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激光焊接用于改善催化转化器的制造

2009-05-12 11:07
科技那回事
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摘自:美国杂志    作者:David A. Belforte

        北美Eberspaecher 公司是汽车行业一级供应商,为许多知名客户制造不锈钢催化转化器和其他汽车尾气相关产品,其客户包括别克、雪佛兰、克莱斯勒、道奇、吉普、梅赛德斯•奔驰和庞蒂克。这家公司的总部在德国,成立于1865年,从1931年开始车用尾气装置业务,并于2000年起开始在美国和加拿大建立工厂。目前公司在美国密歇根州Brighton、亚利桑那州Tuscaloosa、以及加拿大安大略省Brampton都设有生产工厂。

        公司决定为其新建的一条催化转化器生产线装配一台激光焊接短管材生产单元,而非传统的管材加工设备。在此之前,该公司采用一台传统TIG焊接系统进行转化器焊接,然而,这一工艺速度慢且焊缝两端的质量存在问题。因此公司决定安装一台装备激光器的新系统——由Weil工程北美公司生产的Twinmaster,以提升焊接速度从而增加生产能力。该激光焊接工艺提升了焊缝起始点的质量,因此所得到的管材端部相比弧焊而言能承受更大程度的变形。

        处于该系统的核心Twinmaster在同一台机器中集合了两种主要的功能:管件成形及焊接。而一些二级加工流程,如板材进料和焊后扩管,都直接可通过该系统完成,从而成为了一个完整的生产中心。整套系统的控制功能由西门子SINUMERIK 840D CNC数控系统和一台用于对话功能的SIMATIC OP170操作面板实现。

        选择激光焊接而非TIG焊接的主要原因是前者在工艺循环时间上的显著减少,因为激光的焊接速度比TIG提升了3倍,从1.2米/ 分钟增加到3.5米/分钟,当使用3.2kW激光功率焊接厚度为1.2毫米的材料时,速度也快近3倍。除此之外,使用激光能确保功率完全覆盖全部焊接长度,所以不会发生在管材端部由于功率开/关而产生质量降低的状况。

       

        Weil工程公司还开发了一项用于催化转化器的附加功能,被称为“回焊”。因为激光焊接起点端比终点端更坚固,因此这种方法有利于在两端都得到坚固的焊接。其原理是:焊接朝一个方向进行,在到达焊缝总长3/4处时,停止焊接,在零功率下焊枪继续运行到管材的终端,然后开始反向进行焊接,最终将略微同之前所焊接的部分重叠。通过使用“回焊”,管材将在扩管情况下具有更好的抗断裂性能。

        并且,使用激光的另一大优势是可以在上下料的时候将激光功率切换到另一部焊接机上。这样不仅可以几乎100%地利用激光器的功率,并能通过在两台设备之间共享功率而减少投资。
       

        另一大使用激光的优势是可焊接所有的材料,包括带涂层的金属,如电镀或镀铝的钢材。这给予了Eberspaecher公司足够的灵活度来面对未来的项目。而且,激光焊接的焊缝能通过退火得以增强,以应对焊接后即将进行的扩管。激光焊同TIG焊相比的一大缺点是其高昂的初始购置价格及相对高的运行成本。然而,拿激光系统来说,虽然其销售价格约比TIG系统高30%,但其产能却比TIG系统高80%,且管端部质量更高。系统使用的TRUMPF CO2激光器在数千次切割和焊接应用中得到证明,是坚固耐用的产品。此外,该激光器能以合理的成本被集成于系统中,其需要的安全设施同弧焊工艺所需的一样简单。
       
        操作流程

        操作流程开始时,两台安装在旋转台上的钣金填料机分别被装上大约可供1小时生产的物料,并向辊板机中送入板材。板材两面的状况在运送途中得到检测。一旦第一部卸料机清空,旋转台将第二部卸料机送入,这样第一部机就能同时完成再次上料,确保了不间断的物料供应。根据管材的长度,多个金属板(最多为四个)能在同一个机械周期被卷为管材。

   

        辊卷后的管材板件能自动被从辊板机传送到缝焊机上,在这里管材被夹住并利用TRUMPF TLF 3200激光器产生的光束完成焊接。TIG焊是这一工艺的另一选择,一开始会更为经济,但其在焊接速度上较之激光焊接要大为逊色。Eberspaecher公司目前有两台Twinmaster系统,第一台装备了TIG,而第二台装备了激光器。

        一旦焊接工艺完成,加工好的管件被工具拉伸并转移到一台在线退火系统上,焊接区域被加热到约1000 ℃,以释放焊缝中的应力。在冷却环节完成后,CNC控制的处理系统将管件导入液压驱动的扩管机,使其达到预先设定的管内径尺寸。这一最终尺寸是通过转换器基底材料的直径、隔热垫的厚度,以及用于转换器管件的不锈钢材料回弹量计算出来的。

        这些操作的先后顺序,每一步时间的精确计算,以及所有运动的控制都通过Siemens SINUMERIK 840 D数控系统监测并完成,该控制器同时还监测了定位、功率、激光束的开/关状态,以及所有传送机械及工装。Twinmaster上安装的TRUMPF激光器拥有200毫米光学双焦镜片以及固定焦距。当材料的厚度改变时,CNC工装将自动改变工件的位置。

        Eberspaecher公司的工程经理Anthony Mussarelli说道:“这些设备为我们响应并满足客户要求的过程带来了显著的提升。包括其合理的工装顺序,以客户为核心设计改进的实施,以及实现各种形状/尺寸产品的全面连续生产等多个因素加在一起,成为我们满意的主要原因。”
        

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