工业制造中的3D测量与激光焊接技术
3D测量技术在复合材料加工中的应用
在大型机器人加工复合材料的过程中,为了提高加工精度,研发了一种原位混合3D测量方法。该方法通过构建一个混合传感系统来进行测试,这个系统结合了触触发式探头(Renishaw OMP400)和高速3D光学表面轮廓仪,并将它们安装在工业机器人手臂(Staubli RX170b)的末端执行器上。
3D光学表面轮廓仪的组成
3D光学表面轮廓仪主要由以下部分组成:
-
LED光条纹发生器
:波长为850nm,能够生成并投射不可见的条纹图案。
-
高分辨率CCD
:具有高达每秒60帧的高速采集率。
它采用基于三角测量原理的五步相移条纹原理来测量表面轮廓,在30mm的范围内深度测量精度可达5µm。
实验结果与分析
通过该方法得到的实验结果表明,其在测量精度上有显著提升。测量误差定义为三坐标测量机(CMM)测量数据(Xcmm, Ycmm, Zcmm, Dcmm)与实际测量数据(Xm, Ym, Zm, Dm)之间的偏差。分析测量误差可知,原位加工误差的最大定位误差在85µm以内。这意味着工业机器人加工复合材料外壳的最大定位误差可以从原来的400µm降低到小于100µm,加工精度提高了四倍,同时还能自动测量和验证关键几何特征。
以下是复合材料外壳加工定位误差的部分数据表格:
| Xcmm | Ycmm | Zcmm | Dcmm | Xcad | Ycad | Zcad | Dcad | Ex | Ey | Ez | Ed | Error |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 32.976 | -0.012 | 0.0 | 6.383 | 33.060 | 0.0 | 0.0 | 6.35 | -0.084 | -0.012 | 0.0 | 0.033 | 0.085 |
| -0.011 | 0.007 | 0.0 | 6.369 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 6.35 | -0.011 | 0.007 | 0.0 | 0.019 | 0.013 |
| 0.049 | 100.064 | 0.0 | 6.380 | 0.0 | 100 | 0.0 | 6.35 | 0.049 | 0.064 | 0.0 | 0.030 | 0.081 |
| 33.120 | 99.999 | 0.0 | 6.383 | 33.060 | 100 | 0.0 | 6.35 | 0.060 | 0.001 | 0.0 | 0.033 | 0.060 |
电动汽车电池异种材料的激光焊接技术
随着电动汽车的发展,电池技术成为关键。目前电动汽车使用的锂离子电池由多种材料组合而成,这些材料的连接面临着诸多挑战。
焊接材料与接头类型
电池内部的电流承载部件主要由铜或铝合金制成,外部母线需要与外部端子焊接以连接一系列电池单元。主要的焊接材料包括:
- 铝合金(3000系列)
- 纯铜
- 铝 - 铜
- 铜 - 不锈钢
- 铜与纯镍
- 铝与纯镍
- 镀镍钢
主要的焊接接头类型有搭接、对接和角接。电池组装的最后焊接步骤包括密封铝罐以隔离内部电解质,以及将极耳材料焊接到正负极端子以形成电池组的电接触。
异种金属的可焊性
异种金属的可焊性取决于多种因素,物理性质对能量耦合和热传递有很大影响。良好的固溶度对于获得良好的焊接性能至关重要,只有具有兼容熔化温度范围的金属才能实现这一点。如果一种材料的熔化温度接近另一种材料的汽化温度,则可焊性较差,且往往会形成脆性金属间化合物。
以下是金属对的可焊性表格:
| | Al | Ag | Au | Cu | Pt | Ni | Fe | Ti | W |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| Al | - | C | X | C | X | X | X | X | X |
| Ag | C | - | S | C | S | C | D | C | D |
| Au | X | S | - | S | S | S | C | X | N |
| Cu | C | C | S | - | S | S | C | X | D |
| Pt | X | S | S | S | - | S | S | X | X |
| Ni | X | C | S | S | S | - | C | X | X |
| Fe | X | D | C | C | S | C | - | X | X |
| Ti | X | C | X | X | X | X | X | - | X |
| W | X | D | N | D | X | X | X | X | - |
注:C表示可能存在复杂结构;X表示形成金属间化合物,为不良组合;S表示所有合金组合中存在固溶度;D表示数据不足,无法正确评估;N表示无可用数据。
激光焊接的优势与类型
与传统的灯泵浦Nd:YAG激光相比,光纤激光在焊接异种材料时具有诸多优势。光纤激光的光束质量好,聚焦能力强,其聚焦能力由逆光束参数积(BPP)定义:
Focusability = 1/BPP = 4/πL.dL
光纤激光焊接可以使用平均功率超过2kW的单模光纤激光器,也可以使用激光功率超过17kW的多模光纤激光器。多模光纤激光器通常由几个单模光纤激光器耦合到一根光纤中,虽然光束质量有所降低,但仍能使用小芯径光纤,从而在工件上实现非常高的功率密度。
实验详情
焊接测试在Laserdyne 430系统上进行,使用IPG 2kW连续波多模光纤激光器,光束质量≤4mm mrad。激光通过100µm直径的光纤传输,在工件上的计算光斑尺寸为143µm。实验主要针对铜和铝的焊接数据进行报告。
以下是铜和铝的一些重要热物理性质表格:
| 金属 | CTE(X10 - 6 K - 1) | LHF(Jg - 1) | SH(JK - 1 kg - 1) | TC(Wm - 1 K - 1) | MP(deg C) |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| Al | 23.5@ 0 - 100C | 388 | 900@ 25C | 237@ 0 - 100C | 660 |
| Cu | 17.0@ 0 - 100C | 205 | 388@ 25C | 401@ 0 - 100C | 1083 |
| Fe | 12.1@ 0 - 100C | 272 | 444@ 25C | 81@ 0 - 100C | 1535 |
注:CTE为热膨胀系数;LHF为熔化潜热;SH为比热;TC为热导率;MP为熔点。
在焊接过程中,调整参数和焊接速度以产生具有一致上焊缝和下焊缝的焊接,同时尽量减少飞溅和咬边。通过焊接喷嘴同轴提供焊缝上表面的气体保护,该焊接喷嘴(专利申请中)具有一些独特的功能,可以提高难焊材料的焊接质量。
mermaid流程图如下:
graph LR
A[开始焊接测试] --> B[调整参数和速度]
B --> C[提供气体保护]
C --> D[进行焊接]
D --> E[评估焊接质量]
E --> F{质量合格?}
F -- 是 --> G[结束]
F -- 否 --> B
综上所述,3D测量技术在复合材料加工中能有效提高加工精度,而光纤激光焊接技术在电动汽车电池异种材料连接方面具有很大的潜力,但仍需要进一步研究以减少金属间化合物的形成,提高焊接接头的机械性能。
工业制造中的3D测量与激光焊接技术
激光焊接实验结果与讨论
通过实验,已经开发出了用于焊接一系列电动汽车电池(EVB)材料的激光和加工参数,这些材料包括3000系列(Al - Mn)铝合金、纯铜以及铜与3000系列铝合金的组合。
焊接效果总结
- 同种材料焊接 :铝合金和纯铜在相似或不同配置下进行焊接,以实现与正负外部端子的电接触。主要焊接接头为搭接,因为这种接头对零件装配和公差的要求较低。在最佳激光和加工条件下,可以实现纯铜和3000铝合金无裂纹和气孔的焊接。典型的铜和铝合金焊缝横截面分别如图3和图4所示(此处虽原文提及未展示图,但保留描述逻辑)。
- 异种材料焊接 :铝与铜的焊接测试表明,没有单一参数能够控制焊接质量,而是激光和加工参数的组合对这些接头的焊接质量有显著影响。
激光参数的影响
- 激光输出调制 :高功率连续波激光器的调制输出有助于减少裂纹和气孔。调制可以实现对焊接过程中加热和冷却的控制,从而缩小焊缝金属的凝固范围,减少铝合金凝固裂纹的趋势,同时减少异种材料焊接过程中脆性金属间化合物的形成。
- 功率密度 :功率密度是焊接高反射材料时的重要参数。反射材料的高初始反射率可以通过足够高的激光聚焦光束强度来克服。随着材料温度的升高,吸收率会显著增加。与钢材相比,铝和铜在激光焊接起始时需要更高的功率强度。而使用较低的功率密度进行焊接可能会导致回反射问题。
- 激光光斑位置 :激光光斑相对于工件的位置可以进行偏移,从而对所得合金的成分进行一定的控制。
铜 - 铝合金焊接问题
铜与铝合金的焊接测试显示,在搭接和对接接头配置下都可以实现焊接。然而,对搭接接头的仔细检查发现,焊缝下部存在一些微裂纹。Cu - Al相图显示,焊接过程中可能会形成多种Cu - Al相。在非平衡冷却条件下,已知会促进CuAl₂的形成。图9(原文提及未展示)显示了焊缝底部附近的能量色散X射线光谱(EDX)。这些裂纹具有脆性特征,会显著降低拉伸强度,具体数据如下表所示:
| 焊接情况 | 拉伸强度 |
| ---- | ---- |
| 含裂纹焊缝 | 较低(具体数值未明确给出,因裂纹导致显著降低) |
| 理想焊缝(假设无裂纹) | 较高(对比含裂纹焊缝而言) |
目前正在进行进一步的工作,以生产出减少金属间化合物的焊缝,有望提高焊接接头的机械性能。
技术展望与总结
3D测量技术展望
3D测量技术在复合材料加工中的应用已经取得了显著的成果,将工业机器人加工复合材料外壳的最大定位误差从400µm降低到小于100µm,加工精度提高了四倍。未来,可以进一步优化混合传感系统,提高3D光学表面轮廓仪的精度和测量速度,以适应更复杂的加工需求。同时,可以探索将该测量技术与其他智能制造技术相结合,实现更高效、更智能的加工过程。
激光焊接技术展望
光纤激光焊接技术在电动汽车电池异种材料连接方面具有很大的潜力,但目前仍面临着金属间化合物形成导致焊接接头机械性能下降的问题。未来的研究可以集中在以下几个方面:
-
优化焊接参数
:通过更深入的实验和模拟,进一步优化激光和加工参数,以减少金属间化合物的形成。
-
开发新的焊接工艺
:探索新的焊接工艺,如添加中间层材料、采用脉冲激光焊接等,以改善异种材料的焊接性能。
-
实时监测与控制
:建立实时监测系统,对焊接过程中的温度、熔池形态等参数进行监测,并实现实时控制,以提高焊接质量的稳定性。
总结
3D测量技术和激光焊接技术在工业制造中都具有重要的应用价值。3D测量技术能够提高复合材料加工的精度,而激光焊接技术为电动汽车电池异种材料的连接提供了有效的解决方案。虽然目前这两项技术都还存在一些挑战,但随着研究的不断深入和技术的不断进步,它们有望在工业制造领域发挥更大的作用,推动制造业向更高质量、更高效的方向发展。
列表总结关键要点如下:
1. 3D测量技术:构建混合传感系统,提高复合材料加工精度,可自动测量和验证关键几何特征。
2. 激光焊接技术:光纤激光焊接在异种材料焊接中有优势,但存在金属间化合物问题,需优化参数和工艺。
3. 未来展望:3D测量可结合智能制造,激光焊接需优化参数、开发新工艺和实现实时监测。
mermaid流程图展示未来技术发展方向:
graph LR
A[现有技术] --> B[3D测量技术优化]
A --> C[激光焊接技术改进]
B --> D[结合智能制造]
C --> E[优化焊接参数]
C --> F[开发新焊接工艺]
C --> G[实时监测与控制]
D --> H[更高效智能加工]
E --> I[减少金属间化合物]
F --> I
G --> I
I --> J[提高焊接质量稳定性]
H & J --> K[推动工业制造发展]
通过以上对3D测量技术和激光焊接技术的分析,我们可以看到它们在工业制造中的重要性和发展潜力。在未来的工业生产中,合理应用和不断改进这些技术,将有助于提高产品质量和生产效率,满足不断增长的市场需求。
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