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优化Nd:YAG激光焊接质量 提高加工效率

2009-06-01 09:48
小伊琳
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        制造焊接工艺的开发与优化分很多阶段,首先是选材与焊接接头设计,然后是选择焊接技术、制定焊接程序,最后是制造系统中的夹具优化、材料处理及焊接机控制等。

        许多系统要求可能会发生相互冲突。举例来说,要求焊接接头紧密固定的同时,又要求高速、低成本手动加工,又比如既要求快速焊接,同时又要求低成本、低功耗激光焊接。我们要在整个项目过程中考虑到上述问题及其它种种因素。当今的新产品层出不穷,工程设计技术飞速发展,要想在业界处于不败之地,最好的办法就是以尽可能低的成本实现高度的灵活性及卓越的性能。

        在下面介绍的焊接系统开发过程中,Oberg Industries公司充分发挥其多年来在工艺与机器领域积累的专业知识与经验,并采用具有超级调制(Super Modulation)功能的激光系统,从而开发出了一款经济型焊接系统。

        Oberg Industries是一家精密冲压件制造商,主要服务于汽车、医疗及航天航空等诸多产业领域,以高精度成品部件而闻名。一家汽车领域的客户曾告知该公司,另一家制造商提供的某种气囊组件的焊接有质量问题。这家供应商采用传统的钨极氩弧焊(TIG)焊接工艺,很难确保提供必要的可靠性。

Oberg Industries

        Oberg采用自己独特的专业冲压技术提高了组件的精确度与质量,但客户还希望提供配套的完整而可靠的焊接管。于是,Oberg开始考虑采用激光技术来实现上述目的。在其位于宾夕法尼亚州匹兹堡附近的Sarver厂房中,Oberg采用低功耗脉冲YAG激光器进行了焊接试验。Oberg的客户对试验结果在视觉外观和强度方面的表现感到非常满意,但认为整个工艺过程还是太慢。

        因此,Oberg请GSI集团激光事业部帮忙,看看他们能否通过其应用实验室分析提高速度的方法。GSI集团应用工程设计中心凭借其数十年的激光加工经验,能为潜在的客户提供高质量、低成本的方案,以便他们全心身致力于设备制造工作。就自身的要求而言Oberg需要一种不仅能支持 50毫米/秒的焊接速度,而且还能满足最终客户强度要求的激光源。

        焊接管是一根厚度约为1.2毫米的1008带孔碳钢碎片过滤管。焊接前,先在平板上打孔,然后再让平板形成间隙约1.5毫米的管,这样便于进行接缝对齐与定位。这一工艺的质量标准是确保表面和底部外形良好,而且即使有超大球状物强行通过过滤管,也不会影响焊接。制造过程中阶段性进行检测。

        位于密歇根州Novi市的GSI集团应用实验室的最初任务是测定原型部件的精确的激光源以及合适的焊接技术。与Oberg进行探讨后发现,尽管1kW连续Nd:YAG激光器能轻松实现每秒50毫米的焊接速率,但是这样该项目就毫无经济性可言。从预算的角度来说,500W激光器更适用。原型部件于2006年7月焊接成功,其采用的是支持连续波(CW)与Super ModulatedTM两种输出的JK501SM Nd:YAG激光器。原型部件焊接试验时,以不带孔的实管部件为对象。为达到不同的熔透以及检测其强度,分别采用了不同的焊接速度和参数。

        Super ModulatedTM 输出以正弦波和方波波形可提供更高的激光峰值功率,最大可达额定激光功率的两倍,同时还能实现激光全额定平均功率。这样,焊接速度就提高了40%,而消耗的热量则比仅采用CW输出降低了很多。

        此外,Super ModulationTM 还能大幅减少焊接过程中焊接熔池上方烟尘所散射的激光能。CW输出在焊接开始几毫秒后会在焊接处一直产生大量的烟尘,烟尘为颗粒状,会发生散射,从而导致光束偏离焦点,产生较大焊缝熔宽并降低熔透。

        当采用周期性峰值正弦波或方波波形时,超级调制激光器的激光能可在烟尘量达到一定散射影响之前几毫秒内发出。在调制低能量循环阶段,烟尘量会快速降到接近零,而后激光源再通过Super ModulatedTM 输出开始下一工作循环。不管激光功率大小或光束质量如何,都会产生该效果。CW、正弦波及方形波调制的截面图清晰显示了熔透的改善情况。

        为此,Oberg选择了最平稳的500W CW焊接法,焊接速度为每秒50毫米,熔透达100%,采用100毫米的调焦镜头,焦点直径为300m。将这些初始部件放入简单的虎钳中,夹到缝隙密闭,保护性氩气体通过侧喷嘴排出。

        2006年间,随着部件设计的进展与制造工具的推出,又进行了更多焊接测试。在所有情况下,部件都手动放入固定装置中,再用虎钳将其夹到缝隙密闭,激光工艺过程非常一致。

        激光系统抵达Oberg而系统开始进行激光焊接后,在原型焊接转型为自动化制造焊接过程中出现了一些问题。对接焊缝的缝隙由于部件位置与弹力问题出现了某些不一致性。制造固定情况下的保护气体排放设计未经过检测,此外焊接部件也没有通过客户的机械测试。为了实现适当的焊接强度,焊接速度降至每秒23毫米。

        GSI集团应用工程设计中心对焊接结果进行了检查,并派工程师与Oberg公司相关人员一道解决了工艺问题。结果他们发现,某些固定部件中存在缝隙,而且焊接位置的差异导致焊缝与中央定位不佳的激光焊接中能量损耗。提高调焦镜头的焦距可扩大焦点尺寸,从而可避免相关缝隙问题。

        为将焊接速度提升至每秒50毫米并确保系统的经济实用性,激光参数改为方波Super ModulationTM。这就加快了焊接速度,而且能满足焦点尺寸扩大20%的要求。

        为了实现足够的焊接强度与韧度,必须优化焊接固定设备给的保护性氩气体排放,确保工艺过程中与冷却过程中焊料中的含氧量极低。

        最后为实现每秒50毫米的焊接速度,可采用方波超级调制技术,频率为300Hz,峰值功率900W,焦点尺寸为360um,并排出保护性氩气。使用平均功率为500W的Super ModulationTM技术使系统可弥补项目原型开发阶段难以预计的缝隙差异问题,同时还能通过低成本、功耗适中的YAG激光技术同步设计部件与工艺。

        成功实现工艺设计后,Oberg的焊接部件达到了所需强度,而功耗则比预估的还低。通过使用具有超级调制功能的500W持续波形激光器,Oberg不仅以低成本实现了必需的速度要求,而且还能确保制造工艺中的焊接速度与质量,解决所有工艺容限问题。通过采用该系统,估计 Oberg可节约约10万美元的机械成本。

        Oberg对上述结果非常满意,这不仅有助于赢得新的商机,而且还能使它为新老客户推出全新的制造工艺。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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