“如果你一直重復(fù)過去做過的事情，那么你將只會獲得已經(jīng)擁有的東西。”在20世紀(jì)初，世界著名的物理學(xué)家阿爾伯特•愛因斯坦（Albert Einstein）認(rèn)識到創(chuàng)新是以不同視角看待事物后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)對于鈑金加工而言也同樣如此。由于激光已成為一種被廣泛用于切割領(lǐng)域的工藝技術(shù)，對于尋求和鞏固全球競爭實(shí)力的加工車間來說，他們的生產(chǎn)效率能夠顯著提高。
 

圖1：正在加工中的一款激光機(jī)器人焊接單元。

然而，在連接金屬板材時，許多加工車間仍然沒有完全利用激光技術(shù)所能提供的種種好處。例如，大多數(shù)的金屬板件仍然通過金屬惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG）或鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）等常規(guī)的電弧焊接工藝進(jìn)行連接，而這些電弧焊接手段在過去幾十年內(nèi)鮮有改變。

通常情況下，大多數(shù)采用傳統(tǒng)焊接手段加工的部件仍然需要一道精整和修補(bǔ)的步驟，例如借助磨削以達(dá)到完美的品質(zhì)。然而，這一額外的步驟可以很容易地通過激光焊接得以實(shí)現(xiàn)。這種創(chuàng)新的工藝方法，不僅為加工車間開辟了全新的市場，也助力他們在全球市場上更具競爭力。

激光焊接的優(yōu)勢

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種熱加工工藝。激光束中的高密度能量以相當(dāng)高的焊接速度對金屬進(jìn)行局部焊接。對于金屬板材的焊接而言，激光束通常是由固體激光諧振器（例如：一款碟片激光器）生成的。基于小的激光光斑尺寸，較低的總熱量被引入加工區(qū)，從而促使與電弧焊接工藝相比，激光焊接的零部件的變形率顯著降低。圖1描述的是一套激光機(jī)器人焊接單元對一款典型的金屬板件進(jìn)行焊接的工藝。一旦激光功率、焊接速度和焦點(diǎn)定位等工藝參數(shù)被確定后，便能夠生產(chǎn)出一致及高質(zhì)量的焊接接點(diǎn)，并且整個工藝具有很高的可重復(fù)性。同時，這一焊接品質(zhì)也無需依賴焊工的技能。
 

圖2：顯示的是一款采用激光熱導(dǎo)焊工藝生產(chǎn)出來的由0.040英寸不銹鋼打造的柜體截面。

通過調(diào)整上述激光焊接工藝參數(shù)，你還能夠?qū)す鉄釋?dǎo)焊和激光深熔焊進(jìn)行區(qū)分。激光熱導(dǎo)焊創(chuàng)建出具有光滑表面的裝飾型焊縫，通常被用于外殼、盒體、水槽以及柜體部件（圖2）等應(yīng)用。激光深熔焊則被用于制造厚截面壓力罐、剛性元件及法蘭等要求焊縫展現(xiàn)出優(yōu)異焊接強(qiáng)度和牢固度的產(chǎn)品。在德國的一家材料試驗(yàn)研究所開展的100多次抗拉試驗(yàn)已經(jīng)證明，激光焊接的對接接頭無一例外地都是在基材失效，而不是焊接接頭。相較之下，試驗(yàn)表明75%的鎢極惰性氣體保護(hù)焊頭均在焊接接頭處失效。

同時，就焊接接頭的幾何形狀而言，激光焊接也能夠?qū)崿F(xiàn)高度的靈活性。目前，鈑金零件的設(shè)計(jì)層面對客戶來說發(fā)揮了越來越重要的作用。鑒于電弧焊接工藝在鈑金部件的設(shè)計(jì)方面存在限制性，激光焊接創(chuàng)造出了新的接合可能性，例如彎曲角焊縫和搭接接頭等。即使擁有不同板厚的組合材料也同樣具有可焊接性，這有利于節(jié)約材料成本，以及促進(jìn)輕量化設(shè)計(jì)。
 

圖3：顯示的是一款采用激光深熔焊工藝生產(chǎn)出來的由0.012英寸低碳鋼打造的法蘭管件接頭。

此外，激光焊接可以顯著減少生產(chǎn)時間，這不僅僅是因?yàn)樘嵘暮附铀俣龋瑫r也包括降低了諸如磨削和矯直等二次加工的需求。以這種方式，能夠減少高達(dá)60%的生產(chǎn)成本。
 

圖4：一款由0.060英寸低碳鋼制成的電氣外殼 （圖a左：采用了激光焊接工藝；圖a右：采用了金屬惰性氣體保護(hù)焊）；
可以看出，激光焊接不僅能夠打造出更好的焊縫質(zhì)量，同時也將加工時間降低了超過82%，幾乎省去了其余所有的精整工藝 C）。

來看一款由0.060英寸的低碳鋼制成的電氣外殼（圖4），金屬惰性氣體保護(hù)焊和磨削工序共需花費(fèi)五分鐘的時間。激光焊接不僅能夠打造出更好的焊縫質(zhì)量，同時也將加工時間降低了超過80%，僅需55秒，省去了其余所有的精修（整）工藝。制造時間的降低便意味著作業(yè)車間能夠?qū)崿F(xiàn)更高的生產(chǎn)靈活性。

通過集成式的“激光網(wǎng)絡(luò)”降低成本

雖然激光焊接具有不少明顯的優(yōu)勢，許多加工車間在面對其能夠被感知到的學(xué)習(xí)曲線以及入門成本時還是有些猶豫。然而，該技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展已經(jīng)能為加工車間的不同需求提供更為可行和理想的解決方案。此外，當(dāng)一臺2D激光切割機(jī)中現(xiàn)有的激光諧振器被應(yīng)用在一套激光系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（圖5）中時，便能夠減少高達(dá)40%的初始投資成本。這是因?yàn)閷θ我庖粋€加工站的控制均能夠被激光器所接收, 所以從技術(shù)上看沒有必要在激光系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中再配置中央控制系統(tǒng)。
 

圖5：激光系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共享激光束的一個例子，該激光網(wǎng)絡(luò)由一臺激光焊接單元（左）以及一臺2D激光切割系統(tǒng)（右）組成。

使用特定的控制命令，當(dāng)一個加工站完成生產(chǎn)任務(wù)后，激光束便通過那個加工站被釋放出來用于第二個加工站。這些改變是瞬間發(fā)生的，盡可能保持激光諧振器的活躍和有效。多達(dá)四個輸出端，碟片激光器的設(shè)計(jì)使制造商能夠以更穩(wěn)定和更可靠的方式來共享激光束。在這種情況下，激光功率的穩(wěn)定性和一致性在碟片激光器的運(yùn)行過程中能夠保持很高的水平（誤差介于±1％以內(nèi)）。

激光焊接系統(tǒng)為加工車間帶來了投資回報，因?yàn)楫?dāng)激光束在這兩個系統(tǒng)（激光焊接單元和2D切割系統(tǒng)）之間共享時，便意味著初始投資成本顯著得到降低。這個優(yōu)勢不僅僅局限于激光焊接系統(tǒng)的初始成本，激光束利用率的增加也同樣對激光切割機(jī)的成本造成影響。另外，當(dāng)激光焊接系統(tǒng)已成功運(yùn)行了一段時間后，也可以專門為其安裝一款單獨(dú)的激光諧振器。這使得鈑金加工廠可通過較小的初始投資從這些激光焊接系統(tǒng)中獲利，并且為之后的增長鋪平道路。

案例分享：啟用激光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

位于德國拉斯多夫的CBV Blechbearbeitung公司的首席執(zhí)行官Werner Neumann先生投資了一套3kW的固體碟片激光器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由德國通快集團(tuán)一臺高效率的2D光纖型激光切割機(jī)TruLaser 5030以及一臺通快機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)TruLaser Robot5020組成。盡管Neumann最初關(guān)注的是夾具構(gòu)造和重新設(shè)計(jì)零部件等問題，但對他而言，能夠通過共享激光束后以相對較低的投資成本安裝激光焊接系統(tǒng)還是極具吸引力的。

在項(xiàng)目開始之前，Neumann派出兩名焊工去通快進(jìn)行了培訓(xùn)，有意識地為他們傳統(tǒng)的焊接技能添磚加瓦，以積累更多經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)焊工接受培訓(xùn)后，他們能夠?qū)⒁粋€完整的客戶訂單轉(zhuǎn)移到該激光機(jī)器人焊接單元中處理。此后，CBV公司已經(jīng)將20款不同的鈑金零部件轉(zhuǎn)到這套新的機(jī)器人激光焊接單元內(nèi)進(jìn)行加工。雖然零件的加工件數(shù)很高，CBV公司發(fā)現(xiàn)無論是針對小批量或是單件生產(chǎn)作業(yè)，激光焊接都是值得選擇的靈活解決方案。
 

圖6：一款采用傳統(tǒng)焊接工藝（左）以及激光焊接工藝（右）加工的不銹鋼面板。

就激光焊接是如何大大提升生產(chǎn)效率的案例，CBV公司還能列舉出很多。一批由0.8mm規(guī)格的鋁所制成的100個零部件在手工焊接完成后約需12小時（720分鐘）的修整工作。而激光焊接系統(tǒng)能夠?qū)⑦@一加工時間降至90分鐘。另一個例子是將30mm寬的邊緣焊接到一塊由2mm厚的不銹鋼制成的面板上（圖6）。在這個案例中，精修時間降低了90%。

此外，激光束的利用率從50％增加到85％以上。為了最大限度地提高正常運(yùn)行時間，CBV公司的操作員會小心謹(jǐn)慎地在激光切割工作訂單中間隔插入“暫停”命令，這樣每隔幾分鐘，切割單元會交替停止，機(jī)器人焊接單元開始進(jìn)行焊接。然后，激光束源被轉(zhuǎn)移回光纖中。

該公司還竭盡全力地利用激光焊接所能帶來的各種增強(qiáng)優(yōu)勢和能力。例如，他們竭力通過手動方式來焊接電鍍鋅鋼板。CBV公司的焊工與通快集團(tuán)的專家以及林德工業(yè)氣體公司通力合作，力求找到用于焊接這些特殊容器的正確參數(shù)以及氣體的正確組合方式。通過激光焊接，容器現(xiàn)在幾乎不需要修補(bǔ)工作。

激光焊接為鈑金加工廠提供了顯著的優(yōu)勢和機(jī)遇。雖然在投資新技術(shù)時會有些令人生畏，但這些創(chuàng)新技術(shù)能夠使制造廠家保持長期的競爭力。CBV公司積極應(yīng)用了這些創(chuàng)新，繼而成功地驗(yàn)證了多年前愛因斯坦對于創(chuàng)新所提出的那番觀念。