長(zhǎng)久以來(lái)，Begneaud Manufacturing公司在面對(duì)行業(yè)內(nèi)技術(shù)問(wèn)題的挑戰(zhàn)時(shí)都力圖尋找獨(dú)特的解決方案。當(dāng)這家公司發(fā)現(xiàn)其激光焊接設(shè)備在聚焦特性方面的限制時(shí)，他們一如既往地并未輕易接受現(xiàn)實(shí)，而是以其作為出發(fā)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行新的嘗試和研究。這種心態(tài)正是這家公司文化傳承中很重要的一部分，是將他們帶向成功彼岸的關(guān)鍵之處。通過(guò)努力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種可能性，而不是以“無(wú)計(jì)可施”作為借口來(lái)坦然接受失敗，Begneaud得以將其業(yè)務(wù)拓展到各種領(lǐng)域。
在這個(gè)案例中，一開始還只是在公司內(nèi)部討論不同的可能性，但隨后便迅速擴(kuò)大到其他人。與整個(gè)行業(yè)的不同專家和機(jī)構(gòu)建立的良好關(guān)系為他們展開真正的合作打下了基礎(chǔ)。
借助這種外部合作，該公司現(xiàn)在已經(jīng)成功獲得了新的解決方案——調(diào)整工件上聚焦的激光光斑，這種方法是不可能在其激光器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的。此舉旨在獲得更干凈的焊縫，提高其5軸3D焊接過(guò)程的定位公差，并降低焊縫缺陷報(bào)廢率，所有這些都是以不犧牲焊接速度為前提的。該公司使用了自行定制的保護(hù)氣體混合物和光學(xué)元件，這使其可以在全功率的全速加工中延長(zhǎng)焦深，并最終降低廢品率，減少焊接缺陷和焊接時(shí)間。這一創(chuàng)新的探索使得Begneaud公司得以實(shí)踐和激光焊接相關(guān)的新的可能性，并獲得隨之而來(lái)的效益。
背景
激光聚焦頭（圖1）來(lái)自德國(guó)通快公司的帶有TLF5000 CO2激光諧振腔的5軸Trumatic系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于切割和焊接。在焊接應(yīng)用中，傳統(tǒng)上使用焦距為200mm的標(biāo)準(zhǔn)拋物面聚焦反射鏡，它能獲得良好的熔深，即使對(duì)象是直徑6.5mm的不銹鋼。標(biāo)準(zhǔn)的反射鏡能實(shí)現(xiàn)聚焦光束焦散，基本上繞Z軸形成軸線對(duì)稱，束腰截面為直徑0.16mm的圓形，產(chǎn)生的平均功率密度約為6.3MW/cm2（在5kW的全功率情況下）。
然而，在這種高功率密度下，氣體等離子體的形成具有更大的波動(dòng)性，焊接過(guò)程變得非常不穩(wěn)定，因而會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷（氣孔、針孔、咬邊和高水平的焊渣飛濺痕跡）的產(chǎn)生以及隨之而來(lái)的高廢品率。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中不得不將所需功率降低到2.5kW，功率密度也降低一半。這會(huì)帶來(lái)更好的焊接質(zhì)量，并降低焊接缺陷廢品率；但不幸的是，這也會(huì)導(dǎo)致焊接速度的降低（低于公司5kW激光器所能實(shí)現(xiàn)的加工速度）。Begneaud公司正是以此不足之處為起點(diǎn)來(lái)展開他們的創(chuàng)新之旅。
新設(shè)置
Begneaud公司提出的解決方案改變了用于等離子體控制和屏蔽的氣體混合物，用一種自定義的氦氣、氬氣和氫氣的混合物；也改變了聚焦性能，工件上的小的圓形聚焦光斑變成了橢圓形的、縱向維度與焊接方向平行的聚焦光斑。這是通過(guò)將公司的標(biāo)準(zhǔn)FL 200mm拋物面聚焦反射鏡替換為新的高速大功率（HSHP）聚焦反射鏡。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的拋物面聚焦反射鏡被高速大功率聚焦反射鏡取而代之時(shí)，z-x和z-y垂直平面上將會(huì)獲得不同的聚焦性能。
新的高速大功率（HSHP）聚焦反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)FL 200mm拋物面聚焦反射鏡只有一個(gè)不同之處，即反射面的設(shè)置有微小的變化，從而使得聚焦光斑變?yōu)闄E圓形。整個(gè)過(guò)程不需要改造機(jī)器。隨著功率的增加，小的圓形聚焦光斑會(huì)使得焊縫缺陷報(bào)廢率升高，反之，隨著功率的增加而相應(yīng)對(duì)稱性地拉長(zhǎng)光斑，卻能保持低的廢品率（圖2）。
實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)對(duì)象是傾斜的有機(jī)玻璃，目的是來(lái)看看在成90度的焊接（功率為5kW，速度為20m/min）中的光束特性的差異。光束焦散是沿著垂直的Z軸傳播（圖3）：若是標(biāo)準(zhǔn)拋物面聚焦反射鏡，光束截面基本保持圓形；若是高速大功率（HSHP）聚焦反射鏡，z-x和z-y平面的光束截面是不同的。
用氦氣/氬氣/氫氣的混合保護(hù)氣體對(duì)3/16in的不銹鋼進(jìn)行平板堆焊，功率為5kW，焊接速度為2500mm/min，標(biāo)準(zhǔn)拋物面聚焦反射鏡具有高的功率密度，帶來(lái)的是更高的熔深，而代價(jià)是高的焊縫缺陷幾率（圖4上）。用HSHP聚焦反射鏡會(huì)帶來(lái)更寬的頂部焊道和更大的FUZ，從而提高熔融效率。若是熔深的要求低于2.9mm，HSHP聚焦反射鏡在相同的FUZ寬度下將帶來(lái)更高的速度（圖4中）。在2.4mm熔深要求下做實(shí)驗(yàn)，HSHP聚焦反射鏡可以實(shí)現(xiàn)全功率的全速焊接（圖4下）。
應(yīng)用
開發(fā)出來(lái)的這項(xiàng)技術(shù)使得公司可以與客戶合作，通過(guò)有效的解決方案來(lái)滿足后者的生產(chǎn)需求。通過(guò)巧妙地設(shè)置該公司機(jī)器上的光學(xué)元件，可以成功實(shí)現(xiàn)各種切割和TIG或MIG焊接應(yīng)用，這些應(yīng)用在以前通常是通過(guò)手動(dòng)完成的。這種極大的靈活性使得該公司生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠滿足客戶的各種特定需求，包括匹配度和功能、價(jià)格、交貨期等。這能幫助他們完成高質(zhì)量的項(xiàng)目（圖5、圖6），并大大縮短生產(chǎn)時(shí)間，不管是短期還是長(zhǎng)期的項(xiàng)目生命周期，從而幫助客戶實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)約。
作者：Don Begneaud, Rene De Moura
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