1． 概述

（1） 激光焊接的意義

2001年以前，中國的換熱器板基本采用傳統(tǒng)的焊接方式，歐美等國較早使用了該項(xiàng)新技術(shù)，并且大量向中國出口由激光焊接后的換熱板及其罐體，導(dǎo)致我國相關(guān)企業(yè)在競爭中處于被動地位。領(lǐng)創(chuàng)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)成功研制出高速度，高精度和高可靠性的大型激光板焊加工設(shè)備。

該設(shè)備是利用激光將上層薄形不銹鋼板通過中心穿透熔化焊方式與下層較厚或相同厚度的不銹鋼板焊接在一起的先進(jìn)加工工藝。被焊的上下板可以具有不同或相同的厚度，一般薄板小于3mm，厚板小于20mm。通過焊接可以成型蜂窩式夾套、板式換熱器等換熱罐體和裝置。該工藝可以極大減小工人的勞動強(qiáng)度，無焊條損耗，無環(huán)境污染。CNC控制有效地提高了制件的精度，焊縫光滑無雜質(zhì)，強(qiáng)度高，均勻致密，焊后工件變形小，無需附加的打磨工作。材料利用率可達(dá)100％，加工效率成倍提高。另外通過專用自動編程軟件控制，可方便地更換焊接圖樣，以滿足不同冷媒，耐壓和換熱需要。

（2）這類設(shè)備廣泛應(yīng)用于啤酒，化工制藥，制冰水等行業(yè)。

2．影響激光焊接的主要工藝參數(shù)

（1）激光光功率；一般要大于形成小孔效應(yīng)所需的臨界功率。

（2）能量密度：能量密度一般大于10⁶W／cm²。

（3）焊接速度：焊接速度主要與激光功率有關(guān)，在保證焊透和不焊穿的情況下，焊接速度隨功率增大而增大。

（4）保護(hù)氣體：主要有氬氣，氦氣和氮?dú)?。氬氣使焊縫光滑均勻，氦氣能顯著增強(qiáng)焊透能力。

（5）噴嘴系統(tǒng)：主要與噴嘴直徑和嘴板距以及焦距有關(guān)。噴嘴直徑大，氣壓高，則保護(hù)好，過大則容易污染聚焦鏡。嘴板距大焊縫保護(hù)不好，過小則易于導(dǎo)致噴嘴過熱和污染鏡片。焦距過長，鏡片不易污染，但能量密度小，焦距過小則容易損壞鏡片，但能量密度大，視光源種類和功率不同，一般選用焦長190至300毫米的聚焦鏡。

（6）分段焊接時采用透鏡聚焦較好，這是因?yàn)檫B續(xù)焊接時間短，不至于因透鏡發(fā)熱導(dǎo)致透鏡變形從而造成焦距變化或焦點(diǎn)漂移，使用透鏡聚焦能量密度也相對高，同時可實(shí)現(xiàn)氦氣與氬氣保護(hù)氣體同軸噴出，焊透效果也好，但金屬汽化后的反濺容易污染透鏡。若焊接長直線時則采用反射式拋物面聚焦，焦距采用200MM，直接冷卻聚焦鏡，可實(shí)現(xiàn)長時間連續(xù)焊接，通過加裝隔離窗口鏡實(shí)現(xiàn)保護(hù)氣體同軸噴出，能量密度相對較小，可達(dá)到類似的深熔焊效果。

3．設(shè)備的構(gòu)成

激光焊接設(shè)備由激光器、機(jī)床主體、冷卻系統(tǒng)、外光路導(dǎo)光系統(tǒng)、輔助氣體，自動編程軟件，另外還有夾具等組成。其中主機(jī)部分由CNC控制系統(tǒng)，底座，龍門移動梁，Z軸聚焦系統(tǒng)，工作臺以及伺服驅(qū)動的液壓、氣動夾鉗等組成。

圖1 LEAD－WF型激光焊接設(shè)備

4．關(guān)鍵技術(shù)

（1） 兩層板料的夾緊技術(shù)

本機(jī)采用四缸同步液壓夾緊機(jī)構(gòu)，將待焊接的兩層板料嚴(yán)密地壓實(shí)貼合在一起，確保間隙不大于上層板厚的5％，若間隙在此范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)焊接區(qū)快速有效的工作。該機(jī)構(gòu)使前后壓料梁同步壓緊，使板料無移位，無變形，從而保證了焊接區(qū)焦點(diǎn)的恒定，確保了焊接區(qū)各點(diǎn)的焊接質(zhì)量的一致性。對于薄板＋薄板的焊接，焊接區(qū)采用特殊的微頂技術(shù)，有效消除板之間隙。

（2）圈焊與線焊的互換技術(shù)

該設(shè)備既可進(jìn)行圈焊又可進(jìn)行長直線的焊接，圈焊是在兩壓緊梁壓緊板料于焊接區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，焊接時板料不動，而線焊需要板料在CNC控制下移動V軸或W軸，焊槍不動，此焊接方式需要U軸跟隨，通過雙向前后壓料輪壓緊板料，使其貼合在下層板上，并使Z軸隨動而實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)功能基本滿足了啤酒制罐行業(yè)的使用要求。

圖2  焊接工件

（3）夾持送料及移動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

由于所焊接的板料寬2米且長達(dá)12米，該設(shè)備采用6組液壓夾鉗同時在板寬方向上夾持，夾鉗除具有夾緊工件功能外，還具有上下浮動機(jī)構(gòu)，吸收由于板料輸送過程中造成的振動誤差。伺服電機(jī)帶動精密減速機(jī)，采用齒輪齒條傳動方式驅(qū)動送料小車按CNC指令前后運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)板料的送進(jìn)。鑒于焊接后的變形導(dǎo)致材料漂移，另于機(jī)床后部加裝一套移動導(dǎo)向裝置，確保焊接過程中高精度平穩(wěn)運(yùn)動。

（4）CNC控制系統(tǒng)

各種工藝參數(shù)選定后，后續(xù)焊接工作完全由CNC自動控制?？刂葡到y(tǒng)選用FAGOR80558055M數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由中央處理單元、I／O接口、監(jiān)控器／鍵盤面板、伺服電源模塊、伺服驅(qū)動模塊和伺服電機(jī)組成。

（5）Ramping 焊接技術(shù)應(yīng)用

制罐行業(yè)用蜂窩夾套板和換熱器板需要在鼓脹后通一具有一定壓力的冷媒，如水酒精和氨水等，因而要求焊縫既要美觀更要一定的強(qiáng)度，還要杜絕泄露或進(jìn)水與回水通道相串通。激光焊接可以方便地控制開關(guān)光閘，但若起弧與收弧控制不好極易造成焊不透或焊穿板料，該設(shè)備采用Ramping焊接技術(shù)，保證焊接起停階段的激光功率隨時間而隨意設(shè)定，通過計(jì)算封閉軌跡，推斷焊接速度與時間的關(guān)系，使搭接強(qiáng)度不低于正常的焊接區(qū)域。例如：焊接一個圓圈大約需要3秒鐘，從起弧到收弧的軌跡長度正好對應(yīng)p－t曲線，則下列時間—功率曲線就反映了Ramping焊接技術(shù)具體應(yīng)用。

圖3 焊接軌跡工藝曲線示例

6．激光焊接的步驟和方法

（1） 上料，找正使板邊與運(yùn)行方向一致；

（2） 根據(jù)所焊板料參數(shù)在編程軟件庫中編輯；

（3） 自動生成加工程序并傳給 CNC；

（4） 啟動CNC，并運(yùn)行機(jī)床；

（5） 焊接完成下料；

7．結(jié)束語

（1） 該設(shè)備已成功應(yīng)用于化工，啤酒，制藥等行業(yè)，焊接質(zhì)量高，成本底，運(yùn)行平穩(wěn)，自動化程度高，加工效率高。

（2） 目前該設(shè)備可進(jìn)行蜂窩夾套板、通道式夾套板和瓦楞板的疊加焊接，隨著市場需求的擴(kuò)大，還可應(yīng)用于更廣泛的加工領(lǐng)域。

（3） 目前焊接質(zhì)量還很難在線實(shí)時監(jiān)測，只能憑經(jīng)驗(yàn)通過聲音，光，顏色等的變化，待焊接后判斷，或通過事先設(shè)定參數(shù)做試板取得鼓脹壓力和流量的有關(guān)數(shù)值符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后再批量生產(chǎn)。