再创新高 | Faulhaber助力突破汽车工业批量生产历史性难题！

激光束能非常精确高效地熔融金属甚至使其蒸发，正因如此，它们越来越多地用于汽车或其他领域中的焊接和软钎焊。

通常，传统的激光装置仅有单个焦点或“光斑”，如焊枪。不过，德国Laserline公司现已开发可用于激光软钎焊和焊接的多光斑光学器件，这为处理高难度加工材料提供了便利。其中，FAULHABER驱动有幸与其合作，以确保光斑能量的正确分配。

汽车制造商主要使用镀锌金属板作为车身，因为锌能防止钢铁生锈。以前，保护性金属涂层通常采用电镀涂覆。然而，现在的首选方法是热浸镀锌，因为它能提供更佳的防腐蚀保护。但是，当这种热浸镀锌金属板用于生产时，软钎焊过程出现了意想不到的问题。

软钎焊还是焊接？

与焊接相比，软钎焊为汽车工业批量生产提供了诸多优势。

在焊接过程中，金属板沿着焊缝被加热至熔化温度，然后将金属板连在一起。这需要高精度，且不能出现明显焊缝。若焊缝粗糙，锌熔融时会产生气孔。

然而，在软钎焊中，接缝由不同材料组成，它们在金属板之间作为填充材料。这种铜硅焊料在软钎焊过程中会液化，然后固化，因此不仅能将零件焊在一起，还填充了间隙。

因此，软钎焊可承受更大的尺寸公差，在夹持工件方面也无需耗费太多工作。最重要的是，软钎焊允许出现焊缝，这意味着无需进一步加工即可对软钎焊部件进行喷漆。

然而，在热浸镀锌金属板时，焊料出现异常。“在焊缝旁的表面，焊料的液态飞溅物增加。特别是微小的飞溅物，最初很难看到，但在喷漆后会变得清晰可见”，Laserline公司汽车销售经理Axel Luft博士在报告中指出。“实际焊缝的质量也有所下降，它更粗糙，经常形成波纹，就是焊料会穿过最初预计的焊缝边界。”

热浸镀锌金属板的软钎焊解决方案

很明显，这些问题与钢板上的锌层有关。在热浸镀锌后，锌层变得更厚也更不规则，其异常反应对软钎焊工艺产生了负面影响。

德国大众汽车技术规划和开发部工程师Thorge Hammer负责该软钎焊工艺，他给出了解决方案：在软钎焊前将锌从焊缝边缘除去，然而，这需要将常见的圆形激光光斑变成矩形，且需开口，才可供给焊料。接着，光斑的“前”角会去除锌，剩余的矩形部分则进行软钎焊。

Laserline公司首席开发工程师Markus Baumann博士表示：“从技术角度来看，该解决方案不可行，但方向是对的。我们无法生成形状复杂（光学上非常困难）的光斑，于是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（仅数平方毫米）会一直瞄准主光斑前的焊缝边缘，其能量足以熔融该区域的锌层，然后熔化钢并产生轻微的氧化并形成钝化层，从而防止主光斑在液化焊料时产生晃动。

因此，在焊接零件时无需在喷漆前进行加工以去除焊接飞溅物。经验证，矩形主光斑是一个非常好的解决方案，其原因还包括：和圆形光斑相比，它在焊料上散热更均匀，这有助于形成更平稳的焊料浴。“有了这项技术，我们能解决热浸镀锌金属板遇到的所有问题。”Luft博士欣喜地说。“该技术现已用于大众汽车的批量生产。软钎焊速度每分钟达4.5米。其他制造商将会纷纷效仿。”

光学模块化光束分离

光学模块可确保精确对准光斑，它含有可调整激光束的各种光学元件。准直透镜可对准光纤电缆的发散激光束，使其平行运行。均匀化阵列则产生方形主光斑，其他光学元件会分离光束并生光斑。

在软钎焊时，主光斑的正面和侧面会产生两个前导光斑，为了在加工后形成干净的焊缝，必须精确设置主光斑和前导光斑以及两个前导光斑之间的功率分配。还可通过光学元件的位置来分配光斑的激光功率，并通过x和y轴移动这些元件来精确分配激光功率。

例如，为了深度焊接铝，可在较弱的大光斑内放置一个较小且密集的光斑。为了将不同厚度的金属板焊在一起，两个光斑可适配相应的材料。这可在运行过程中完成，因为Laserline光学模块中的元件可通过Faulhaber驱动来移动。

该方形模块长12厘米，高5厘米，光学元件和精密机械系统均安装在这个狭小空间内，因此，电机的空间十分有限，这对驱动的紧凑性提出较高要求。

“我们选择了FAULHABER 1226 B系列无刷直流伺服电机，直径仅12毫米，无联轴器，其导螺杆直接连接到电机轴上，”Baumann博士解释到，“尽管非常紧凑，但它仍能可靠地提供所需的功率和速度，还能简单便捷地集成到系统中。”

FAULHABER运动控制器可安装在模块外部，通过RS232串行接口即可实现通信。若客户需要，电机/控制器组合也可通过CAN总线系统启动，无需对机械装置或外壳进行任何改动。RS232控制器还可轻松替换为带CANopen接口的版本。

可确保定位的驱动

在软钎焊和焊接时，激光光学装置安装在机械手上，它能将激光光学系统移到所需位置。因此，光学器件需承受较大的动态载荷，这些载荷会作用在电机上，并导致其位置发生变化。

“这对FAULHABER驱动而言毫无影响，因为它可通过集成的霍尔传感器检测当前位置，如有需要还可在激光器定位在焊缝上之前对位置进行相应调整，”Luft博士强调说。“因此可排除任何错误定位，这得益于Faulhaber高质量的驱动产品。这一点至关重要，因为我们的客户希望至少七年内无故障运行！”

显而易见，FAULHABER驱动能满足Baumann博士的需求，就像八年前他为新的变焦光学系统寻找电机时一样。

那时，步进电机常用于这类设备。然而，正如开发工程师报告的那样，这类步进电机在机械手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，可用编码器来确定并重新调整位置。这不仅复杂，而且也很昂贵。

我年轻时需要用紧凑型电机来制作模型船，FAULHABER刚好能满足我的需求。后来，我在开发变焦光学系统时想起了FAULHABER，并再次找到了最佳驱动装置，它帮助我们创建了极具成本效益的解决方案，后来证明非常成功。”

新的多光斑模块也完美地完成了批量生产任务。此外，这种光学系统已得到专家们的广泛认可：短时间内在工业应用中实现的技术解决方案和经济效率让“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。

关于 FAULHABER

FAULHABER 是一家独立的由家族经营的集团公司。公司总部在舍奈希（德国），这里是欧洲最重要的高级工业技术区之一。

FAULHABER成立于1947年， 目前掌 握了广泛设计诸多领域的先进的小型和微电机技术，作为单一供货商为全球 客户提供多种产品。基于技术多样性，我们设计最小空间内能保证精密性和可靠性的驱动解决方案。其主要应用领域包括生产自动化、机器人、航空航天、光学系统以及医疗和实验室技术。

除了德国 FAULHABER 还在瑞士、美国、罗马尼亚和匈牙利拥有其他研发和生产基地。经销商和分支机构遍及世界各地 30 多个国家。FAULHABER 目前拥有员工 1900 余名。

福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司位于江苏省太仓市,是总部位于德国的FAULHABER集团的全资子公司，负责FAULHABER集团微型驱动系统在中国的销售，技术支持和服务。