[激光原理与应用-102]：南京科耐激光-激光焊接-焊中检测-智能制程监测系统IPM介绍 - 6

一、激光焊接系统的组成概述

1.1、核心部件

1.2、焊接执行部件

1.3、辅助系统

1.4、控制系统

1.5、其他辅助设备

二、激光器

2.1 按出光类型分

1. 脉冲激光器

2. 连续激光器

3. 准连续激光器（QCW）

4. 其他常见激光器

5. 应用领域

2.2 按照波长分

1. 红外激光（波长大于700纳米）

2. Nd:YAG激光器

3. CO2激光器

4. 光纤激光器

总结

三、振镜

3.1、振镜的定义

3.3、振镜的内部结构

3.3、振镜的工作原理

3.4、振镜的应用领域

3.5、振镜的发展历程

3.6、振镜的选型和购买建议

四、场镜

4.1、场镜的定义

4.2、场镜的作用

4.3、场镜的分类

4.4、场镜的选型

4.5、场镜的维护与保养

4.6 场镜的结构

1、基本组成

2、特殊设计

3、工作原理

4、应用优势

五、激光焊接控制板卡

5.1、功能与作用

5.2、类型与品牌

5.3、价格范围

5.4、选购建议

5.6 接口信号

1、接口类型

2、接口特性

3、应用注意事项

4、总结

一、激光焊接系统的组成概述

激光焊接系统是一种高精度、高能效率、高稳定性的现代化焊接设备，其组成可以详细概述如下：

1.1、核心部件

激光器：
- 激光器是激光焊接系统的核心部件，负责产生并发射激光能量。常见的激光器类型包括固体激光器、半导体激光器、气体激光器和光纤激光器等。激光器发出的激光束具有高亮度、单色性和方向性强的特点，是焊接过程中能量的主要来源。
光路系统：
- 光路系统主要负责激光束的传输和聚焦。它包括光束整形器、反射镜、透镜等部件，这些部件共同作用，将激光束精确地传输到焊接区域，并通过聚焦系统将其聚焦到极小的光斑上，以实现高精度的焊接。

1.2、焊接执行部件

焊接头：
- 焊接头是激光焊接系统的核心组件之一，包括激光头、光纤、反射镜、调焦系统、冷却系统等。焊接头的主要作用是将激光束聚集到焊接区域并完成焊接任务。光纤用于输送激光能量，反射镜用于调整光路，而冷却系统则负责维持焊接头的温度稳定。
搬运系统：
- 搬运系统通常由X、Y、Z三个方向的伺服电机构成，其主要作用是将焊接头精确地移动到焊接区域，并根据焊接要求进行精确调整，以实现高精度的焊接任务。

1.3、辅助系统

冷却系统：
- 由于激光焊接过程中会产生大量热量，因此需要使用冷却系统来保证激光器和焊接头等关键部件的温度恒定，防止过热损坏。
安全保护系统：
- 激光焊接系统通常配备有完善的安全保护机制，如激光房、监控系统等，以确保操作人员和设备的安全。激光房用于隔离激光辐射，减少对人体和环境的伤害；监控系统则用于实时监控设备的工作状态，及时发现并处理异常情况。

1.4、控制系统

PLC控制系统：
- 控制系统是激光焊接系统的“大脑”，负责实时监控、控制和管理整个焊接过程。它通常包括电脑控制器、光控器、速度传感器等部分，可以对激光能量、焊接速度、功率等参数进行精确调整，以实现各种焊接条件下的高质量焊接。

1.5、其他辅助设备

机器人：
- 在自动化程度较高的激光焊接系统中，机器人作为焊接工作的执行装置，与激光工作头、激光源等其他设备通讯配合，完成焊接任务。机器人具有高精度、高灵活性和高稳定性的特点，可以显著提高焊接效率和质量。
质量检测系统：
- 激光焊接质量检测单元用于检测焊接质量，包括在线检测和离线检测两种方式。在线检测系统可以实时监测焊接过程中的焊接强度、焊缝形貌等参数；离线检测系统则用于检测焊缝外观质量等。这些检测手段有助于及时发现并处理焊接缺陷，提高焊接质量。

综上所述，激光焊接系统是一个由多个部件和系统组成的复杂设备，各个部分相互协作、共同作用，以实现高精度、高质量的焊接任务。

二、激光器

2.1 按出光类型分

激光焊接技术中使用的激光器种类多样，每种激光器都有其独特的特点和适用范围。

以下是几种常见的激光焊接使用的激光器种类：

1. 脉冲激光器

定义与特点：脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25秒、每间隔一定时间才工作一次的激光器。它具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等应用。
常见类型：包括YAG激光器（如钇铝石榴石激光器）和MOPA激光器等。YAG激光器基于YAG晶体作为增益介质，具有单脉冲能量高、耗电量大等特点，需要定期更换氙灯等耗材，并配备冷水机进行冷却。

2. 连续激光器

定义与特点：连续激光器是连续出光的激光器，具有稳定的工作状态，即稳态。其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行。
常见类型：包括连续半导体激光器、连续光纤激光器等。连续光纤激光器基于光纤技术，能够连续不停地恒定功率出光，输出激光器的能量恒定，稳定性好，光斑模式优良，电光转换效率高。

3. 准连续激光器（QCW）

定义与特点：准连续激光器也叫长脉冲激光器，产生ms量级的脉冲，占空比为10%。这使得脉冲光具有比连续光高十倍以上的峰值功率，对于钻孔等应用非常有利。它可以在连续和高峰值功率脉冲模式下工作。
优势：QCW激光器能够在从几十赫兹到几千赫兹的重复频率下产生具有高能量的微秒和毫秒脉冲，并实现数千瓦的平均功率和峰值功率。

4. 其他常见激光器

CO2激光器：能够同时满足焊接厚材料与薄材料的需要，发射的激光波长为10.6微米，能够快速将金属表面加热到熔点并实现焊接。由于成本较低且易于维护，在焊接领域应用广泛。
半导体激光器：小型化、高效化的激光器，发光材料为半导体材料。具有体积小、噪音小、高效、长寿命、低成本等特点，在激光焊接中也受到越来越多的关注。
固体激光器：利用晶体作为激活介质的激光器，可以发射可见光和近红外光，输出稳定、光束质量好、耐用性强，在高要求的激光焊接场合得到广泛应用。

5. 应用领域

YAG激光焊接机：适用于各种金属材料及铝合金、钢等合金制品的焊接，也可用于铜紫铜、铜钛、镍铜等异形金属材料的焊接。广泛应用于五金行业、电子产业、汽配行业等。
光纤传送激光焊接机：在光纤通信元器件、IT、诊疗、电子器件、充电电池等领域有广泛应用，特别适用于精密焊接。

综上所述，激光焊接技术中使用的激光器种类繁多，每种激光器都有其独特的优势和应用领域。在选择激光器时，需要根据具体的焊接材料、工件形状和焊接要求等因素进行综合考虑。

2.2 按照波长分

激光焊接技术中使用的激光器种类繁多，按照波长来分类，主要包括以下几种类型：

1. 红外激光（波长大于700纳米）

特点：红外激光在激光点焊中具有较好的穿透能力，可以穿透一定厚度的材料进行焊接。同时，红外激光对于某些材料的吸收性较好，能够实现较高的焊接效果。
应用：广泛应用于各种金属材料的焊接，尤其适合需要较深熔深和良好焊接质量的场合。

2. Nd:YAG激光器

波长：主要有两种波长，分别是1064纳米和532纳米。
- 1064纳米Nd:YAG激光：这种激光在激光点焊中使用非常广泛。其波长可以较好地被金属材料吸收，并且能够实现较高的焊接效果。手持激光焊接机通常也使用这种波长的激光。
- 532纳米Nd:YAG激光：与1064纳米的Nd:YAG激光相比，其能量密度更高，适用于对材料要求更高的焊接任务。
特点：Nd:YAG激光器基于YAG晶体作为增益介质，具有结构紧凑、稳定性好、输出功率高等优点。
应用：广泛应用于汽车制造、航空航天、电子器件等领域的高精度焊接。

3. CO2激光器

波长：波长为10604纳米（注意：这里可能存在一个单位错误，通常CO2激光器的波长应为10.6微米，即10600纳米，但考虑到可能是笔误，这里按10604纳米进行说明）。
特点：CO2激光器是一种非常成熟的激光器，自上个世纪八十年代以来一直是大功率加工的主要激光源。其输出功率大，光束质量好，适用于大型工件的焊接。
应用：在焊接厚材料方面具有显著优势，广泛应用于造船、机械制造等领域。

4. 光纤激光器

波长：光纤激光器的波长通常较短，但具体波长取决于所使用的增益介质和泵浦方式。在激光焊接中，光纤激光器通常作为连续波激光器使用，其波长范围可能涵盖从可见光到红外光的多个波段。
特点：光纤激光器具有光束质量好、电光转换效率高、散热性能好等优点。其光束可以聚焦到非常小的光点尺寸，从而实现高功率密度的焊接。
应用：在精密焊接、微加工等领域得到广泛应用。

总结

激光焊接使用的激光器种类多样，按照波长来分类主要包括红外激光、Nd:YAG激光器（1064纳米和532纳米）、CO2激光器以及光纤激光器等。每种激光器都有其独特的波长特点和应用领域，在选择激光器时需要根据具体的焊接需求和工件特点进行综合考虑。

三、振镜

振镜是一种在激光系统中通过机械振动将光束偏转角度的光学元件，它的作用是控制光束的方向和形状，实现对激光光束的精确调控。以下是对振镜的详细解析：

3.1、振镜的定义

振镜是一种利用光的反射和折射原理，通过机械装置驱动镜面旋转或倾斜，从而改变光束方向和路径的光学元件。它广泛应用于雷达、激光测距、激光打标、激光焊接、激光切割等领域。

3.3、振镜的内部结构

振镜的内部结构包括振镜材料、振镜形状、振镜表面处理等方面。目前振镜材料可以分为金属、陶瓷、晶体等多种不同材料。振镜的形状和表面处理对激光系统的性能和效率产生着重要影响。通过对振镜的深入研究和应用，可以进一步提高激光系统的精度和稳定性。

3.3、振镜的工作原理

振镜的工作原理基于光的反射和折射现象。振镜内部通常含有一个可移动的镜面，它可以通过机械装置驱动进行旋转或倾斜。当激光器发出的光束照射到振镜上时，根据光的折射和反射定律，光束会发生折射或反射现象。振镜上的可移动镜面可以通过机械装置调整其倾斜角度，从而改变光的方向。通过控制振镜的机械装置，可以使光束的方向和路径发生变化，实现信号的反射、聚焦等操作。

3.4、振镜的应用领域

振镜的应用领域非常广泛，主要包括以下几个方面：

激光打标：振镜在激光打标机中扮演着重要角色，它能够精确控制光束的方向和位置，实现高精度的激光打标。
激光焊接：在激光焊接过程中，振镜可以调整光束的聚焦点和扫描速度，从而实现对焊接过程的精确控制。
激光切割：振镜可以引导激光束按照预定的轨迹进行切割，提高切割精度和效率。
雷达和激光测距：在雷达和激光测距系统中，振镜用于改变激光束的发射方向，实现对目标物体的检测和测距。
舞台灯光和激光动画：振镜还可以用于舞台灯光和激光动画的演示，通过快速旋转和倾斜镜面，产生各种绚丽的灯光效果。

3.5、振镜的发展历程

振镜的发展历程可以追溯到古代对光线反射和折射现象的观察。然而，真正意义上的振镜发展始于17世纪，随着光学领域研究的不断深入和光学仪器的不断发展，振镜逐渐成为一种重要的光学元件。如今，振镜已经成为精密光学仪器和科学研究工具中不可或缺的一部分。

3.6、振镜的选型和购买建议

在选型和购买振镜时，需要考虑以下几个因素：

应用需求：根据具体的应用领域和需求选择合适的振镜类型和规格。
性能参数：关注振镜的精度、稳定性、扫描速度等性能参数，确保满足使用要求。
品牌和质量：选择知名品牌和高质量的产品，以确保产品的可靠性和耐用性。
价格和服务：综合考虑价格、售后服务等因素，选择性价比高的产品。

总之，振镜作为一种重要的光学元件，在激光系统中发挥着至关重要的作用。随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，振镜的性能和应用范围也将不断提高和扩大。

四、场镜

在激光系统中，场镜是一个关键的光学元件，它对于激光束的聚焦、方向控制以及加工质量有着重要影响。以下是对激光系统中场镜的详细解析：

4.1、场镜的定义

场镜，也被称为平场聚焦镜或F-Theta镜头，是一种特殊的透镜系统。在激光加工领域，它主要用于激光刻录、激光打标和激光切割等应用中。场镜的设计目的是在整个扫描平面上形成近似平坦的焦点，确保在扫描过程中，不同位置的光束能够聚焦在同一焦平面上，从而实现均匀的激光能量分布和高精度的加工。

4.2、场镜的作用

聚焦作用：场镜能够将激光束聚焦成极小的光斑，提高激光的能量密度，从而实现对材料的精确加工。
方向控制：通过调整场镜的位置和角度，可以改变激光束的传播方向，实现对加工区域的精确瞄准。
改善加工质量：由于场镜能够在整个扫描区域内形成近似平坦的焦点，因此能够显著提高加工的均匀性和一致性，减少因焦点变化而导致的加工误差。

4.3、场镜的分类

场镜主要分为f-theta透镜和远心透镜两种类型。在工业应用中，由于远心透镜的成本较高，因此主要使用f-theta透镜。f-theta透镜具有线性扫描特性，即随着扫描角度的增加，聚焦点的位置将按一定比例线性移动，这种特性使得激光束能够均匀地分布在整个扫描区域。

4.4、场镜的选型

在选型场镜时，需要考虑以下几个因素：

工作波长：场镜需要匹配激光器的工作波长，以确保激光束能够高效通过并聚焦。不同波长的激光器需要选用相应镀膜的场镜。
扫描范围：场镜的焦距决定了扫描范围的大小。一般来说，焦距越长，扫描范围也越大。因此，在选型时需要根据实际加工需求选择合适的焦距。
聚焦光斑直径：聚焦光斑直径是评估场镜性能的重要指标之一。为了获得更小的聚焦光斑和更高的加工精度，需要选择焦距较短、设计合理的场镜。
成本：在满足加工需求的前提下，还需要考虑场镜的成本因素。不同品牌、不同型号的场镜价格差异较大，需要根据预算和性价比进行综合考虑。

4.5、场镜的维护与保养

为了确保场镜的长期稳定性和加工质量，需要定期进行维护与保养。具体措施包括：

清洁：定期使用干净的布或专用清洁剂擦拭场镜表面，去除灰尘和污渍。
检查：定期检查场镜的镀膜情况和机械结构是否完好，如有损坏应及时更换或维修。
调整：在使用过程中，如果发现加工质量下降或聚焦效果变差，应及时调整场镜的位置和角度，确保激光束能够准确聚焦在加工区域。

综上所述，场镜在激光系统中扮演着至关重要的角色。通过合理选型和正确维护保养，可以充分发挥场镜的性能优势，提高激光加工的质量和效率。

4.6 场镜的结构

聚焦场镜，也被称为平场聚焦镜或F-Theta镜头，在激光系统中具有关键作用，主要用于激光加工如激光刻录、激光打标和激光切割等领域。其结构设计和功能特性对于实现高质量的激光加工至关重要。以下是聚焦场镜结构的主要特点：

1、基本组成

聚焦场镜通常由多个透镜组成，这些透镜按照特定的设计和排列方式组合在一起，以实现特定的光学性能。透镜的材料通常为高质量的光学玻璃或晶体，具有优异的透光性和稳定性。

2、特殊设计

F-Theta特性：聚焦场镜的核心设计特性是F-Theta特性，即随着扫描角度的增加，聚焦点的位置将按一定比例（通常是线性）移动。这种设计确保了在整个扫描区域内，激光束能够均匀地聚焦在目标平面上，从而实现高精度的加工。
多透镜组合：为了实现F-Theta特性和其他光学性能，聚焦场镜通常采用多透镜组合的方式。这些透镜具有不同的焦距、曲率半径和材料特性，通过精确的计算和设计，组合在一起以形成所需的聚焦效果。
镀膜处理：为了提高透光性和减少反射损失，聚焦场镜的透镜表面通常会进行镀膜处理。这些镀膜层具有特定的光学特性，能够增强对特定波长激光的透过率，并减少其他波长的反射和散射。

3、工作原理

当激光束通过聚焦场镜时，它会经过多个透镜的折射和聚焦作用，最终在目标平面上形成一个极小的聚焦光斑。由于聚焦场镜具有F-Theta特性，因此无论扫描角度如何变化，聚焦光斑都能够保持在目标平面上的同一位置或按预定轨迹移动。这种特性使得激光加工能够实现高精度的定位和均匀的加工效果。

4、应用优势

高精度加工：聚焦场镜的F-Theta特性确保了在整个扫描区域内激光束的均匀聚焦，从而实现了高精度的加工效果。
均匀性：由于聚焦光斑在整个扫描区域内保持一致的大小和形状，因此加工结果具有高度的均匀性。
高效率：聚焦场镜的设计和优化减少了光能的损失和散射，提高了激光加工的效率。

综上所述，聚焦场镜的结构设计是其实现高精度、均匀性和高效率加工的关键。通过多透镜组合、F-Theta特性和镀膜处理等特殊设计，聚焦场镜在激光加工领域发挥着重要作用。

五、激光焊接控制板卡

激光焊接控制板卡是激光焊接机中的关键部件，它负责控制激光焊接过程中的各项参数和动作，确保焊接质量和效率。以下是对激光焊接控制板卡的详细解析：

5.1、功能与作用

激光焊接控制板卡主要具有以下功能：

参数控制：能够精确控制激光焊接过程中的功率、速度、焦距等关键参数，以适应不同材料和焊接需求。
动作控制：控制激光焊接机的运动轨迹，确保焊接路径的准确性和稳定性。
安全防护：具备过载保护、短路保护等安全功能，确保激光焊接过程中的设备和人员安全。
数据处理：对焊接过程中的数据进行实时采集和处理，为焊接质量的监控和优化提供数据支持。

5.2、类型与品牌

激光焊接控制板卡的类型和品牌多种多样，包括但不限于以下几种：

按功能分类：可分为基础型控制板卡、高级型控制板卡等，不同类型的控制板卡在功能、性能和价格上有所差异。
按品牌分类：国内外有多个知名品牌生产激光焊接控制板卡，如大族激光、SCANLAB、柏楚电子等。这些品牌的产品在品质、性能和服务方面各有特色。

5.3、价格范围

激光焊接控制板卡的价格因品牌、型号、功能等因素而异。根据当前市场情况，价格范围大致在几百元至数万元不等。具体价格还需根据实际需求和市场供应情况来确定。

5.4、选购建议

在选购激光焊接控制板卡时，建议考虑以下因素：

实际需求：根据焊接材料、焊接要求等实际需求选择合适的控制板卡类型和品牌。
性能参数：关注控制板卡的性能参数，如控制精度、响应速度、稳定性等，以确保满足焊接需求。
品牌信誉：选择知名品牌的产品，以确保品质和服务有保障。
售后服务：了解供应商的售后服务政策，以便在使用过程中遇到问题时能够及时得到解决。

5.5 接口信号

激光焊接控制板卡的电信号接口是其与外围设备（如激光器、传感器、执行器等）进行通信和控制的关键部分。这些接口通常包括多种类型和规格，以满足不同的控制需求。以下是对激光焊接控制板卡电信号接口的一般性描述和归纳：

5.6 接口信号

1、接口类型

通讯接口：
- RJ45网口：用于控制板卡与上位机、其他控制系统或网络设备进行数据通信。
- RS232串口：常用于与激光器或其他串行通信设备进行数据交换和控制。
电源接口：
- 24V DC电源接口：为控制板卡提供稳定的直流电源，确保其正常工作。
控制信号接口：
- 轴输出控制端口：如脉冲方向输出口，用于控制焊接机械臂或其他执行机构的运动。
- 轴限位、零位端口：每个轴可能都有独立的左右限位和零位输入端口，用于检测执行机构的位置状态。
- 输出端口：包括晶闸管输出和继电器输出，用于控制外部设备（如激光器光闸、气阀等）的开关状态。
- 输入端口：用于接收来自传感器、开关等外部设备的信号输入，如限位信号、原点信号等。
激光控制端口：
- 特定的激光控制端口，如RS232串口，用于与激光器进行通信和控制，可能包括模拟量输出（如0-10V）和PWM调制信号（如24V/5V PWM方波信号），以实现激光功率的精确控制。