文/資明庚·格力電器（珠海）股份有限公司

激光焊接技術(shù)作為一種新興的金屬加工技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種金屬材料的焊接加工，在金屬加工行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用空間。激光焊接技術(shù)通過(guò)激光反應(yīng)原理聚集高能量密度激光束，具有速度快、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，一直以來(lái)在精密金屬加工企業(yè)應(yīng)用較多。我司為加快商用空調(diào)創(chuàng)新發(fā)展，特引進(jìn)激光焊接，為商用空調(diào)鈑金件的加工制造提供新的途徑，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)力。

激光焊接的應(yīng)用背景

目前空調(diào)行業(yè)普遍采用氣體保護(hù)焊、電弧焊、反應(yīng)焊等焊接方式實(shí)現(xiàn)鈑金零件的密封組合，但由于以上焊接方式有能量輸出發(fā)散、彌漫等特性，普遍存在焊縫質(zhì)量不佳、人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差等問(wèn)題，且伴有焊接飛濺，需要經(jīng)過(guò)后工序的打磨平整，導(dǎo)致持續(xù)性焊接成本增加，不利于企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新。CO2氣體保護(hù)焊焊接作業(yè)如圖1所示。

圖1 CO2氣體保護(hù)焊

激光焊接的試驗(yàn)研究

我司激光焊接試驗(yàn)研究開(kāi)始于電控盒類(lèi)零件，目的是通過(guò)激光焊接的應(yīng)用來(lái)取代傳統(tǒng)的CO2氣體保護(hù)焊。電控盒零件的原材料為熱鍍鋅板，一般厚度在1.0～3.0mm之間，主要考慮到該類(lèi)電控盒零件形狀較為規(guī)則，焊縫呈空間直線分布狀態(tài)，其三維視圖如圖2所示。作為焊接質(zhì)量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵性參數(shù)，焊縫深度決定了最終焊縫的質(zhì)量。焊縫深度過(guò)大，可能導(dǎo)致零件被焊穿，增加二次補(bǔ)焊等額外的操作，且涉及到氣密性、水封性的零件時(shí)補(bǔ)焊質(zhì)量要求極高；焊縫深度過(guò)小，則可能導(dǎo)致焊高過(guò)大，增加了后工序打磨的工作量。因此對(duì)于焊縫深度與焊接速度、激光功率的關(guān)系，在試驗(yàn)研究時(shí)常采用控制變量法，在不同功率的激光焊接下，焊縫深度與焊接速度的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)然，最先開(kāi)展該類(lèi)電控盒零件的激光焊接試驗(yàn)，還考慮到其需求批量較大，可為后期的自動(dòng)化激光焊接作好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。

圖2 電控盒類(lèi)零件三維視圖

圖3 焊縫深度與焊接速度、激光功率的關(guān)系

激光焊接的實(shí)際應(yīng)用

商用接水盤(pán)類(lèi)零件中的應(yīng)用

接水盤(pán)零件作為商用水冷機(jī)組的關(guān)鍵零件，其焊接密封性尤為重要，該類(lèi)零件主要用于水冷機(jī)組循環(huán)廢水的收集，殼體承受的水壓大，且需滿(mǎn)足耐腐蝕的要求，常采用不銹鋼材料作為原材料。

較傳統(tǒng)碳鋼材料，不銹鋼材料電阻率高、熱膨脹系數(shù)大，結(jié)合材料的焊接冶金特點(diǎn)，當(dāng)前商用接水盤(pán)零件的制造多采用電阻點(diǎn)焊工藝加電弧焊的工藝模式，但存在一定的問(wèn)題和不足，主要表現(xiàn)為：電阻點(diǎn)焊雖然可以有效減小接水盤(pán)零件的焊接變形，但焊點(diǎn)處存在明顯的壓痕，焊點(diǎn)數(shù)量較多，影響零件的質(zhì)量一致性，增加了后期打磨工序的工作量。且電阻點(diǎn)焊為離散獨(dú)立的點(diǎn)連接形式，點(diǎn)焊工藝的接水盤(pán)零件結(jié)構(gòu)密封性較差。手工電弧焊雖然可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)密封焊接，如圖4所示，但不銹鋼電弧焊變形大，大量弧焊會(huì)造成接水盤(pán)零件的熱變形，影響整個(gè)零件最低點(diǎn)的位置，導(dǎo)致零件長(zhǎng)時(shí)間存水，不利于水冷機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 手工電弧焊的接水盤(pán)類(lèi)零件

而采用激光焊接時(shí)對(duì)折彎銜接邊的余縫要求較高，一般1500W的激光器要求焊縫寬度在2.5mm以?xún)?nèi)，若焊縫過(guò)寬，可能出現(xiàn)焊穿、空焊、形變等現(xiàn)象，且要求整條焊縫的平行度保持基本一致，如圖5所示；否則會(huì)出現(xiàn)填絲不穩(wěn)定，導(dǎo)致縫隙小的一段焊高偏大、中間段剛好滿(mǎn)足要求，而縫隙大的一端出現(xiàn)空焊，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量，二次補(bǔ)焊需人工進(jìn)行，反而降低了生產(chǎn)效率。

圖5 接水盤(pán)類(lèi)零件焊前指示圖

激光焊接還有利于減少或消除后工序打磨工作量，通過(guò)合適的焊接參數(shù)設(shè)置，可以減少焊高，甚至做到0.1mm的平整度，這對(duì)于不銹鋼打磨而言簡(jiǎn)直是福音。由于304不銹鋼材料的硬度與強(qiáng)度為普通鍍鋅板的5倍以上，因此打磨時(shí)消耗的磨盤(pán)及工作量也大大增加，打磨一條焊高在1.2mm，長(zhǎng)度為100mm的不銹鋼焊縫平均需要5min，持續(xù)的打磨工作不僅增加操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，這對(duì)企業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)是不容樂(lè)觀的。不銹鋼類(lèi)零件焊后手工打磨如圖6所示。

圖6 不銹鋼類(lèi)零件焊后手工打磨

為改變現(xiàn)有的工藝，通過(guò)與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)激光設(shè)備廠家交流合作，制定了六軸工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)激光焊槍與送絲控制系統(tǒng)、柔性化夾具工作臺(tái)集成可編程示教的激光自動(dòng)焊接方案，該方案通過(guò)設(shè)計(jì)柔性化的夾具，對(duì)不同系列的零件進(jìn)行快速裝夾與定位，同步實(shí)現(xiàn)零件的快速切換。通過(guò)手持機(jī)器人末端焊槍?zhuān)瑢?duì)焊接路徑進(jìn)行示教，因此可大大降低自動(dòng)化焊接操作難度，減少專(zhuān)業(yè)的焊接操作人員投入。

當(dāng)前采用六軸機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)焊接接水盤(pán)零件，如圖7所示，其焊接功率為1500W，平均焊接速度為1.4m/min，整個(gè)裝夾定位花費(fèi)5min，手動(dòng)示教編程花費(fèi)10min，焊接過(guò)程2min，其他調(diào)整耗時(shí)8min，單個(gè)接水盤(pán)零件初次焊接耗時(shí)25min，由于再次焊接該種零件無(wú)需示教與其他調(diào)整，因此批量生產(chǎn)時(shí)單個(gè)接水盤(pán)零件平均耗時(shí)為7min，且后工序無(wú)需打磨，無(wú)需專(zhuān)業(yè)的焊接操作人員，整個(gè)過(guò)程加工成本降低25%以上。接水盤(pán)類(lèi)零件手工電弧焊與激光自動(dòng)焊對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 接水盤(pán)類(lèi)零件手工電弧焊與激光自動(dòng)焊對(duì)比

圖7 接水盤(pán)類(lèi)零件激光自動(dòng)焊接

商用支撐架類(lèi)零件中的應(yīng)用

作為商用外機(jī)結(jié)構(gòu)骨架，支撐架類(lèi)零件用量多，該類(lèi)零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)條狀箱體，有利于組裝與承重，由于該類(lèi)零件在箱體內(nèi)部主要起框架支撐作用，其不直接接觸外界環(huán)境，因此對(duì)耐腐蝕性要求不高，一般采用厚度為4.0mm的熱鍍鋅板作為原材料，鍍鋅板的鍍鋅層不但具有物理屏蔽作用，而且對(duì)鋼基體還起到了電化學(xué)保護(hù)作用，是一種性?xún)r(jià)比很高的鋼鐵材料。

然而，鍍鋅鋼板中鍍鋅層的存在，使得支撐架零件的焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量受到不利影響。原因是在鍍鋅鋼板焊接過(guò)程中，鍍層鋅和基體碳鋼物理特性的極大差異（鍍鋅層鋅的熔點(diǎn)是420℃，沸點(diǎn)是908℃，而基體鋼的熔點(diǎn)是1300℃，沸點(diǎn)是2861℃），因此鍍層鋅的氣化先于基體鋼的熔化，這一現(xiàn)象對(duì)鍍鋅鋼板的焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量會(huì)有很大影響。

目前，廠內(nèi)對(duì)于支撐架零件的主要焊接工藝有電阻點(diǎn)焊、電弧焊和激光焊接三種。對(duì)電阻點(diǎn)焊而言，由于鍍鋅層的存在，焊接時(shí)電極易與鋅層合金化，加速了銅電極表面的氧化進(jìn)程，操作人員需不斷打磨電極頭，因此降低了銅電極的使用壽命。而采用手工電弧焊時(shí)，由于鋅的低沸點(diǎn)，在電弧剛接觸到鍍鋅層時(shí)，鋅迅速氣化，產(chǎn)生的鋅蒸氣向外噴射，很容易使焊接產(chǎn)生熔渣粒子、氣孔、飛濺，造成焊縫面的平整度存在較大差異，增加了后工序打磨的工作量，且對(duì)于需保障氣密性與防水的零件有重大質(zhì)量隱患，如圖8所示。手工電弧焊的零件焊縫存在較為明顯的鋅層揮發(fā)現(xiàn)象，特別是靠近中后端有較大的熔池噴射現(xiàn)象，導(dǎo)致焊瘤、氣孔等質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)。

圖8 手工電弧焊接的支撐架類(lèi)零件

而通過(guò)激光焊接的應(yīng)用不僅提高了焊縫的強(qiáng)度、剛度，還解決了傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊在焊接鍍鋅鋼板以及高強(qiáng)鋼板時(shí)，焊接變形大、焊點(diǎn)平整度低、易產(chǎn)生縫隙、母材強(qiáng)度下降等問(wèn)題。商用支撐架類(lèi)零件在采用激光焊接工藝時(shí)，因激光能夠以較大的能量密度在小的間隙下穿透焊縫，使焊縫形式為斷續(xù)焊，從力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)上看，采用激光焊接后的焊縫強(qiáng)度可較電阻點(diǎn)焊提升30%左右，如圖9所示。

圖9 激光焊接的支撐架類(lèi)零件

結(jié)束語(yǔ)

目前我司正逐步以試驗(yàn)研究的方式開(kāi)展激光焊接的革新應(yīng)用，從電控盒到接水盤(pán)、支撐架等不同材料、不同類(lèi)型的零件進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了零件的降本、提質(zhì)目標(biāo)。我司激光焊接的應(yīng)用發(fā)展，離不開(kāi)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)激光焊接設(shè)備廠家的軟硬件技術(shù)支持，未來(lái)將繼續(xù)保持與外部?jī)?yōu)秀廠家的交流合作，實(shí)現(xiàn)企業(yè)發(fā)展共贏。

作者簡(jiǎn)介

機(jī)械助理工程師，主要從事鈑金加工工藝與自動(dòng)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，協(xié)助開(kāi)展《商用智慧加工中心》、《1500t油壓機(jī)聯(lián)機(jī)自動(dòng)線》等大型鈑金加工自動(dòng)化項(xiàng)目，發(fā)表論文4篇，累計(jì)提報(bào)推進(jìn)95條改善項(xiàng)目，2021年獲提案先鋒榮耀稱(chēng)號(hào)。