激光+焦點監控技術在AR/VR眼鏡焊接中的應用

消費電子的外觀結構件制造要求材料加工性好且輕便美觀，6系鋁合金成為理想材料。本文分析了激光焊接鋁合金具有的優勢，以及激光+焦點監控技術在AR/VR眼鏡焊接中的應用。

伴隨著5G時代的到來，消費電子市場得以加速發展，TWS耳機、AR/VR智能眼鏡等市場逐漸興起，2021年全球AR和VR智能眼鏡市場銷售額達到了204.7億美元，預計到2028年將達到348億美元。消費電子的外觀結構件制造要求材料加工性好且輕便美觀，6系鋁合金具有強度高、導熱性良好、可切削和化學拋光效果好等優點，是制造電子產品外觀結構件的理想材料，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。激光焊接通過脈沖光束或者連續的激光束來實現高速、高效、高質焊接。當功率密度足夠高的激光束直接照射鋁合金表面時，鋁合金表面瞬間蒸發汽化形成“匙孔”，通過激光光束擺動和移動使匙孔處于流動的穩定態，即匙孔周圍的熔融金屬隨著匙孔的前移實時填充匙孔移開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焊接工藝，目前應用于鋁合金的焊接技術可歸為三類：（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?；阡X合金線膨脹系數大、高導熱率等特性，結合智能制造、高效焊接的發展趨勢，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點：（1）能量密度高，熱輸入量小，焊接變形??；（2）焊接速度快；（3）配合視覺定位系統、擺動焊接系統和工裝吹氣系統，可得到優質焊縫。

本文以材質為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，無炸點和氣孔等缺陷，焊縫軌跡為沿外輪廓焊接一周。

由于VR眼鏡的外輪廓為無規則圖形，形似“蝸?！睜?，結合鋁合金材質特性，VR眼鏡輪廓焊接采用單模激光器+三維四軸+焊接工裝+焦點監控模塊+CCD定位+擺動焊接頭搭配同軸保護氣裝置，其中：

（1）單模激光器光束質量高（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行壓合，保證焊接無間隙；

（4）焦點監控模塊專用于無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，并在焊前預防來料異常（如裝配間隙大、焊縫位置偏移等問題）；

（6）擺動焊接頭+同軸保護氣裝置，保護激光與鋁合金進行熱作用時發生氧化，且擺動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：

圖1-1焦點監控模塊示意圖

圖1-2軟件界面

焦點監控的工作原理：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，然后通過圖像處理，對光斑位置及相對激光焦點的垂直軸偏移量進行校正，得到線性關系，從而實現快捷焦點監控和校正的功能。焦點模塊的核心技術指標如下表1所示：

表1 焦點監控模塊技術指標

焦點監控模塊的使用步驟如下：

為保證焊接效果，不同焊縫位置焦點差異控制在±0.2mm，焦點位置差異實時顯示在軟件界面上，軟件界面會顯示“綠燈”正常和“紅燈”異常提示，如下圖2所示：

圖2-1 焦點位置正常

圖2-2 焦點位置異常

通過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：

圖3-1 焊縫效果圖

圖3-2 切片圖

表2 焊接參數表

高功率激光三維焊接均使用機器人+三軸工裝實現三維焊接，而精密激光焊接中焦點監控搭配激光擺動焊接技術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+焦點監控技術在3C消費電子、新能源電池、五金及醫療等行業的應用會越來越廣。