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IPG 1.5 kW風(fēng)冷型

手持激光焊接和清洗系統(tǒng)

在典型金屬制造中的應(yīng)用

作者：Valentin Gapontsev博士、Felix Stukalin、Adam Pinard、Oleg Shkurikhin、Yuri Grapov、Iurii Markushov

前言

傳統(tǒng)MIG焊和TIG焊的缺點(diǎn)包括：通常需要一定的焊前準(zhǔn)備和設(shè)置；在焊接時(shí)產(chǎn)生極高的熱量，導(dǎo)致熱影響區(qū)較大、材料扭曲變形，焊接質(zhì)量結(jié)果不理想；在焊前和焊后需要進(jìn)行處理，從而增加總成本、降低生產(chǎn)率。此外，需要雇用有經(jīng)驗(yàn)的焊工，尤其是焊接復(fù)雜接頭，這導(dǎo)致成本進(jìn)一步增加。自動(dòng)化激光焊接技術(shù)可以解決上述問題，但是到目前為止，由于成本高、占地面積大和復(fù)雜程度高，對(duì)于金屬制造商來說，這并不是理想的解決方案。

IPG 通過推出革命性的新產(chǎn)品解決了這些挑戰(zhàn)，LightWELD系列產(chǎn)品可以為各種規(guī)模的制造商提供手持式激光焊接和清洗功能，適合新手和專業(yè)焊工使用。新產(chǎn)品配備1.5 kW可調(diào)光纖激光光源，可提供2.5 kW峰值功率，通過符合人體工學(xué)的手持式焊槍提供焊接所需的加工功率。焊機(jī)中存儲(chǔ)了工藝參數(shù)庫，針對(duì)常見的材料和厚度組合進(jìn)行優(yōu)化，并且能夠焊接異種材料和不同電導(dǎo)率的材料。通過結(jié)合光束振蕩（擺動(dòng)）特征，擺動(dòng)寬度高達(dá)5 mm，對(duì)工件裝配間隙容忍度高，同時(shí)形成美觀焊縫。體積僅為0.1 m3，重量僅有53 kg，尺寸輕巧，便于攜帶。這些特征使得這個(gè)解決方案成為革命性的激光創(chuàng)新，以及高生產(chǎn)率的工業(yè)工具。

焊接應(yīng)用

在金屬制造行業(yè)，主要挑戰(zhàn)是熟練技術(shù)工的短缺，特別是對(duì)于要求較高的TIG焊，往往需要高技能操作員。LightWELD克服了這個(gè)問題，幾乎任何人都可以很快上手進(jìn)行激光焊接，并焊接出良好的結(jié)果；關(guān)鍵在于，首先需要開發(fā)和優(yōu)化工藝，然后將其整合到系統(tǒng)中。例如，經(jīng)過安全培訓(xùn)后，即使是沒有焊接經(jīng)驗(yàn)的裝配工也可以重復(fù)焊接出穩(wěn)定、一致的搭接接頭，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)根據(jù)選定的材料和厚度自動(dòng)調(diào)控激光工藝，進(jìn)行定位點(diǎn)焊。

激光焊機(jī)不僅可以焊接常規(guī)接頭，還可以焊接幾何形狀等更為復(fù)雜的接頭，這也有助于改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。下圖（圖1）所示案例：使用IPG手持激光焊機(jī)焊接1.5 mm+1.5 mm不銹鋼外殼。該設(shè)計(jì)利用了激光焊接能力，使操作員能夠穿透具有低輪廓焊縫的頂部材料，從而大幅減少預(yù)處理和后處理工作，顯著降低總成本。

圖1.不銹鋼激光焊接：a）具有高質(zhì)量的外角焊縫和點(diǎn)焊鉸鏈；b）使用預(yù)設(shè)點(diǎn)焊參數(shù)將多孔板點(diǎn)焊到外殼上，實(shí)現(xiàn)100%的一致性。

傳統(tǒng)的弧焊工藝使用氬氣作為不銹鋼和鋁的保護(hù)氣體，以防止焊接熔池氧化。激光焊接使用氮?dú)馓峁└玫暮附咏Y(jié)果。使用氮?dú)夂蜌鍤庾鳛楸Ｗo(hù)氣體的焊接結(jié)果如下所示（圖2）。

圖2.使用不同保護(hù)氣體焊接2.0mm不銹鋼：a）使用氬氣的焊縫X射線結(jié)果顯示，熱影響區(qū)附近產(chǎn)生多個(gè)氣孔；b）使用氮?dú)獾暮缚pX射線結(jié)果顯示，焊縫無氣孔。

焊縫評(píng)估結(jié)果如下所示（圖3），包括根據(jù)AWS D17.1:2017（A類）- 航空航天級(jí)的熔焊規(guī)范進(jìn)行目視和金相檢查、拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。

圖3. 2.0 mm不銹鋼航空級(jí)質(zhì)量焊縫結(jié)果：a）手持式激光填絲焊樣品；b）彎曲試驗(yàn)結(jié)果：在180°彎曲角度下無開裂；c）焊縫的X射線結(jié)果顯示：焊縫無氣孔；d）焊縫金相結(jié)果顯示：完全熔透，無缺陷和夾雜物。

清洗應(yīng)用

LightWELD XC手持激光焊接清洗一體機(jī)具有激光光斑尺寸小和高頻脈沖控制特征，可以針對(duì)焊接前后發(fā)生變色和污染的表面提供清洗功能。由于氧化層和污染物會(huì)對(duì)氣孔率和焊縫質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響，該功能對(duì)于鋁等材料的焊接至關(guān)重要。在傳統(tǒng)工藝中，操作員在焊接前使用丙酮或其他化學(xué)物質(zhì)清洗接頭。激光可以燒蝕所有污染物并去除氧化層，例如，圖4顯示了激光清洗如何提高鋁5052和鍍鋅板的焊縫質(zhì)量。

圖4.激光清洗后焊縫質(zhì)量提高：a）鋁5052：X射線結(jié)果顯示，在焊接前應(yīng)用激光清洗后，氣孔減少；b）鍍鋅板：X射線結(jié)果顯示，在焊接前應(yīng)用激光清洗后，缺陷顯著減少。

通常，焊工需要在焊后進(jìn)行處理，這可能是非常耗時(shí)的清洗過程。LightWELD XC手持激光焊接清洗一體機(jī)的優(yōu)勢：約20mm/s的清洗速度，無需打磨耗材或化學(xué)品，以防止表面受損。圖5a顯示了焊接工藝前低碳鋼除銹的激光清洗結(jié)果。

圖5.激光清洗：a）焊接過程中的重銹去除；b）激光清洗的酸洗和鈍化效果，通過完全焊接和部分清洗不銹鋼304L的鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，暴露2小時(shí)后，左側(cè)（激光清洗）未發(fā)現(xiàn)生銹跡象。

激光清洗最重要的優(yōu)勢之一是焊接后不銹鋼酸洗和鈍化。圖5b顯示了浸入35℃鹽霧溶液（Morton Culinox 999/DI Type IV）中2小時(shí)后的樣品。焊后對(duì)樣品左側(cè)進(jìn)行激光清洗，右側(cè)保持焊接狀態(tài)。焊接樣品右側(cè)發(fā)現(xiàn)明顯的生銹跡象，但是在激光清洗后，左側(cè)未發(fā)現(xiàn)生銹。該示例證明了激光清洗可以取代不銹鋼應(yīng)用的傳統(tǒng)酸洗和鈍化過程。

總結(jié)

通過從傳統(tǒng)的焊接和清洗方法，轉(zhuǎn)換到這種手持式激光系統(tǒng)，為用戶節(jié)省了大量成本。手持式的LightWELD系統(tǒng)適用于典型鈑金行業(yè)中工廠和車間應(yīng)用，適合經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員使用，也適合新手使用。這種柔性的操作光纖能夠在直徑約與一根頭發(fā)相當(dāng)?shù)男↑c(diǎn)上傳輸加工所需的紅外光能量，比傳統(tǒng)焊接方法產(chǎn)生的熱量更少。LightWELD激光焊接和清洗一體機(jī)的其他優(yōu)勢包括：

• 焊接速度至少比TIG焊或MIG焊快數(shù)倍；

• 與傳統(tǒng)工藝相比，焊縫變形降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；

• 集成工藝參數(shù)庫和符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)的焊槍，使得系統(tǒng)易于學(xué)習(xí)和操作，裝配工和新手焊工均可以進(jìn)行激光點(diǎn)焊并實(shí)現(xiàn)100%一致性的激光定位點(diǎn)焊，雇用新手能夠讓制造商減輕基礎(chǔ)焊接工作的負(fù)擔(dān)，從而顯著降低用工成本和總成本；

• 焊前激光清洗可以取代傳統(tǒng)焊接方法所需的典型打磨和噴砂工序，同時(shí)減少焊縫中的氣孔和缺陷形成；

• 焊后激光清洗可以取代危險(xiǎn)的化學(xué)清洗方法，并在焊后使用同一設(shè)備立即對(duì)不銹鋼進(jìn)行清洗和鈍化處理。

LightWELD系列產(chǎn)品是輕巧便攜、操作簡便、經(jīng)濟(jì)智能、安全可靠的手持激光焊接系統(tǒng)，帶有清洗功能（可選），并已獲得歐盟CE認(rèn)證，是一款安全可靠的生產(chǎn)工具。

本文摘選自 IPG發(fā)表的《1.5 kW風(fēng)冷型手持激光焊接和清洗系統(tǒng)在典型金屬制造中的應(yīng)用》