激光焊接在鈑金制造中的應(yīng)用及優(yōu)化

通快（中國）有限公司 （上海 200020） 王錦軍

1. 概述

激光焊接是利用極高能量密度的激光束熔合材料，具有焊接速度快、強(qiáng)度高、焊縫窄、熱影響區(qū)小，并且工件變形量小，后續(xù)處理工作量少，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。激光焊接不僅能焊接常見的碳鋼和不銹鋼，還能焊接使用傳統(tǒng)焊接方法難以焊接的材料，如結(jié)構(gòu)鋼、鋁、銅等金屬，且能夠焊接各種形式的焊縫（見圖1）。

圖1 適于激光焊接的焊縫類型

現(xiàn)代鈑金制造對(duì)焊接強(qiáng)度和外觀效果等質(zhì)量的要求越來越高，尤其是高附加值且對(duì)焊接質(zhì)量要求極高的部件，可以采用無需后續(xù)加工或者極少后續(xù)加工的方式來完成。而傳統(tǒng)的焊接手段，由于極大的熱量輸入，不可避免的會(huì)帶來工件扭曲變形等問題，因此為了彌補(bǔ)工件變形，需要大量的后續(xù)加工手段，從而導(dǎo)致費(fèi)用的上升。而激光焊接具有最小的熱輸入量，因此帶來極小的熱影響區(qū)，在顯著提高焊接產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，減少了后續(xù)工作的時(shí)間。另外，由于焊接速度快和焊接深寬比大，能夠極大地提高焊接效率和穩(wěn)定性，因此激光焊接在鈑金制造中的應(yīng)用越來越普遍，相關(guān)案例如圖2所示。

圖2 激光焊接在鈑金制造中的一些實(shí)例

2. 激光焊接：合二為一的工具

現(xiàn)代鈑金制造中，不同產(chǎn)品對(duì)焊接強(qiáng)度和外觀效果等質(zhì)量的要求是有區(qū)別的。比如電梯、廚具、食品設(shè)備的外觀件，需要非常美觀、光滑、無變形的焊接效果；而一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)件或者是后續(xù)需要噴涂的零件，則對(duì)焊接強(qiáng)度和焊接速度有較高的要求。而這恰恰能夠體現(xiàn)出激光焊接的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榧す夂附蛹瓤梢詫?shí)現(xiàn)焊縫美觀的熱傳導(dǎo)焊接，也可以實(shí)現(xiàn)高焊接強(qiáng)度、高焊接速度的深熔焊。熱傳導(dǎo)焊接需要較低的激光能量密度和較低的焊接速度，但是卻能夠得到非常美觀的焊接表面效果。與此相反，深熔焊接則需要較高的激光能量密度，但能夠得到很高的焊接強(qiáng)度和較高的焊接速度，如圖3所示。

圖3 激光焊接可實(shí)現(xiàn)深熔焊和熱導(dǎo)焊

作為全球最大的激光器制造商，TRUMPF還提供可以實(shí)現(xiàn)深熔焊和熱導(dǎo)焊的激光焊接頭。該焊接頭通過調(diào)整激光功率密度，可以在熱導(dǎo)焊和深熔焊間自動(dòng)切換，以便達(dá)到理想的外觀效果和焊接強(qiáng)度。它不僅可以實(shí)現(xiàn)無焊絲的激光焊接，發(fā)揮激光高速焊接的優(yōu)勢(shì)，也可以很好的使用冷送絲焊接功能，適用于在接頭縫隙過大，或者對(duì)于焊接區(qū)域金相結(jié)構(gòu)有特殊要求的情況。通快焊接頭和碟片激光器可以輕松地集成在國內(nèi)機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)中，滿足大多數(shù)中國鈑金制造用戶對(duì)于激光設(shè)備的高質(zhì)量、低成本的要求。

3. 現(xiàn)代鈑金生產(chǎn)流程

由于激光焊接時(shí)熱輸入極低，焊后變形量很小，且能夠得到非常美觀的焊接表面效果，故焊接的后續(xù)處理很少，可以大大削減或者取消龐大的拋光和整平工序上的人工。而這在人工成本不斷上升的今天，尤其具有現(xiàn)實(shí)意義。激光焊接是在密閉的安全防護(hù)罩內(nèi)進(jìn)行的，并配有自動(dòng)抽塵裝置，在保證員工的健康和安全的同時(shí)，也能保持廠房內(nèi)干凈整潔的工作環(huán)境。典型的現(xiàn)代鈑金加工工序流程如圖4所示。通快提供現(xiàn)代鈑金加工工序所需的設(shè)計(jì)、激光切割、沖壓、折彎、激光焊接、激光標(biāo)刻和自動(dòng)化料庫等整套的解決方案，并通過生產(chǎn)管理軟件統(tǒng)一管理各個(gè)設(shè)備，最大程度地提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

圖4 現(xiàn)代鈑金加工流程

4. 如何優(yōu)化鈑金生產(chǎn)流程：采用適于激光焊接的友好設(shè)計(jì)

相對(duì)傳統(tǒng)焊接，激光焊接的優(yōu)勢(shì)是很明顯的，但同時(shí)激光焊接對(duì)工件的前道加工精度及工裝夾具的要求也比較高。要最大程度地發(fā)揮激光焊接的優(yōu)勢(shì)，降低生產(chǎn)成本并提供生產(chǎn)效率，需要優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、激光切割、沖壓、折彎和激光焊接等整個(gè)鈑金生產(chǎn)工藝。

在實(shí)際生產(chǎn)中可以發(fā)現(xiàn)，使用激光焊接技術(shù)的鈑金產(chǎn)品的成本主要不是由激光焊接工序決定的，鈑金產(chǎn)品70%的成本是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)決定的。要降低生產(chǎn)成本，提高焊接效率，首先需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)入手。在初期產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮到激光焊接對(duì)工件的要求，比如，減少生產(chǎn)中的折彎工序、盡量采用激光切割板材、采用自定位設(shè)計(jì)等，會(huì)讓激光焊接程序和夾具變得很簡單，從而達(dá)到降低成本，提高效率的目標(biāo)，如圖5所示。

圖5 激光焊接鈑金工件的設(shè)計(jì)思路

在激光焊接前使用通快沖床的EasyJoin技術(shù)，可以在板材結(jié)合處沖出定位孔/齒。這樣裝夾時(shí)在定位孔/齒的輔助下，焊接夾具可以變得簡單，且在激光焊接后不留痕跡，從而獲得高質(zhì)量焊縫，如圖6所示。

圖6 適于激光焊接的角部焊縫設(shè)計(jì)

對(duì)于如何設(shè)計(jì)鈑金產(chǎn)品，使其達(dá)到滿足激光焊接的要求，獲得最佳的焊接效果并降低成本，通快可提供全面的技術(shù)咨詢和培訓(xùn)。此外，通快還在太倉市的工廠內(nèi)設(shè)立了專門的激光加工工藝中心（見圖7），可以在項(xiàng)目初期為國內(nèi)用戶提供產(chǎn)品的激光焊接可行性測(cè)試。

圖7 通快中國太倉工藝中心的激光焊接系統(tǒng)樣機(jī)，配有6.6kW的TruDisk碟片激光器

5. 激光焊接鈑金產(chǎn)品的優(yōu)化分析

圖8 激光焊接和傳統(tǒng)焊接的對(duì)比，以及激光焊接夾具

下面是一個(gè)實(shí)際案例，這家公司每年要生產(chǎn)1000件這樣的鋁合金產(chǎn)品，在采用傳統(tǒng)焊接方式進(jìn)行加工后，需要大量的拋光工序。拋光每個(gè)產(chǎn)品的成本約5歐元。如圖8所示，采用激光焊接技術(shù)后，增加的激光設(shè)備運(yùn)行成本和夾具約3500歐元，但卻節(jié)省了高額的拋光成本；每件產(chǎn)品的總加工時(shí)間降低了73%，單件產(chǎn)品的成本降低了40%。考慮到激光焊接夾具的投入和前期的準(zhǔn)備時(shí)間（如編程，焊接工藝調(diào)試）是一次性的，對(duì)于更大批量的產(chǎn)品，采用激光焊接更加經(jīng)濟(jì)。

6. 結(jié)語

激光焊接應(yīng)用于鈑金生產(chǎn)已經(jīng)多年，隨著近年控制技術(shù)和激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光焊接的使用也越來越簡單容易。如何發(fā)揮激光焊接在鈑金生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)，需要具有掌控全局的眼光，優(yōu)化整個(gè)產(chǎn)品制造流程。采用適于激光焊接的友好設(shè)計(jì)，是獲得美觀焊接表面效果，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。