技術(shù)干貨 | 激光+焦點(diǎn)監控技術(shù)在A(yíng)R/VR眼鏡焊接中的應用
伴隨著(zhù)5G時(shí)代的到來(lái)，消費電子市場(chǎng)得以加速發(fā)展，TWS耳機、AR/VR智能眼鏡等市場(chǎng)逐漸興起，2021年全球AR和VR智能眼鏡市場(chǎng)銷(xiāo)售額達到了204.7億美元，預計到2028年將達到348億美元。消費電子的外觀(guān)結構件制造要求材料加工性好且輕便美觀(guān)，6系鋁合金具有強度高、導熱性良好、可切削和化學(xué)拋光效果好等優(yōu)點(diǎn)，是制造電子產(chǎn)品外觀(guān)結構件的理想材料，廣泛應用于消費電子外殼。
激光加工具有高聚焦性和傳導性，可以避免熱量的散失和浪費。激光焊接通過(guò)脈沖光束或者連續的激光束來(lái)實(shí)現高速、高效、高質(zhì)焊接。當功率密度足夠高的激光束直接照射鋁合金表面時(shí)，鋁合金表面瞬間蒸發(fā)汽化形成“匙孔”，通過(guò)激光光束擺動(dòng)和移動(dòng)使匙孔處于流動(dòng)的穩定態(tài)，即匙孔周?chē)娜廴诮饘匐S著(zhù)匙孔的前移實(shí)時(shí)填充匙孔移開(kāi)后留下的空隙冷卻形成焊縫。
消費電子鋁合金結構件的組裝離不開(kāi)焊接工藝，目前應用于鋁合金的焊接技術(shù)可歸為三類(lèi)：
（1）TIG焊、MIG焊、等離子弧焊；
（2）激光焊、電子束焊；
（3）攪拌摩擦焊等。
基于鋁合金線(xiàn)膨脹系數大、高導熱率等特性，結合智能制造、高效焊接的發(fā)展趨勢，激光焊接鋁合金成為主流的焊接方式之一。與傳統的TIG焊和MIG焊相比，激光焊接鋁合金具備以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）能量密度高，熱輸入量小，焊接變形??；
（2）焊接速度快；
（3）配合視覺(jué)定位系統、擺動(dòng)焊接系統和工裝吹氣系統，可得到優(yōu)質(zhì)焊縫。
本文以材質(zhì)為6系鋁合金、厚度小于1mm的VR眼鏡為例，采用的激光焊接方式為拼接焊，無(wú)炸點(diǎn)和氣孔等缺陷，焊縫軌跡為沿外輪廓焊接一周。
由于VR眼鏡的外輪廓為無(wú)規則圖形，形似“蝸?！睜?，結合鋁合金材質(zhì)特性，VR眼鏡輪廓焊接采用單模激光器+三維四軸+焊接工裝+焦點(diǎn)監控模塊+CCD定位+擺動(dòng)焊接頭搭配同軸保護氣裝置，其中：
（1）單模激光器光束質(zhì)量高（M2＜1.4），焊接穿透力強；
（2）三維四軸包括X、Y、Z、W軸，絲桿搭配伺服電機可以保證VR眼鏡高速旋轉焊接；
（3）焊接工裝將VR眼鏡的左右兩部分進(jìn)行壓合，保證焊接無(wú)間隙；
（4）焦點(diǎn)監控模塊專(zhuān)用于無(wú)規則圖形的激光焊接應用，確保焊縫一致性，保證焊接效果；
（5）CCD定位可以保證焊縫位置一直處于拼接位置正中心，并在焊前預防來(lái)料異常（如裝配間隙大、焊縫位置偏移等問(wèn)題）；
（6）擺動(dòng)焊接頭+同軸保護氣裝置，保護激光與鋁合金進(jìn)行熱作用時(shí)發(fā)生氧化，且擺動(dòng)焊接方式可以擴大匙孔尺寸，利于規避焊接氣孔和裂紋等缺陷。
焦點(diǎn)監控模塊主要包含相機和控制軟件，其硬件示意圖和軟件界面如下圖1所示：
焦點(diǎn)監控的工作原理：采用設備激光器自帶指示紅光，使用相機接收在樣品上反射光的圖像信息，然后通過(guò)圖像處理，對光斑位置及相對激光焦點(diǎn)的垂直軸偏移量進(jìn)行校正，得到線(xiàn)性關(guān)系，從而實(shí)現快捷焦點(diǎn)監控和校正的功能。焦點(diǎn)模塊的核心技術(shù)指標如下表1所示：
焦點(diǎn)監控模塊的使用步驟如下：
為保證焊接效果，不同焊縫位置焦點(diǎn)差異控制在±0.2mm，焦點(diǎn)位置差異實(shí)時(shí)顯示在軟件界面上，軟件界面會(huì )顯示“綠燈”正常和“紅燈”異常提示，如下圖2所示：
通過(guò)使用具有上述單元模塊的焊接設備，焊接參數及焊接效果下如圖3所示：
高功率激光三維焊接均使用機器人+三軸工裝實(shí)現三維焊接，而精密激光焊接中焦點(diǎn)監控搭配激光擺動(dòng)焊接技術(shù)正成為不規則圖形焊接工藝的標準配置，其較強的焊接適應能力，使激光+焦點(diǎn)監控技術(shù)在3C消費電子、新能源電池、五金及醫療等行業(yè)的應用會(huì )越來(lái)越廣。
關(guān)于華工激光
華工激光是中國激光工業(yè)化應用的開(kāi)創(chuàng )者、引領(lǐng)者，全球激光加工解決方案權威提供商。我們全面布局激光智能裝備、量測與自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)、智慧工廠(chǎng)建設，為智能制造提供整體解決方案。
我們深刻把握制造業(yè)發(fā)展趨勢，不斷豐富產(chǎn)品和解決方案，堅持探索自動(dòng)化、信息化、智能化與制造業(yè)的融合，為各行業(yè)提供包括全功率系列的激光切割系統、激光焊接系統、激光打標系列、激光毛化成套設備、激光熱處理系統、激光打孔機、激光器及各類(lèi)配套器件、激光加工專(zhuān)用設備及等離子切割設備，及自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)、智慧工廠(chǎng)建設整體方案。
