(biāo)軸進(jìn)行焦點(diǎn)位置誤差的補(bǔ)償控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，但可與各種數(shù)控系統(tǒng)和激光切割機(jī)床配合使用。 而集成式采用激光切割機(jī)床本身的一個(gè)進(jìn)給軸（對(duì)平面加工）或多個(gè)進(jìn)給軸的合成（對(duì)于1維切割加工）運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行焦點(diǎn)位置誤差的補(bǔ)償。這種方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但要求和數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性要求較高。 2.1 電容傳感器檢測(cè)電路 如圖2所示，電容傳感器檢測(cè)電路由調(diào)諧振蕩器、信號(hào)放大器、晶體穩(wěn)頻振蕩器、同步電路、混頻電路、信號(hào)處理電路等將電容量信號(hào)變成對(duì)應(yīng)頻率的脈沖

37、信號(hào)，$? (通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行頻率采樣和處理，得到相應(yīng)的電容量。這里的電容為切割噴嘴和切割對(duì)象之間兩個(gè)極板形成的電容。顯然其電容量除了與兩個(gè)極板的面積有關(guān)外，還與極板之間的介質(zhì)、極板之間的距離有關(guān)。而這個(gè)距離就與激光聚焦鏡和工件之間的距離有關(guān)，也就是與激光焦點(diǎn)與工件之間的距離有關(guān)，所以電容量近似和焦點(diǎn)位置與切割對(duì)象之間的距離有關(guān)。這就是電容傳感器檢測(cè)焦點(diǎn)位置的原理。 從圖中可以看出，頻率和焦點(diǎn)位置誤差之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，必須通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行線性化處理。同時(shí)，由于電容量還和極板之間的介質(zhì)有關(guān)，所以檢測(cè)結(jié)果容易受加工過(guò)程中產(chǎn)生的等離子云和噴渣影響，必須加以克服。 2.2 電感傳感器檢測(cè)電路 如

38、圖1所示，由于采用了最新的大規(guī)模集成電路，電感傳感器的檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，且集成電路采用了新的調(diào)制解調(diào)方法和算法，減少了以前的檢測(cè)圖1焦點(diǎn)位置控制系統(tǒng)框圖圖"外差式調(diào)頻檢測(cè)電路方法由于傳感器的激勵(lì)信號(hào)的相角、頻率以及幅值漂移對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，大大提高了檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。 傳感器信號(hào)通過(guò)處理后得到與傳感器測(cè)頭位移成正比的電壓信號(hào)，通過(guò)變換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到了焦點(diǎn)的位置誤差信號(hào)。 由于電感傳感器的固有特性，對(duì)被測(cè)信號(hào)的頻率有一定的限制（幾百），不太適用于高速加工場(chǎng)合，同時(shí)，由于其為接觸式檢測(cè)方式，只能用于平面加工場(chǎng)合。 3 切割過(guò)程中等離子云對(duì)焦點(diǎn)位置檢測(cè)系統(tǒng)的影

39、響 在工件尚未被切穿的瞬間，激光和金屬相互作用，在噴嘴和加工對(duì)象之間產(chǎn)生云霧狀等離子體，改變電容極板之間的介質(zhì)，從而對(duì)電容傳感器產(chǎn)生干擾。在正常切割過(guò)程中，輔助氣體將等離子體從切縫中吹散，對(duì)電容傳感器產(chǎn)生影響較小。但如果加工速度太快和剛開(kāi)始切割時(shí)，由于工件未被完全切穿，激光照射點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生等離子體云，對(duì)電容傳感器產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至使傳感器無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。圖(為等離子體干擾示意圖。 由電磁學(xué)原理可知，相鄰的兩個(gè)極板間電容量為 C=S/h 式中-極板之間介電常數(shù))一般為(1) S-極板相對(duì)有效面積 h-兩極板間距離 如果沒(méi)有等離子體的干擾，那么，根據(jù)式(1)所測(cè)到的電容就和極板（

40、噴嘴和加工對(duì)象）之間距離成反比，由電容量可以方便求出兩極板間距離，進(jìn)而求出焦點(diǎn)和被加工對(duì)象之間的相對(duì)位置。 但是，當(dāng)噴嘴和被加工對(duì)象之間存在等離子體或噴渣時(shí)，電容極板之間的電介質(zhì)就不是空氣了，其介電常數(shù)就發(fā)生變化。由電容?理公式，此時(shí)兩個(gè)極板間電容量為： C'= S1 /(h-h1)+h1/1 +S2/h (2) 式中1-等離子體的介電常數(shù) h1-等離子體云的厚度 S1 + S2 =S分別為有等離子云或噴渣的區(qū)域和無(wú)等離子云或噴渣的區(qū)域的面積。 如果等離子云均勻分布于噴嘴和被加工對(duì)象之間的一定高度范圍之內(nèi)，則電容傳感器所測(cè)得的兩極板間距離為： h'=(h-h1)+ h1/1 (

41、3) 檢測(cè)的誤差理論值： h = h'-h = h1 (/1 -1) (4) 從式(4)可知，誤差的大小由極板間等離子體云的厚度及等離子體的介電常數(shù)決定。而等離子體介電常數(shù)具有非常大的值，可以達(dá)到105的數(shù)量級(jí)。所以由式 (4)可以看出等離子云或噴渣對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響是非常大的，文獻(xiàn)24得出，如果等離子體云的厚度為12mm，則由電容傳感器檢測(cè)的兩極板間距離的理論誤差也達(dá)到12mm，顯然達(dá)不到激光焦點(diǎn)位置檢測(cè)的精度指標(biāo)（為±0.2mm）。 4 傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)減少等離子云對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響 等離子體對(duì)電容傳感器的干擾是由于等離子體改變了電容兩極板之間的介質(zhì)。因此，為了消除等離子體

42、對(duì)電容傳感器的干擾，就要使電容兩極板之間的介質(zhì)不受等離子體的影響，可以加大圓環(huán)形極板的中心小孔和將電容傳感器移至等離子云以外兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (1) 要消除等離子體對(duì)電容量的影響，就要將等離子體置于電容傳感器的極板之外?？紤]到等離子云是沿切割點(diǎn)周?chē)植嫉模虼丝梢匀鐖D5所示：將圓環(huán)形極板的中心小孔直徑擴(kuò)大至23mm并嵌入絕緣的耐高溫陶瓷材料，由于電容傳感器極板是空心的，在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，照射點(diǎn)附近的等離子體云對(duì)傳感器電容量和檢測(cè)值不產(chǎn)生影響，所以采用這種辦法能有效地減小等離子云的干擾影響。 (2) 對(duì)于平面激光切割加工，還可以通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)方法進(jìn)行間接測(cè)量。即通過(guò)一機(jī)械裝置跟隨被加工對(duì)象

43、運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械裝置的上端和檢測(cè)傳感器形成極板，通過(guò)檢測(cè)傳感器和這個(gè)機(jī)械裝置之間的距離來(lái)間接檢測(cè)激光焦點(diǎn)和被加工對(duì)象之間的位置。這種方法可以最大限度避免了離子云和噴渣對(duì)檢測(cè)精度的影響，也發(fā)揮了電容傳感器響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。 5 結(jié)論 激光焦點(diǎn)位置檢測(cè)與控制是激光切割加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于快速切割加工，焦點(diǎn)位置檢測(cè)精度和快速性將直接影響到焦點(diǎn)位置的控制精度和加工質(zhì)量，電容傳感器具有檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的線性化來(lái)克服其非線性； 通過(guò)特殊的傳感器結(jié)構(gòu)來(lái)消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的等離子云和噴渣對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提高其在激光切割加工系統(tǒng)中的使用效果。前言   

44、0; 激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，涉及到激光材料等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過(guò)程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來(lái)表征激光光斑及焦點(diǎn)尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。    在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m-1)來(lái)描述和評(píng)價(jià)焊接過(guò)程中電弧電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，但是這兩個(gè)參數(shù)都沒(méi)有考慮電弧作用面積對(duì)焊縫熔深的影響。    如果用

45、電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來(lái)綜合評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點(diǎn)尺寸對(duì)焊縫熔深的影響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來(lái)評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。    目前，在激光焊接的研究中，還沒(méi)有一個(gè)參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程的影響。為了綜合評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過(guò)程中焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響。1 焊接體能量的定義     為了能

46、夠綜合評(píng)價(jià)激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，并將焊接體能量qV的定義為：      （1）     式中：Q激光功率；     V焊接速度。     S為輻照在小孔內(nèi)的激光束光斑面積，實(shí)驗(yàn)用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200 mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關(guān)系的擬合關(guān)系式為：      （2）     式中：z離焦量；

47、     R0激光束焦點(diǎn)半徑。     因此，焊接體能量又可以表示為：      （3）     從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時(shí)間內(nèi)的激光功率密度或單位面積內(nèi)的焊接線能量，其單位為J·m-3，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。     從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、及離焦量及激光束焦點(diǎn)半徑計(jì)算得出。圖1為焊接體能量隨激光功率、焊接速

48、度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。從焊接體能量的定義及圖1中可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關(guān)系，與焊接速度成反比關(guān)系，與焦點(diǎn)尺寸成平方關(guān)系，而與離焦量成指數(shù)關(guān)系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。 2 焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響 2.1 試驗(yàn)條件     實(shí)驗(yàn)用的激光器為額定功率為2 kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長(zhǎng)為1.06 m的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6 mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200 mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點(diǎn)半徑為0.3 mm，工件為250×100×1.8 mm 的Q235鋼板，同

49、軸保護(hù)氣為Ar氣。  (a) 激光功率  (b) 焊接速度  (c) 離焦量 圖1 焊接體能量隨焊接規(guī)范參數(shù)的變化     本文的主要目的在于研究焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只測(cè)量工件未焊透時(shí)的焊縫熔深。    通過(guò)激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實(shí)現(xiàn)了焊接體能量的變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示。表1 焊接規(guī)范參數(shù)的變化 變化焊接規(guī)范參數(shù)的變化范圍 其他焊接規(guī)范參數(shù) 激光功率 Q /W 9001

50、200 V30 mm·s-1, z0 mm, Uf=20 l·min-1 焊接速度V/(mms-1) 3060 Q1250 W, z0 mm, Uf=20 l·min-1 離焦量 z /mm z: 4.52.0 z: 3.05.0 Q1500 W, V30 mm·s-1, Uf=25 l·min-1 2.2 焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響     在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束對(duì)小孔輻照時(shí)間的長(zhǎng)短，而Q/S或  則表明了輻照在孔內(nèi)的激光功率密度的大小。因此，輻照在小孔孔內(nèi)的焊接體

51、能量從激光輻照時(shí)間和功率密度兩方面影響、決定著小孔深度和焊縫熔深。由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很小，其對(duì)焊縫熔深的影響很小，因而在激光深熔焊接研究中，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來(lái)處理。    圖2為在激光功率、焊接速度及離焦量變化時(shí)焊縫熔深隨焊接體能量的變化。  (a) 激光功率  (b) 焊接速度  (c) 離焦量 圖2 焊接規(guī)范參數(shù)變化時(shí)焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響     焊接體能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨著激光功率增大而增大，焊接體能量也隨之增大。因而在單位時(shí)間內(nèi)將有更多的激光束能量輻照到小孔底部，激光束對(duì)孔底的輻照加熱作用增強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料越多，焊縫熔深也就越深。如圖2a所示。     焊接體能量與焊接速度呈反比關(guān)系，隨著焊接速度的加快，激光束對(duì)小孔的輻照時(shí)間越短，輻照在小孔內(nèi)的焊接體能量就越小，則孔底蒸發(fā)的材料就越少，焊縫熔深就越淺。如圖2b所示。     焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關(guān)系，且在理論上關(guān)于z0 mm對(duì)稱(chēng)（在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于激光束焦點(diǎn)位置的漂移，使焊接體能量并不關(guān)于z0 mm對(duì)稱(chēng)，而是向入焦方向偏移了一定距離，本文中試驗(yàn)中激光束焦點(diǎn)位置的偏移為入焦1mm）。在離焦量變化過(guò)程中，隨著激光束焦點(diǎn)