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大型材料的激光焊接

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“钣金”这个词让你想起什么？大多数人可能会回答“烤盘”或“挡板”之类。那是因为他们不了解伏能士国际大功率焊接主管 Herbert Staufer 在通快澳大利亚公司位于 Pasching 的生产车间从事的工作。那里的钢板长达4米，厚200毫米，放在地上有脚踝那么高。伏能士成为复合焊机的领先供应商之一，Staufer对这种材料了如指掌也就不足为奇了。

他通常以客户的身份前往Pasching，不过最近又成为了联合项目的供应商。Thomas Reiter是Staufer的项目合作伙伴兼客户，负责Pasching的钣金加工，他解释了邀请Staufer参与项目的原因：“我们要焊接这些板材并制成折弯机的机架，这需要非常专业的焊接技术。”为展示实际的工作情况，两人放下金属板走向了一面灰色的墙，看上去像是没有窗户的生产厂外墙，但显然是在车间内部。TruDisk 8002碟片激光器就靠在墙上，相比之下显得颇为小巧。

在墙的另一面，大型激光安全房中的液压系统吊起 20吨的钢板并倾斜至所需的角度。横梁移动到设备上方，伸出装备着复合焊接头的机械手臂，缓缓划过第一列焊缝焊点，使用激光加热材料，然后重头戏就要开始了：激光束和金属活性气体（MAG）电弧焊枪共同作用焊接焊缝。这些焊点深度厚达8毫米，最终可承受高达320吨的压力。如此不断重复，使折弯机能够在整个使用寿命期间正常工作。

在激光房外，Staufer和Reiter通过监视器观察着加工过程。Reiter说道：“我们曾经将机架送到外面手工焊接，花费了整整一周！此后，我们决心提高效率。”他很快就发现激光复合焊是合适的解决方案。“这种焊接工艺要快得多，因为我们只需要一道焊接，不像电弧焊必须一点一点完成。而且我们还能用激光预热材料，自动加工也更容易保证质量。”因此他将这种解决方案作为方案A，为以防万一，他还准备了方案B——可与传统MAG焊接机器人搭配的自动解决方案。“但方案B需要预热装置和后续的消除应力热处理。”Reiter说道，因此没人想使用方案B。但是方案 A 存在一个巨大的问题，正如Staufer所说：“我们已经交付了一百多个激光复合焊头，但是之前加工过的最厚的板材也只有10毫米。”

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伏能士激光复合焊枪头功率10kW

两年前，Reiter和Staufer在伏能士的研发实验室花费了大量时间，一系列显微照片显示，焊件剖口出现了很多细小的裂纹和瑕疵，导致焊缝不可用。他们也曾信心满满，Staufer回忆道：“8千瓦的激光功率能够轻松将材料穿透12毫米，但对于小孔我们完全无法控制。”这种裂纹说明问题在于预热。“使用激光预热时，我们能够充分控制参数，但是不管怎么调整温度，裂纹都没有一点变化。”

似乎方案B已成为唯一的选择，但在一次会议上，通快提出了从根本上调整焊接策略的想法，Reiter笑着回忆道：“也许是因为我们只差一点就放弃方案A了，所以我们问自己：我们真的需要那么深的焊缝才能实现完美稳定的接口吗？”所以Staufer和他在伏能士的激光专家团队开始逐渐降低焊接深度，达到10毫米时，他们终于松了一口气，焊缝质量开始不断提高，“在8毫米的时候我们终于获得了理想的焊接效果。”Staufer说道。

有了这次阶段性胜利，项目团队开始着手解决接下来的问题。Staufer说道：“为优化焊接加工，激光要以正确的角度接触材料，但是机器人不够灵活，不能接触到每个焊点。”所幸Staufer非常清楚该怎样解决这个问题。

Raimund Geh喜欢这种挑战。他的公司Femitec GmbH位于奥格斯堡附近的格斯特霍芬，专业从事焊接系统设计。他阐述了自己解决这个问题的方法：“如果配有激光复合焊头的机械手臂无法接触到焊点，我们可以代替这部分工作。”他的想法是利用一个配有卡盘的变位机。“我们确信这可以让我们在平焊位置进行焊接。”Geh和他的团队开发了一个复杂的仿真系统测试自己的理论，下一步就是投入实践。

安川欧洲有限公司是一家领先的传动技术、工业自动化和机器人制造商，致力于将公司愿景转化为现实。项目管理负责人Otwin Kleinschmidt将手掌倾斜成关键的45度，然后笑着说：“理论很简单，就是变位机加上卡盘装置，只是比较大而已。”

团队碰到的第一个难题就是要设计出能够承受数吨重量的液压系统，位置精确到毫米。Kleinschmidt解释说：“只有这样才能使焊接机器人正好处在焊接路径上。”另一个难题就是协调机器人和横梁的移动，不过在实践4个月后，一切终于都步入了正轨。

在Pasching，Staufer和Reiter又开始查看各种机床。他们前面是放在托盘上的工件，起重机正帮助生产工人把钣金放到工作台上合适的位置，整个过程需要两个小时。这听起来很复杂，但是相对正在加工的部件，这其实已经是非常快速的解决方案了。然后，变位机沿着轨道移动到激光安全房。焊接机器人就位后，工人移动到安全房的另一端，将下一个机架夹到第二个工作台上。Reiter说：“采用这个系统，我们每周能焊接20多个机架。”Staufer也很高兴：“我们已经能够使用这种焊接工艺处理不同的订单了。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/1/2016)


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