激光焊接和传统焊接仍在竞争
凭借更快的加工速度和更高的质量，您可能认为激光焊接会很快占领该领域。但传统焊接仍然存在。根据您询问的对象和您考虑的应用程序，它可能永远不会消失。那么继续导致混合市场的每种方法的优缺点是什么？
Trumpf 的 Fusion Line 采用激光辅助焊丝，可将更多质量引入焊缝，弥合间隙到 1 毫米宽。传统的焊接方法仍然很受欢迎。从广义上讲，工业上使用的三种传统焊接类型是 MIG（金属惰性气体）、TIG（钨极惰性气体）和电阻点焊。在电阻点焊中，两个电极压在它们之间的待连接零件上，电流大被迫通过那个点，零件材料的电阻产生热量，将零件焊接在一起。这是一种快速的方法，据位于威斯康星州阿普尔顿的 Miller Electric Mfg LLC 激光部门的业务开发经理 Erik Miller 称，它一直是汽车行业中使用的主要方法，尤其是车身。但是，他补充说，激光焊接的最大市场是替代电阻点焊。相反，米勒还没有看到激光取代 TIG 或 MIG 的“任何形式的雪崩”。甚至在公司的自动化团队中，大约 90% 的项目都在 MIG 中。
MIG 的重要组成部分
MIG 经久不衰的原因是什么？ “耗材是连续送丝，”米勒说。 “所以它正在添加材料并加强焊缝，使其非常适合角焊缝 [其中的零件是垂直的]。”自生激光熔化两种母材一起。 Miller 表示，激光可以进行角焊缝，但零件和其他所有部件的准确度和精度必须严格一个数量级。
“在角焊缝上进行 MIG 焊缝，公差至少是正负线径的一半，通常甚至更多，”他说。同样，MIG 用于其他类型焊接的工艺窗口比激光大得多。换句话说，零件不必像使用自体激光那样精确，夹具也不必确保近乎完美的配合。
左侧焊缝下方暗区显示良好 MIG 焊缝的深熔透和完全熔合。右图显示了完全熔化但熔深很浅的激光焊接，减少了填料和基材之间的混合。MIG 焊接也很容易更容易自动化。正如 Miller 所说，您需要控制的唯一因素是行进速度、电压、电流强度、割炬角度和工作角度，而且“如果十件事中有五件事做对了，您仍然会获得良好的焊接效果。”自动化激光焊接需要机器人具有出色的路径精度和重复精度，焊接过程中需要控制的因素更多。 TIG 在这方面类似。
这并不是说 MIG 焊接自动化很容易，任何人都可以做到。它仍然需要专家进行编程和诊断问题。位于德克萨斯州登顿的 ESAB 焊接与切割产品全球产品管理、柔性自动化总监 Ed Hansen 说，这是 MIG 的另一个优势。
“经过多年的经验和科学证据，传统焊接非常适合明白了。我们知道如何才能获得可预测的结果，以提供结构所需的接头。即使我们谈论 s 的稀缺性劳动力死亡，这对行业来说是一个真正的问题，但仍有大量经验丰富的焊工、技术人员和工程师都熟悉管理这些传统工艺。”对于大多数产品，这是一种简单、廉价的解决方案，可提供可接受的结果。
左侧焊缝下方的暗区显示了良好 MIG 焊缝的深熔透和完全熔合。右图显示了完全熔化但熔深很浅的激光焊接，减少了填料和基材之间的混合。在这种情况下，MIG 或 TIG 系统的前期成本低于激光系统。然而，激光的成本一直在下降，并将继续下降。 “激光器的成本约为激光焊接系统的三分之一到一半，”Hansen 说d，“作为焊接能力函数的成本每年下降 10-15%。”
Miller 还指出，“激光加工头比传统头更贵，传输光纤更贵，保护激光电池的成本也更高。”例如，激光单元必须“不透光”，具有 4 英寸（101.6 毫米）厚的壁以承受直接撞击 10 分钟而不烧穿。（激光不会聚焦在 4 英寸 [101.6 毫米]厚深度。）TIG 和 MIG 系统可以通过允许间隙的廉价金属板进行屏蔽。
另一方面，当考虑到产量和每个零件的成本差异时，激光通常会胜出，因为我们会看到。对于 TIG 尤其如此，这是一个非常缓慢的过程，需要高度的技能，因此使用起来很昂贵。出于这个原因，米勒说 TIG 主要限于工业食品设备和电器制造，加上一些精密 c组件。 “人们选择 TIG 用于食品设备应用，因为焊缝没有多孔表面——它非常光滑，”他说。但是，如果这些零件需要批量生产，激光系统的 ROI 将“打破大门”TIG，因此在这些情况下它自然会接手。
Masoud Harooni，激光焊接产品经理伊利诺伊州霍夫曼庄园的 Trumpf Inc. 表示，即使是 TIG 也无法为食品加工和其他外观至关重要的应用生产出完全令人满意的表面。 “它不像 MIG 那样糟糕，但 TIG 表面肯定需要后期处理打磨，而激光则不需要，”Harooni 说。 “此外，可见焊缝的激光焊接速度比 TIG 快两到三倍。如果您在冰箱或类似部件上看到一个很好的半径，它要么是打磨的，要么是激光焊接的。”
对传统焊接的最后一票：除了在少数特殊情况下，出于安全考虑，激光焊接必须自动化。正如汉森解释的那样，这为焊工留下了大量工作。 “你不能让机器人爬上脚手架或爬进船底。我们可以梦想这样的超级机器人，但实际上，它们不会在不久的将来出现。”
推动激光采用的趋势
正如 Miller 所见，美国制造业倾向于保守，“如果没有问题需要解决，就会选择成本最低、最稳健、经过最严格审查的解决方案。因此，只有当 MIG 焊接不起作用或 TIG 焊接速度太慢时，人们才会开始转向激光。”
批量 TIG 焊接要么已经转移到海外，要么被激光接管，那么激光挑战 MIG 的地方在哪里?
一个关键问题是可能由 MIG 相对较长和广泛的热传递到零件中造成的冶金或结构损坏，然后是一个很长的冷却周期。相反，激光以非常小的光束传输热能，仅熔化局部区域。总热量输入比 MIG 少得多，部件冷却速度非常快，从而最大限度地减少了变形和冶金效应。
Harooni 提供了一个有用的类比：“想象一下沙滩上的一瓶水，与一根针相比.如果你在瓶子上放一个五磅的重物，它就不会穿透沙子。但如果你在针头上放几盎司，它就会。把你施加的重量想象成热量，把瓶子想象成 MIG，把针想象成激光。”
ESAB 的 Hansen 说，与 MIG 相比，激光减少了大约 85% 的热量输入，“焊接与热输入成正比。放入其中的热量越多，产生的残余应力就越大。这意味着屈曲、变形和收缩以及所有这些会在您取出该零件并从 o 进行组装时引起噩梦的事情将其安装到结构或车辆中。”
零件越大，越小的单个残余应力会变成宏观变形，这种变形成本非常高，而且以后很难修复，他补充道。对于试图“轻量化”其产品的客户来说，这是一个主要考虑因素。更重要的是，他说，“一些合金在加热时会发生偏析或改变性能，或者晶粒结构以不希望的方式生长。如果你熔化然后冷却焊缝，在许多这些材料中，晶粒结构和微观结构是不同的。”
热源距离较远，熔体高度集中在下面的区域，激光焊接看起来就像魔术一样，如此处所示的 Miller Electric 系统。Miller Electric 的 Miller 指出，最新一代的高强度gth 钢“通过复杂的热处理工艺获得了很大的强度。当您在低冷却速率下熔化和凝固它们时（如在 MIG 焊接中），所有这些强度都会消失。激光可以帮助保持材料的母体强度。”
在另一个例子中，Miller 说，由于“浮动阴极问题，MIG 焊接钛很困难。电弧不稳定。所以激光是一个完美的选择。”对于 6000 系列铝，问题是热裂。 “热裂是硅化镁迁移到晶界的结果。因此，如果您可以在硅化镁迁移之前加热、熔化并冷却材料，那么您就可以创建无裂纹的焊缝，”他说。 “激光可以使用最新的扫描技术做到这一点，我们用镜子来回移动光束。”
激光的惊人吞吐量
从 Miller 的角度来看，大多数激光应用程序存在差异难焊材料。从 Harooni 的角度来看，激光的速度要快得多，以至于连钣金项目都在转向激光。快多少？ Trumpf 的 Harooni 表示，MIG 焊接通常以每分钟 20-30 英寸（508-762 毫米）的速度进行——最多每分钟 40 英寸（1,016 毫米）。根据 Harooni 的说法，激光可以每分钟近 200"（508 厘米）的速度进行焊接，因此仅连接过程就已经快得多。第二个好处是减少了后处理。Harooni 观察到，如果焊缝的外观是重要的是，您必须在 MIG 焊接后进行长时间的打磨循环，这在激光焊接后就没有必要了。
使用 MIG 焊接的成本为 25 美元，而激光焊接的成本仅为 15 美元，即使考虑到激光焊接的初始投资更高。”例如，Harooni 讲述了最近的一个项目，在该项目中，Trumpf 缩短了焊接大型 d 的周期时间oor 从十小时到 35 分钟。另一位客户在 MIG 焊接铝制电气外壳时遇到了困难。气孔是一个常见问题，总周期时间为四个小时。 Harooni 表示，Trumpf 通过激光焊接将这一时间缩短至 18 分钟。
Hansen 补充说，激光能够深入材料，使其比传统焊接的优势倍增。因为激光不仅比 MIG 快三到十倍（与 TIG 相比甚至更快），所以它可以焊接相对较厚的接头，而这些接头需要使用 MIG 或 TIG 多次通过。
“传统技术还需要在道次之间进行清理和打磨，进一步增加了整体循环时间，”Hansen 解释道。 “根据您使用的处理器，激光可以进行最多约半英寸的单道焊接，而 MIG 焊接大约可以进行五道焊接。超过半英寸，激光焊接需要预先切割或打磨边缘的斜面，但它要小得多比 MIG 焊接所需的整个接头斜角更小。”
因此，对于半英寸厚的材料，激光焊接将比 MIG 快 15-50 倍，仅在焊接速度方面——甚至更快您还需要考虑 MIG 所需的额外后处理。
比较技术：底部未焊接接头，上面是 MAG 焊缝，上面是 Trumpf Fusion Line 焊缝（结合了焊丝和激光），顶部是针对该工艺重新设计接头后的自体激光焊缝。当然，有了如此高的生产率，您需要大量的焊接工作来为激光系统供电并最大化您的投资回报率。正如 Hansen 所说，“例如，在板材焊接中，激光通常可以产生多达三到五个亚弧焊系统。您需要大量工作才能为五个子弧系统供电。”
新技术与旧技术相结合
由于自体激光焊接要求待连接部件之间的紧密配合，在许多情况下最好重新设计连接位置以呈现重叠激光表面（使用其穿刺能力）。越来越多的制造商愿意投资于更好的上游工艺和工具，以利用激光的更高吞吐量。
但对于那些抵制这种变化，或者在差距不可避免的情况下，有混合结合激光和送丝技术以及其他拓宽激光应用范围的新发展的系统。一个简单的概念（前面提到解决热裂问题）是摆动激光点。米勒说这是一个古老的概念，最近变得更加经济。他举了一个例子，在一个 3 毫米的区域内高速来回移动一个 1.2 毫米直径的光点，有效地捕获更大的区域和d 仍然可以进行良好的焊接。
Hansen 说，混合系统结合了 MIG 工艺和激光束。 “我们真的在使用激光来实现穿透。通常，如果您想影响 MIG 焊缝的熔深，则必须增加更多的电流强度。通过使用激光进行穿透，我们可以调回 MIG 上的电流强度，并使用我们的结构允许用于工程目的的最小焊缝。因此，激光使我们能够优化 MIG。”由于激光束稳定电弧，工艺之间也存在协同作用。 “如果我们没有激光束，我们可以用电弧移动得更快。这就是我们能够在混合过程中如此快速地进行的原因，”他说。
一套大型六轴伊萨激光龙门，用于焊接客运轨道车。Trumpf 的 Fusion Line 被 Harooni 描述为“一种工艺激光辅助线材，将更多的质量引入间隙”，可以桥接宽度达 1 毫米的间隙。
ESAB 开发了自适应焊接感应零件状况并更改工艺参数以适应它们的技术。该系统使用相机“在零件上绘制激光条纹，然后从视差角观察接头的形状，大约提前 20-40 毫米，”Hansen 说。激光相干成像用于测量被激光切入金属的小孔。 “我们可以测量穿透深度和锁孔的形状，并将这些信息用作质量测量或闭环控制过程，”他说。
系统会自动调整激光穿透、激光功率、气体保护金属电弧参数、送丝速度、电压、气体流量和焊头穿过零件时的行进速度。受美国海军要求驱动的目标是将低热输入激光焊接的优势带到“常规制备的零件”（即未按照标准激光焊接的严格公差加工的零件）。 Hansen 报告称，这将复合焊接的工艺窗口扩大了五倍，超过稳态控制可能实现的范围。
激光焊接对许多用户来说仍然相对较新，Harooni 强调通快致力于从一开始就提供培训和支持，以及在安装后对其系统进行离线编程的好处。
Trumpf 还提供 TeachLine，这是一种新的基于摄像头的传感系统，可以检测待焊接接缝的位置。 “客户不想中断生产来对新零件进行编程，或更改他们的编程，因此他们可以使用这种离线编程并上传零件、对其进行编程，然后将其带到单元中。有了 TeachLine，他们不需要埃德调整它。 TeachLine 会看到零件并调整您离线制作的程序。离线编程和 TeachLine 的结合帮助我们的客户快速改变生产。”
ESAB 还推出了一个新的“数字解决方案”套件，它结合了涵盖整个焊接过程的大量信息，包括填充材料、基础材料和气体，使系统更易于使用。正如汉森所说，“制作一个复杂的系统很容易。让一个复杂的系统看起来很简单是非常困难的。这就是我们使用数字解决方案的方向。我们正在利用我们对过程的了解来做出有关过程控制的明智决策，这样操作员就不必像过去那样经验丰富或知识渊博。”
ESAB 也是致力于使其设备能够评估其生产的焊接质量的方法，并理想地防止nt 本身不会造成缺陷或不连续。
最后，传统焊接也有了改进，例如先进的波形和 Miller Electric 的 ActiveWire 概念，它连续向前和向后送入 MIG 焊丝以减少飞溅和热量输入。该方法拓宽了可实现自动化的 MIG 应用，并使 MIG 成为适用于某些超薄材料焊接的可行解决方案。
