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專刊題目:雷射焊接系統 (Laser welding system)之選擇與應用

2021-05-21

雷射系統的選擇

目前產業應用金屬材質的雷射焊接 (Laser welding),多選用雷射波長約為 1064nm 的光纖雷射與 YAG 雷射,主要因為金屬對於該雷射波長吸收率極佳,加工程度優越。以下簡述兩者差異:

YAG 雷射:屬於固體雷射,以光學激發產生雷射光。常用脈衝氙燈為光源,結構包含光泵、工作物質、共振腔、聚光腔、水冷系統及電源等。優勢在於設備成本較低,但缺點是耗電量高、需更換燈管等耗材,目前逐漸被光纖雷射取代。

光纖雷射:由共振腔與光纖形式增益介質構成,優點如下:

  • 軟光路設計,不需鏡片折射,利於搭配自動化系統。
  • 體積小、節省空間、易於安裝。
  • 散熱佳,適合大功率應用。
  • 光路穩定,受外界干擾小。
  • 幾乎無耗材,使用壽命長、維護成本低。

雷射焊接的加值應用

在工業 4.0 與智慧機械的浪潮下,雷射加工於智慧自動化中展現極大優勢。2018 年上海光博展與工博會中,多家廠商展出雷射焊接系統。

圖一 2018年上海工業博覽會 KUKA 雷射焊接機器人

1. 雷射焊接機器人:

最常見的是六關節機械手臂,可進行多方向焊接,結合振鏡與視覺定位,亦可使用多工位方式實現高效率生產。除了焊接,也能應用於切割、清潔、打標等。


圖二 聯達智能公司 雷射振鏡視覺定位焊接機器人



圖三 多工位預約焊接系統

2. 四軸聯動光纖雷射焊接機:

含 X/Y/Z 三軸平台加 W 軸旋轉,配合 CCD 即時對焦,可進行高精度焊接。可執行點焊、對接、疊焊、縫焊、密封焊等工藝。

圖四 正鉑公司開發之四軸聯動 2KW 光纖雷射焊接機

3. 焊道追蹤:

透過視覺感測、影像處理或雷射掃描,自動追蹤焊道以防止偏移,提升焊接精度與品質,減少人工調整。

4. 攪拌型焊接技術:

利用 Wobble 焊接或振鏡技術,讓光斑迴旋,攪拌熔融材料,減少氣孔與裂縫,提升焊接品質,尤其適合焊縫較寬的工件。

圖五 攪拌型焊接光斑的差異示意