文稿：大族光子/焊接產(chǎn)品線/應(yīng)用部 鄧時(shí)累

1 項(xiàng)目背景

交流高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“開關(guān)柜”），具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、聯(lián)鎖可靠等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)小型二次 變電所、開閉所、箱式變電站、住宅小區(qū)、工礦企業(yè)、大型商場(chǎng)，特別適用于機(jī)場(chǎng)、地鐵、鐵路等對(duì)用電要求較高的場(chǎng)合。激光焊接技術(shù)屬于高能束焊接新技術(shù)，與傳統(tǒng)焊接相比，激光焊接的優(yōu)勢(shì)在于熱變形小、焊縫深寬比大、精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，在開關(guān)柜箱體的制造加工中得到了廣泛應(yīng)用。開關(guān)柜制造常用板材為3 mm及以下的不銹鋼，焊接的關(guān)鍵是保證其氣密性和強(qiáng)度，激光焊接此類產(chǎn)品時(shí)應(yīng)注意避免漏焊、焊穿、未焊透、未熔合等焊接缺陷，激光焊開關(guān)柜如圖1.1所示，接頭形式為角接和T型接頭，如圖1.2所示。

圖1.1 開關(guān)柜

圖1.2 開關(guān)柜接頭形式

大族光子激光器已在開關(guān)柜行業(yè)實(shí)現(xiàn)批量焊接應(yīng)用，在焊接質(zhì)量提升上積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，本文針對(duì)開關(guān)柜光纖激光焊接工藝提升進(jìn)行總結(jié)分析。

2 焊接設(shè)備簡(jiǎn)介

針對(duì)開關(guān)柜焊接，大族光子提供6000W單模塊激光器，該激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、調(diào)制頻率范圍寬、抗高反能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠性高、加工效果好和免維護(hù)運(yùn)行等突出優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于切割、焊接等工業(yè)加工領(lǐng)域，激光器如圖2.1所示，激光器參數(shù)見表2.1。

圖2.1 大族光子6000W激光器

表2.1 大族光子6000W激光器技術(shù)參數(shù)

開關(guān)柜焊接整機(jī)系統(tǒng)可采取機(jī)器人焊接形式，針對(duì)大尺寸開關(guān)柜，可采取三維五軸機(jī)床焊接形式，實(shí)現(xiàn)一次裝夾多面焊接，設(shè)備如圖2.2所示。 

圖2.2三維五軸焊接機(jī)床

3 常見問題及分析

3.1開關(guān)柜焊接常見問題

開關(guān)柜焊接常見問題包括：

(1) 焊接飛濺過(guò)大，焊縫光潔度差，影響焊接質(zhì)量，如圖3.1(a)所示。

(2) 工件表面焊后煙塵污染嚴(yán)重，焊縫周邊存在較多的黑色物質(zhì)，如圖3.1(b)所示，煙塵附著于板面影響焊縫外觀且不易完全清除。

(3) 長(zhǎng)縫連續(xù)焊接后段易出現(xiàn)熔不透現(xiàn)像, 如圖3.1(c)所示，影響焊縫強(qiáng)度及氣密性。

圖3.1開關(guān)柜焊接常見問題

3.2 問題分析

（1）飛濺的產(chǎn)生與焊接光斑大小、焊接速度匹配相關(guān)，為減少焊接飛濺產(chǎn)生，可適當(dāng)增大光斑并降低焊接速度，以便提高激光小孔的穩(wěn)定性，從而減小焊接飛濺；焊縫光潔度與焊接氣體保護(hù)密切相關(guān)，開關(guān)柜焊接為減少干涉及簡(jiǎn)化編程方式，一般采取同軸吹氣保護(hù)方式，常規(guī)的同軸吹氣方式保護(hù)效果不佳，造成焊縫氧化過(guò)重，影響光潔度，同時(shí)帶來(lái)飛濺。

（2）光纖激光焊接不銹鋼吸收率高，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵（金屬蒸氣），如圖3.2所示，大量的煙塵不僅對(duì)入射激光產(chǎn)生干擾形成飛濺，還極易附著于工件板面形成黑煙污染，要解決此問題，必須使煙塵得到良好的擴(kuò)散，在兼顧焊接氣體保護(hù)的同時(shí)，如何有效實(shí)現(xiàn)煙塵擴(kuò)散是獲得良好焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖3.2 光纖激光焊接金屬蒸氣及飛濺

（3）大尺寸開關(guān)柜長(zhǎng)焊縫后段熔不透的現(xiàn)象與焊接頭鏡片的熱變形有關(guān)，在進(jìn)行長(zhǎng)縫連續(xù)焊接時(shí)，焊接時(shí)間較長(zhǎng)，焊接頭內(nèi)部的鏡片會(huì)有一定的受熱變形，鏡片變形會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)產(chǎn)生漂移使光斑變大，光斑變大后能量密度變低造成熔深變淺，焊接離焦量設(shè)置越大，焦點(diǎn)漂移的影響越敏感。

4 改進(jìn)措施

對(duì)于上述開關(guān)柜焊接遇到的問題，問題（3）改進(jìn)措施包括：一是選擇抗焦漂能力好的焊接頭，二是做好焊接頭的防污染，三是避免采用大離焦焊接；問題（1）和問題（2）通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化匹配可在一定程度上進(jìn)行改善，但不能從根本上解決，必須結(jié)合氣流保護(hù)控制才能徹底解決，本文對(duì)此作重點(diǎn)闡述。

4.1 同軸保護(hù)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

氣體保護(hù)是影響焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素，良好的氣體保護(hù)不僅可以減少焊接飛濺，還可提高焊縫光潔度。常規(guī)同軸吹氣保護(hù)方式如圖4.1所示，焊接頭最下端安裝有一個(gè)單層或雙層銅噴嘴，上方設(shè)置有橫吹模塊進(jìn)行飛濺防護(hù)，噴嘴通過(guò)外接保護(hù)氣向焊接熔池施加保護(hù)，該方式不足之處在于保護(hù)氣易卷入空氣，無(wú)法起到很好的氣體保護(hù)效果。

 圖4.1 常規(guī)同軸吹氣保護(hù)噴嘴

針對(duì)開關(guān)柜焊接開發(fā)的同軸保護(hù)裝置如圖4.2所示，裝置結(jié)構(gòu)主要包括連接環(huán)、氣腔環(huán)、上進(jìn)氣口（兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置）、下進(jìn)氣口（兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置）、環(huán)形氣罩、噴嘴等，其中，噴嘴距工件板面的高度可調(diào)，環(huán)形氣罩距工件板面的高度可調(diào)。

圖4.2同軸保護(hù)裝置

上進(jìn)氣口和下進(jìn)氣口均通入焊接保護(hù)氣，氣體通入后可形成多路氣流，分別為排空氣流、噴嘴氣流和氣罩氣流。裝置的應(yīng)用原理如圖4.3所示，噴嘴氣流向下方噴射，對(duì)從小孔中噴射出來(lái)的蒸氣羽煙在中心區(qū)域進(jìn)行壓制，通過(guò)抑制蒸氣羽煙在激光束入射路徑上的噴射高度，可減少其對(duì)激光束的干擾，提高焊縫成形的均勻性并保證焊縫熔深，同時(shí)，噴嘴氣流還可對(duì)熔池局部進(jìn)行氣體保護(hù)，噴嘴氣流壓力需適中，壓力過(guò)小則無(wú)法抑制蒸氣羽煙的高度，入射激光束受蒸氣羽煙的干擾大，熔池及小孔穩(wěn)定性差；壓力過(guò)大則會(huì)將蒸氣羽煙壓制于工件表面，造成工件表面黑色煙塵附著，影響工件清潔度，甚至造成焊縫凹陷；氣罩氣流從較高處噴出，具有較大的噴氣面積，可較好的排除熔池周圍的空氣，但需要注意的是，氣罩氣流壓力需適中，既要保證排空效果避免焊縫氧化過(guò)大，又要利于蒸氣羽煙向上擴(kuò)散不附著于工件。

圖4.3同軸保護(hù)裝置應(yīng)用原理示意圖

4.2 同軸保護(hù)裝置氣流分析

采用ansys軟件對(duì)裝置進(jìn)行氣流分析，輸入較優(yōu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到如圖4.4所示的氣流速度云圖，氣罩氣流圓周對(duì)稱，噴嘴氣流速度較高，氣罩氣流速度較低，通過(guò)內(nèi)外高低流速的配合應(yīng)用，可兼顧焊接蒸氣羽煙的抑制與擴(kuò)散調(diào)節(jié)，避免工件板面黑色煙塵附著。

圖4.4氣流速度云圖

圖4.5所示為保護(hù)氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖，裝置內(nèi)部和氣罩下方保護(hù)氣均處于高濃度，無(wú)外部空氣卷入，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，良好的熔池氣體保護(hù)，可有效提高穩(wěn)定性，減少飛濺和氧化，保證焊縫光潔度。

圖4.5保護(hù)氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖

5 焊接應(yīng)用測(cè)試

采用上述焊接設(shè)備和同軸保護(hù)裝置進(jìn)行開關(guān)柜焊接測(cè)試，焊接效果顯著提升，焊接飛濺小，焊縫表面光潔度好，工件板面無(wú)明顯煙塵污染，焊接效果對(duì)比如圖5.1~5.4所示。通過(guò)對(duì)中部噴嘴及環(huán)形氣罩的進(jìn)一步匹配調(diào)節(jié)，包括高度匹配（噴嘴距工件板面的高度以及環(huán)形氣罩距工件板面的高度）和保護(hù)氣流量匹配（噴嘴流量以及環(huán)形氣罩流量），焊縫保護(hù)效果可達(dá)到金黃色，如圖5.5所示。

圖5.1焊接飛濺控制

圖5.2工件表面煙塵附著控制

圖5.3長(zhǎng)焊縫正反面成形

圖5.4整體焊接效果

圖5.5無(wú)氧化焊接效果

 6 總結(jié)

(1) 大族光子6000W激光器可滿足開關(guān)柜的高質(zhì)量焊接；

(2) 良好的氣體保護(hù)對(duì)焊接具有重要影響，可減少焊接飛濺和氧化，提高焊縫成形的均勻性和光潔度；

(3) 通過(guò)對(duì)蒸氣羽煙進(jìn)行良好的抑制和擴(kuò)散，可避免工件表面焊后煙塵附著污染；

(4) 本文所述同軸保護(hù)裝置，通過(guò)多路氣流共同作用，可滿足開關(guān)柜的高品質(zhì)焊接需求。