Visotek 公司（密执安州普利茅斯）、弗朗霍夫美国激光技术中心（密执安州普利茅斯）和班德尔造船公司（阿拉巴马州莫比尔港）进行了合作，在海军研究局资助的小企业创新研究项目中共同开发氧炔激光焊技术，并首次在美国造船厂进行应用。其目标是发展并证明激光焊有能力成为一种划算的拼装式夹心板生产方法。
加工拼装式夹心板时，须利用激光切割机切割螺旋榫头增强板和面板榫槽。下一道工序把增强板和面板插装在一起，并旋转螺旋榫，将组件固紧。另一道工序是进行激光焊接，使面板彻底与增强板连成整体。这一概念为无夹具制造大型夹心板创造了条件,无夹具意味着惊人的成本节约。该原理还使人们能够对增强板的厚度和位置进行设计，优化夹心板的承载能力和载荷分布。在汽车工业，与之颇为相似的是（非线性）激光拼焊板。三维拼焊板也是可能实现的，通过切割弯曲的增强板并弯曲面板而获得增强板的形式。加工、焊缝横截面和产品如图1所示。
图1：激光焊接（左上）、典型横截面（右上）和焊接完毕的夹心板（下）
激光束穿透增强板的厚度，使增强板和面板之间的界面达到完全熔化，由此产生的焊核毫无孔隙，且边缘光滑饱满，说明了具有高强度和高疲劳寿命。而对单路激光焊接进行的研究却发现在界面上产生孔隙和不完全熔化的可能性高多了。为了达到充分熔化，逐条焊道必须重叠，其结果同摆焊相比，焊接时间明显增加了。
今年春天，班德尔公司的一台Tanaka 6kW CO2激光切割机上安装了柔性激光扫描镜 (FLO)，在宽20'、长160'的范围内切割精度均达到0.001"。这次更换使班德尔公司成为美国首家成功利用船厂生产设备进行激光焊接钢结构夹心板的造船厂，所用功率6 kW，1/8"和3/8"厚度的焊接速度分别为30 ipm和15 ipm（见图2）。
图2：柔性激光扫描镜（FLO）装在机器人的手臂上。激光焊接夹心板（右上）。
典型焊缝横截面（右下）
通过进一步研究并利用更大的激光功率，FLO系统可以用来焊接1/2"夹心板。未来的工作包括继续开发适合于铝、高强度钢和不锈钢等材料的焊接工艺，为制造轻质舰船结构板材提供方法。还要继续从事焊缝跟踪和焊接监控的一体化研究，以满足100%焊缝检验的需要——现在建造全新舰艇均要求对焊缝进行100%检查。利用榫槽拼装和激光焊接面板与增强板，该技术为经济地生产各种各样的形状复杂的夹心板提供了机会。
遥控焊接
Visotek与Fraunhofer不断进行FLO系统遥控焊接的研究，首批遥控焊接系统未采用龙门式机器人，而是利用高速扫描镜将激光束从一个焊道迅速移动到下一个焊道，这个优点有助于在工件的不同位置焊接多条短焊缝，正如在适当的位置焊接增强板一样。扫描镜可以使激光束快速移动，激光束横穿有效包线只是数十毫秒的事，而常规运动系统需要好几秒钟的时间进行重新定位。结果是生产能力可增加十倍，且激光器工作时间达95%。现代化系统采用光束质量高、输出功率6kW并带有固定扫描系统的CO2 激光器，将零件几何要素限定在主要取决于激光器的光束质量，激光功率目前限于6 kW，使焊接速度和材料厚度受到限制。
最近推出了三维遥控焊接，其方法是把扫描镜装在机器人手臂上，使机器人的功能和成本效益同扫描镜的光束高速转向能力合二为一。机器人路径可以按最小加速度和大回转半径进行规划，而扫描镜可以对曲折或“急转弯”的焊道进行补偿。多点焊接模式是可能的，例如每个焊点直径约10 mm，大小类似于电阻点焊点、U形钉或直线跳焊。实际的焊缝模式完全根据零件的强度和疲劳寿命要求而定制。最大功率4 kW、光束质量良好（一般通过0.2mm光缆传输）的Nd:YAG或光纤激光器，同专用高能量扫描系统一道使用。现在大约有50个机器人遥控焊接系统应用在不同的汽车厂及其供应商的生产之中。
CO2激光器的成本效益大大高于Nd:YAG或光纤激光器，然而，由于CO2 激光器的输出波长大，在运用于传统的高速扫描镜时无法使用绝缘的轻质激光镜片。带有水冷式激光镜和专利驱动器的FLO激光器安装在机器人的端部。6kW PRC激光器发出的光束通过一个机械臂进行传输。扫描镜与机器人的运动同步，产生直径8mm的圆形焊道。初始试焊采用的试样为：上层板料厚1mm，下层板料厚2mm。机器人速度约6 m/min时，每分钟可焊240点（见图3）。
图3：装有FLO激光镜的机器人遥控焊接试验装置。利用标准CO2 激光
器（PRC）发出的6 kW功率焊接1mm/2mm组合板，每分钟焊 240点，焊点直径8mm。
试样的底侧，“热斑”清晰可见，显示出提高焊接速度的可能性。为了检测一体化自动聚焦的功能性和响应时间，试样排列成不同的层次（见图3）。贴近台阶的两个焊点在焊接质量和熔透深度上未见差异。
利用CO2激光器的成本效益和FLO的大功率处理能力可以提高焊接速度并增加母材厚度，从而增加生产能力。该系统可以根据许多工厂可见的常规激光系统和机器人随时进行翻新改造，因此以最小的资本设备成本提供一种替代电阻点焊的可行选择。
Stefan Heinemann是美国Fraunhofer 激光中心的执行总监。
联系方式：sheinemann@clt.fraunhofer.com. (end)
|
