钎焊

锌可以防止钢铁生锈。因此，汽车制造商主要使用镀锌金属板作为车身。以前，保护性金属涂层是通过电镀施加的。然而，热浸镀锌现在正成为首选方法。它提供了更好的防腐蚀保护。当这种热浸镀锌金属板首次用于生产时，在软钎焊过程中出现了意想不到的问题。

软钎焊还是焊接？

与焊接相比，软钎焊为汽车工业中的批量生产提供了一系列优势。在焊接的情况下，金属板沿着焊缝本身被加热到熔化温度，然后两块金属板直接连接在一起。这需要高精度，并且不可能实现可见的焊缝质量。焊缝粗糙，锌的蒸发使其有气孔。然而，通过软钎焊，由不同材料制成的接缝被插入金属板之间作为填充材料。这种铜硅焊料——在软钎焊过程中液化，然后再次固化——不仅将零件连接在一起，而且填充了它们之间的间隙。结果，软钎焊允许更大的尺寸公差，并且在夹紧工件方面只需更少的努力。最重要的是，软钎焊允许以可见的质量制造无间隙的连接，这意味着无需首先进行进一步加工的情况下即可以对软钎焊的部件进行喷漆。

很明显，这些问题与钢板上的锌层有关。热浸镀锌的结果是，该层变得更加厚并且更加不规则。此外，它表现出不同的反射行为，这对软钎焊工艺也有负面影响。作为沃尔夫斯堡大众汽车技术规划和开发部门的工程师，Thorge Hammer负责这一软钎焊工艺，他知道如何解决这个问题:在软钎焊之前，锌应该从焊缝边缘除去。然而，这将需要通常的圆形激光光斑变成矩形的，并且还必须具有开口，焊料可以通过该开口进 给。然后，光斑的“前”角将负责去除锌，而矩形的较大部分则进行实际软钎焊。
分则进行实际软钎焊。Laserline公司首席开发工程师Markus Baumann博士回忆道：“从技术角度来看，这个解决方案是不可能的，但是我们走在了正确的轨道上。”。“我们没有生成具有复杂形状（因此光学上非常困难）的光斑，而是最终在主光斑上增加了两个较小的光斑。在软钎焊过程中，这些较小的光斑总是指向主光斑前面的接缝边缘，这个光斑尺寸在几平方毫米的范围内。”它们的能量足以蒸发该区域的锌层，开始熔化钢并产生轻微的氧化。这产生了所谓的钝化层，防止被主光斑液化的焊料的晃动。
因此，焊接零件不需要在喷漆前进行后续工作来去除焊接飞溅物。矩形主光斑被证明是一个很好的解决方案还有一个原因:它比圆形光斑更加均匀地在焊料上散发热量，这也有助于形成更平静的焊料浴。“有了这项技术，我们终于能够解决热浸镀锌金属板遇到的所有问题。”Luft博士欣喜地说。“该技术现在用在大众汽车的批量生产中。它允许我们达到每分钟4.5米的软钎焊速度。其他制造商将很快跟进。”

光学模块负责确保光斑的精确对准。它包含可选择性地修改激光束的各种光学元件。准直透镜对准离开光纤电缆的发散激光束，使得它们彼此平行。所谓的均匀化阵列产生正方形的主光斑，而其他光学元件分离光束并产生额外的光斑。在软钎焊的情况下，会在主光斑的正面和侧面产生两个前导光斑。为了在工艺结束时获得所需的干净接缝，必须精确设置主光斑和前导光斑之间以及两个前导光斑之间的功率分配。激光功率如何分配到这些光斑取决于光学元件的位置。通过在x轴和y轴上移动这些元件，可以实现所讨论的任务中所需的激光功率的精确分配。
例如，为了深度焊接铝，可以在较弱的大光斑内放置一个小的密集的光斑。为了将不同厚度的金属板焊接在一起，两个光斑可以适配到相应的材料。这可以在运行过程中完成，因为Laserline光学模块中的元件由电机移动。
该方形模块的边缘长度为12厘米，深度为5厘米。光学元件和精密的机械系统都安装在这个狭小的空间内。剩余给电机的空间没多少了。因此，对驱动的主要要求是紧凑性。
“我们选择1226 B FAULHABER系列直径为12毫米的无刷直流伺服电机，其中导螺杆直接联接到电机轴上，没有联轴器”，Baumann博士解释道。“这为我们提供了一个非常紧凑的驱动，尽管如此，它仍然可靠地提供了所需的功率和速度。电机控制器在系统中的简单集成是另一个重要的考虑因素。”FAULHABER的运动控制器安装在模块外部，通过RS232串行接口进行通信。如果Laserline客户需要，电机/控制器组合也可以通过CAN总线系统启动，而无需对机械装置或外壳进行任何更改。RS232控制器可以轻松替换为带CANopen接口的版本。

在软钎焊和焊接期间，激光光学器件安装在机械手上。这个机械手将激光光学系统移动到所需位置。光学器件必须承受相当大的动态载荷，这些载荷作用在电机上，并可能触发不希望的位置变化。“这对于FAULHABER电机来说没有问题，因为它使用集成式霍尔传感器检测其当前位置，如果需要，可以重新调整位置——最迟在激光器定位在接缝上时”，Luft博士强调说。“这让我们确信，任何不正确的定位都将被排除。多亏驱动的高质量，我们可以信赖其一致的可再现结果。这一点至关重要，因为我们的客户希望在至少七年的时间内无故障运行！”
对于Baumann博士来说，很明显他会在FAULHABER找到合适的电机——就像八年前他为新的变焦光学系统寻找合适的电机时一样。那时，步进电机通常用于这种类型的设备。然而，正如开发工程师报告的那样，这些步进电机在机械手的质量加速方面存在问题:“动态负载会导致步进电机丢失个别步数。为了防止这种情况发生，可以另外用编码器来确定和重新调整位置。这不仅复杂，而且这种组合也很昂贵。当我年轻的时候，我需 要一个用来制作模型船的紧凑型电机，我在FAULHABER找到了它。我在开发变焦光学系统时想起了这一点，联系了FAULHABER，并再次找到了最佳驱动。这帮助我们创建了一个极具成本效益的解决方案，该解决方案后来证明非常成功。”新型的多光斑模块也完美地完成了批量生产的工作。此外，这种光学系统已经得到了专家们的广泛认可:短时间内在工业应用中实现的技术解决方案和经济效率使“激光技术创新大奖”的国际评审团信服。 今年，评审团授予了开发团队一等奖。