激光复合焊：强大的生产工艺
发布时间：2018-06-13
激光复合焊接（LHW）是材料加工应用中的一种新型工艺，在激光自动化专家的不懈努力下已实现工业应用。激光复合焊的优势主要在于热变形小，焊接速度快，机械性能极佳。得益于诸如高精度大型龙门式机器人，内部光路集成，离线编程等各种技术，激光复合焊工艺自动化已经成为最前沿的制造技术。
激光复合焊（图1） 兼备电弧焊（比如惰性气体保护焊MIG）与激光焊的工艺特点，其极佳的焊接效果是其它工艺无法达到的。
MIG焊具有较高的熔敷率，可以增强焊缝间隙的容忍度，而激光能量集中，更有助于提高熔深，往往不需要对母材本身进行特殊预处理。
激光复合焊具有以下几点优势：
焊接效果深而且焊道窄；
焊接速度快；
热输入低；
热影响区小；
热变形小；
焊缝质量高，外观佳，物理性能好；
返工率低；
焊缝底部控制好，可实现单面焊双面成形。
激光复合焊可应用于铁路机车（如车厢侧墙），集装箱，工程机械（如高强度起重机臂架），汽车及汽车配件，造船等行业。随着工艺研发的深入，激光复合焊工艺自动化将被引入更多行业。
激光发生器
激光复合焊需要优质的连续(非脉冲)光纤激光源。一般情况下，激光复合焊所需的激光功率为8-16kW，工件厚度越大，需要的功率也就越高。目前为止，只有少数激光器制造商可以提供适用于LHW的高功率激光发生器。光纤激光器操作灵活度高，可实现激光头与工件作相对运动。如果用CO2激光发生器，那么可能就需要移动工件来进行操作，而且能耗较高。使用激光的波长一般在880 nm~1100 nm。如果结合高功率的需求来讲，光纤激光发生器或碟片激光发生器是较好的选择。至于生产节拍，有时一条焊缝往往需要8到10分钟，更换部件大约需要5分钟，然后移至另一条焊缝进行作业，这使得冷却系统成为关键。
激光焊焊头
激光功率取决于激光发生器，而光束控制是取决于光路传输系统（即激光焊头）。复合焊工艺应用对光束的传输及路径上需要很高的精度控制。除高精度外，焊接中使用的激光头必须坚固耐用，以满足在极端条件下作业。因为要配合MIG焊枪使用，LHW的激光头必须配置专用气帘与防护镜片来防止弧焊产生的飞溅物。
柔性加工
激光复合焊的灵活度和焊接质量关键在于使用适合的机器人，同时配置相应的激光工具头和焊枪系统。要求较高的路径精度和重复定位精度，因此徕斯高强度的龙门式机器人系统非常适用。龙门式机器人拥有较大的工作范围，可加工大型工件，同时节省地面空间（见图2）。龙门式机器人配置成为机器人三维运动最大的柔性可能。
此外， 复合焊激光头（ 图3 ） 有一定重量，所以对机器人的有效负载也有一定的要求，整个龙门式机器人系统设计非常强劲，足以承受动态负载，同时仍可保证高精度。
不同工件焊接编程的简易程度和速度是生产操作的关键。图纸文件的导入快速生成加工程序，实现不中断生产是效率最大化的重点，离线编程可以实现整个系统运行的优化。徕斯机器人ProVis程序可实现工作单元，机器人和工件的可视化，可使程序员在不影响生产的情况下编写部件的焊接程序。
除了机器人的控制精度，需要特别注意的是在上述激光复合焊系统中，可集成焊接电源，激光器，保护气体，视觉系统等编程和控制。尽管机器人系统坐标系异常复杂，但徕斯的RobotStarVI控制系统和新型reisPAD 示教盒让编程作业变得十分直观，干脆并且快速。
激光复合焊需使用高功率激光，因此，车间安全至关重要。激光工作室必须配置特殊的传感器与开关控制来防止激光误射。激光工作室必须设有急停控制。徕斯专利产品LaserSpy监控器可以避免光束外泄的风险，大大增加激光房工作室操作安全性。
实际应用
徕斯机器人激光复合焊应用案例之一，图4为某工厂已经交付的激光复合焊接系统，具体工件是重型移动式起重机的长臂架（见图2）。减少高强度钢焊材的填充量可减少起重机臂架重量，这点在加工长达72米伸缩臂时尤为显著。即便是两倍的焊速，焊接效果也远优于常规工艺。
如用低于0.5 m/min的常规MAG焊，这些臂架需要2-3层焊接。激光复合焊则通过使用局部夹板来固定2个工件，不会引起实质性的焊接热变形。在以1m/min焊接速度情况下，可达到15mm厚度无坡口对接焊一次焊透效果，无需在底部进行再处理。该工艺适用于0至1mm的焊缝间隙，而且无需进行参数调整。
使用一个龙门架悬挂式机器人，可实现对工件连接处纵向焊隙进行灵活定位和精准焊接。机器人集成对弧焊喷嘴，激光头，焊缝跟踪，气电管道，电缆等各种设备的控制。龙门式系统可让预置工件通过轨道传送车进入激光工作室，以此确保激光系统的顺畅运作，并使系统效率得到优化。总之，徕斯的激光复合焊接系统(包括最尖端设计与材料)，为这家制造商提供了一个具有强大竞争优势的解决方案。
准备焊接系统升级
众多客户开始意识到尖端生产工艺的重要性，例如激光焊接和切割等。一系列的因素正驱动着这一趋势的发展，其中包括：1） 对产品更高质量的要求；2）激光系统成本的降低（激光设备成本比2006年降了30%-40%，而所需要纤维激光器的功率仅为CO2激光器的1/3）；3）新型改良的激光材料加工系统。那些具有前瞻视野的企业将这些竞争对手未掌握的技术应用于生产，势必可以获得了更大的市场和技术优势。
激光复合焊同时也是自动化，工艺控制和冶金等研究的交叉领域。该工艺在大量研发工作的支持下已取得了长足发展，如能有效应用于自动化生产系统中，将大大提升企业的生产效率。
