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采用激光焊接制造大尺寸零件

作者：（EWE）Matthias Neumann 来源：德国BLECH InForm杂志

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激光焊接已在大批量生产和制造中小尺寸构件的汽车制造业和其他工业部门得到了卓有成效的应用。由于质量要求愈来愈高以及材料价格的不断上涨（特别是高级合金钢材料），现在对于以生产件数少、规格尺寸大的构件和通用组件，采用激光焊接是有利的。而由于在激光光源和激光系统技术领域里的飞速发展，不断地出现了高效率的设备和新的焊接应用。人们在技术上有能力，对于板材厚度约高达20 mm的大多数适宜于焊接的任务，可以转向应用激光焊接。激光的优点主要是可以达到每分钟好多米的焊接速度，由于热传递距离短、热影响区窄，焊接变形就很小，可单层焊接I形焊缝准备的厚度约达10 mm的钢板以及有着焊接新的结构前景，例如焊接遮盖的T形接口。此外，在板料加工中已用激光切割好的板材正好可用于随后的加工，由于这种板材有着较高的棱边质量，这为随后的激光焊接创造了较好的条件。去年高合金钢的价格上涨趋势也提供了另一个支持应用激光技术的理由。这意味着：构件板材厚度可能的减小，可直接降低产品的价格。只要能成功，就不会由于附加的补充加工而失去这种板材厚度的减小。

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采用焊缝跟踪技术：激光焊接长的角焊缝

改变构件结构便于激光焊接

一个来自设备制造业的最充满活力的企业利用这种激光焊接工艺，打算高效和低成本地生产它的产品。在这个工厂里，迄今采用的不锈钢材料（1.4301）厚度为3 mm和8 mm，用来制造食品工业部门的设备。采用这样的材料厚度并不是出于构件必要的稳定性，而其实是要通过迄今采用的钨极氩弧焊（WIG）工艺的焊接技术，力求尽可能地来避免以后的补充加工（校直）。为获得结构和工艺上的支持以及解决设备设计问题，Imawis公司已着手开展焊接测试和进行零批量生产。

目前，设计人员的任务是把工艺改变为激光焊接工艺，坚持进行试验，并以减少板厚和显著降低生产费用为目标，以较小的生产批量和以约1000 mm x 1000 mm x 5000 mm的尺寸生产大型零件。专家们一开始就探究以前整个构件的结构类型，以便得到对激光焊接技术来说是最佳的构件结构。所以对于构件结构，考虑到插接式结构是可用来简化和精确预装配通用组件的一种结构方式。但是，只有当接口部位必须不是填隙焊接时才能有这种结构。

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另外一个认识是，恰恰对于较大尺寸的零件和较少生产件数的情况，一个良好的焊接结构的重要特点在于具有简单的焊缝。所以，连续的直线焊缝应该最好是一种具有不同方向的较短的焊缝。可能出现的公差，可以通过选择合适的接口形状来进行补偿，例如一种焊接搭接接口。在构件上焊缝位置应选择激光加工头能很好到达的部位。这意味着应放弃在90度的内角处进行焊接。如果在焊接过程中，确保连接板件在焊区相互重叠在一起，才可以推荐采用搭接连接。同样，较小的连接横截面较早是适合于有着较小力传递的焊接连接。在现在的情况下，为了改善力的传递，把焊缝设计成正弦曲线形（采用ILV-扫描系统设计焊缝形状）。如果所采用的激光功率选择得足够大，以致使焊缝完全穿过两个连接的板件，可以排除焊接处根部下面的气体，从而可以避免在搭接连接处的根部里产生气孔。恰恰在厚钢板范围内，可供使用的激光功率是可用格言“多多益善”来表达。为了有尽可能大的连接横截面，以显著地提高力的传递，采用角焊缝和I形焊缝是合适的。如果纯粹是关系到一个结构的密封性和通过工具仅从一个侧面给焊缝加负荷，那么可以采用角焊缝，对接焊缝或焊接深度较浅的卷边焊缝。为了确保工艺参数的可靠性，对此，进行了焊接试验，并确定了工艺参数的极限。采用这些工艺参数，在小批量生产的通用组件上可以高效地激光焊接各种不同的焊缝，焊接时必须要坚持标准化作业。对于我们设备制造厂的情况是，每年必须约生产35种不同结构通用部件的700件板材通用组件。在这些通用组件内可以有多种不同的构件宽度。同构件宽度变化不同，设计结构的变化是较大的挑战，开发的标准涉及到统一确定焊缝类型的技术规格，板材厚度配对和有关焊接参数。

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现在已经较干净：在焊缝清理之前的已激光焊接好的板材通用组件

夹紧固定的窍门

柔性弯板机和翻板机可以同最新一代的激光切割设备连接起来。在成形和下料时，目前可以达到的公差是很小的，以致为焊缝作准备时，在预装配的范围内可达到的间隙为0.2 mm。而对于有多种不同结构的板材通用组件和较少重复率的生产情况，费用投入较高的夹具在某种情况下促使生产成本走高，以致使激光技术设备的采用成为问题。在焊接时构件要进行的定位，一种选择是可以借助于钨极氩弧焊（WIG）工艺来预先粘结（这里是点焊—译注）板材。对此，切割下来的钢板和同样已折弯的单个钢板在手动工作位置进行定位、夹持和由手动进行粘结。在进行的操作中，重要的是相互保持恒定的粘结距离和可以重复的粘结点大小。粘结点的大小可以通过装有可调整过程时间的WIG装置来十分灵敏地进行控制。人们普遍认为：粘结点愈小，那么对于焊接就愈好。当然，在激光焊接中所出现的焊缝位置的变化必须通过焊缝跟踪系统来识别，和通过控制系统来进行调整。使用这种系统（例如采用激光三角测量法）的基础是已在上面提及过，即连接的标准化。由于完满进行了结构的改变，在这里所介绍的设备制造厂家在不锈钢方面的材料节约（由于材料厚度变薄）可以达到15 %至20 %。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/26/2009)


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