制造中的精密激光焊接需要快速、准确地将激光束定位在零件上。当与光纤激光器配合使用时，振镜扫描头可以最大限度地减少点对点定位时间，从而将具有多个焊接位置的零件的循环时间缩短几秒钟。振镜扫描头非常适合用于最大 100mm x 100mm 的焊接区域，是焊接小型医疗设备、电池组和电气互连的绝佳选择。本文将重点介绍二维振镜扫描头在激光微焊接工艺中的应用。
激光束传输基础知识
用于将激光束从光源传递到工件的硬件组件对性能至关重要，包括反射镜、百叶窗、准直器、光纤和聚焦头。
固定聚焦头通常安装在固定的垂直Z轴载物台上，并将零件移动到激光发射的设定点。由于载物台、工具和零件的质量，这是一个相对缓慢的过程，但提供了出色的定位能力。
摆动/编织对焦头通常也安装在垂直的 Z 轴载物台上。然而，输出端的光束不是固定的光束，而是以定义的模式来回摆动光束。这种摆动有助于增加熔池的尺寸，并连接制造公差较低的零件，以便进行零件装配。与固定焦头一样，零件被移动到激光发射的设定点，从而形成焊缝。
振镜扫描头使用两个反射镜将激光束引导到f-theta透镜，将其聚焦在X-Y区域。振镜扫描头通常安装在可编程的Z轴载物台上，以调整扫描头的工作高度并保持对零件的聚焦。光束可以被引导到现场内的任何位置，对于微焊接应用，通常约为 100mm x 100mm。由于 X-Y 场中的位置与反射镜的微小运动有关，因此 25 毫米的移动只需几毫秒即可前进、稳定并准备好进行焊接。
振镜扫描头有助于快速准确的点对点定位
振镜扫描头由两个反射镜组成，每个反射镜都安装在非常小的旋转电机上，称为振镜，简称“振镜”，它们又相互正交安装，使得两个反射镜的旋转运动转化为X轴和Y轴上的线性运动。电机体积小，定位速度快，稳定时间短，加减速率高，非常适合高速、短距离运动。图2显示了典型振镜扫描头的设计和组成。
与固定扫描头相比，振镜扫描头的主要优势在于，固定扫描头需要高精度和可重复的运动平台，这些运动平台将零件和必要的工具移动到扫描头下方。载物台和工具所需的动量会减慢不同方向运动所需的扫描速度和加速度。相比之下，振镜扫描头中的两个反射镜重量轻，可以快速移动，因为它们很小，移动质量不大。此外，镜子的小旋转与大的线性运动相当。振镜束在 100mm x 100mm 场中从一个角移动到下一个角所需的时间可以以毫秒为单位进行测量。相比之下，移动固定焦头部件所需的时间可能需要长达一秒或更长时间。
振镜束在高达约100mm x 100mm的视场尺寸上移动得非常快，使其最适合较小零件的点焊和缝焊。光束位置编程的灵活性及其移动速度也提供了在焊接路径顶部摆动光束的能力，以增加对接焊缝和角焊情况下的熔化面积，或在搭接焊缝情况下增加焊缝接触面积。换句话说，如果焊缝路径在X方向上，则摆动是横向Y方向，为熔池提供额外的宽度，从而产生更大的焊核。
在工业中，振镜扫描头是组装小型电池组的绝佳工具，每个电池组都必须连接在一起。它们也是电气互连应用的理想选择，尤其是在连接 2 到 3 个相对接近的插头或连接点时。其他典型应用包括零件托盘的点焊、小型医疗设备的焊接以及航空航天工业微波和射频封装的接缝密封。
虽然有几个优点，但振镜束焊接也有一些局限性。首先，扫描区域的大小受到光学选择的限制。对于超出磁场尺寸的焊缝，需要额外的运动才能将光束移动到所需位置。其次，振镜扫描头主要在二维平面上处理焊缝。对于某些人来说，添加了第三个维度以快速调整焦距 - 但如果焊缝缠绕在三维零件上，则需要额外的运动。
集成振镜系统
Amada Weld Tech在设计激光系统和确定最佳光束传输方面拥有多年经验，以实现所需的光斑尺寸，最大限度地减少功率损耗，优化吞吐量并确保易于维护。在过去的十年中，我们为医疗设备、电池、电子和航空航天行业集成了振镜扫描解决方案。
要确定合适的设备，必须考虑激光器规格和最适合的振镜扫描头以及工艺要求。
从激光器规格方面来看，激光束的发散度、波长和激光功率都需要考虑，以选择正确的光学元件和振镜扫描头将光束传递到零件。
光束的发散度决定了扫描头的孔径大小以及所需的光学元件。直径越大，磁场大小越小。
波长 – 决定光学器件的镀膜。
激光功率 – 确定头部是否需要风冷、水冷或两者兼而有之。
从工艺方面来看，视场和光斑尺寸是最重要的方面，但这些方面经常发生冲突，因为需要有大的视场，而通常需要有小的光斑尺寸。视场大小与 f-theta 透镜有关。视场尺寸越大，光斑尺寸越大。
视场大小 – 对于焊接应用和整个视场的一致性，首选远心镜头。这将视场大小限制为大约 100mm x 100mm。
光斑尺寸 – 所需的光斑尺寸取决于材料、工艺和焊接成功标准。
Amada Weld Tech为每种激光器类型选择了一些标准配置，以最大限度地提高焊接应用的视场尺寸和光斑尺寸。
基于振镜的系统的编程通常使用图形软件完成，该软件允许在DXF或其他CAD绘图文件中轻松编程，甚至从中导入各种形状和运动。然后，在最基本的水平上使用激光功率、速度和频率对形状进行编程。控制卡处理激光发射和振镜运动之间的时间。
在集成振镜和激光器时，另一个考虑因素是将使用的控制和通信协议。振镜扫描头和激光器通常是较大系统的子组件，可以通过外部PLC进行控制。 常见的通信协议包括串行或通过TCP/IP的远程API命令，以及以太网/IP现场总线。
此外，还有各种可选功能，包括视觉和过程监控系统、气刀、盖气、照明、自动对焦和安装配置。
从旧技术
过渡用于焊接过程的激光振镜扫描引入了一种新的制造技术——无论是定焦头焊接解决方案还是不同的焊接技术。与任何更改一样，除了其他安全问题外，了解功能和限制也很重要。
过渡：定焦头到振镜扫描头
这两者在潜在过渡之间最相似。振镜扫描解决方案为实现快速点对点定位和缝焊开辟了一种手段——尽管它仅限于振镜场区域。如果所需的处理区域超出了该区域，则需要考虑向新区域移动。这两种技术之间相似 - 对零件装配和材料选择的要求相同。两者的安全要求也相同，因为它通常使用相同类型的激光源。
过渡：从其他焊接技术到振镜扫描头
从不同的技术转变为激光技术带来了一系列不同的新考虑因素——包括需要适当防护装备的新能源和非接触式焊接工艺，需要适当的工具来实现要焊接的零件之间的良好配合。零件和焊接路径的设计通常需要重新考虑，以利用振镜速度及其定位的限制。
考虑使用振镜扫描头来扩展传统运动或机器人技术
振镜扫描头值得考虑用于各种激光焊接应用，以促进快速准确的点对点定位。它们是扩展 X/Y 工作台或机器人传统运动的理想解决方案。高重复性使其适合自动化。在设计制造工艺时，拥有可以适当定时的工艺可以缩短周期时间和可预测的吞吐量。
总结
振镜扫描技术为微焊接提供了许多好处。对于设计合适的零件，该技术可以大大缩短周期时间，提高点对点焊接和缝焊应用的生产吞吐量。它的快速运动可用于快速放置多个焊缝，还有助于克服零件装配中的制造公差。振镜扫描正被用于越来越多的应用和行业。易于集成到激光焊接工作单元和自动化生产线中，简化了这项新技术的采用，并使其成为微焊接的多功能工具。
