新技术可以产生激光焊接的“圣杯”：无飞溅、无气孔连接
铝母线搭接焊接使用 360° 气刀和简单的侧面喷射。气刀和侧喷或保护气体喷嘴的方向和定位对于焊接一致性至关重要。照片由 Laser Mechanisms 提供在我们 5 月份题为“制造中的激光器：2018 年的最先进技术”的网络研讨会中，我们注意到一些新技术的出现，以实现激光焊接的“圣杯”：无飞溅连接，无孔隙度以及在需要时高度美观的结果。
为了扩展这些工具，我们要求激光供应商深入谈论他们系统或工艺开发的特定方面，并为用户提供实际技巧-要么至少向那些尚未使用它们的人展示了当前激光焊接系统的强大功能。
深度渗透
Tom Kugler，Laser Mechanisms Inc.（密歇根州诺维）的光纤系统经理，通过提供一些现实世界的技巧和一些背后的科学知识，开始我们关于激光焊接的“自助”部分，以产生具有更高穿透力、几乎没有孔隙率和更好的表面光洁度的一致焊缝：
了解锁孔工艺：在这种状态下进行的激光加工会产生一个锁孔——一个又深又窄的区域，光束在该区域将金属从锁孔侧面的液体壁上蒸发掉。小孔随着光束通过焊接路径移动，就像热线穿过黄油一样。 “保持锁孔打开和稳定对焊接质量至关重要，”Kugler 说。 “塌陷的钥匙孔可以将气体蒸汽困在金属中，产生孔隙并阻止熔合。任何改变强度、焦点大小或光束相对位置的东西e 进入小孔会影响焊接质量。”
限制焊缝附近的烟灰：从小孔中蒸发的金属喷出并冷却，形成细小的金属颗粒烟灰，这些烟灰会在激光束到达的途中散射重点。这种散射将导致光束改变工件上的强度和焦点尺寸，并可能导致焦点在表面上不规则地移动，他说。如果气体喷射和排气系统没有立即将烟灰从焊接区排出，结果几乎可能是完全失去焊缝熔深。
“如果去除不是烟灰影响的一部分，烟灰效应可能是一个问题系统设计，”库格勒说。 “始终将空气从清洁空气源移动到排气口，穿过焊接区。这可以像风扇一样简单，也可以涉及机器中专门建造的压力通风系统。”他补充说，如果在大面积上进行焊接，从最靠近排气系统的地方开始并移开，这样烟灰就会始终远离焊接区并流向排气装置。
使用重叠装配的外角激光焊接结果。图片由 Miller Electric 提供交叉喷嘴很重要：气流重要的另一个区域是激光光学元件附近焊接区上方的交叉喷嘴或气刀。气刀将来自焊接区的碎片转向排气系统。可调节的 360° 旋转气刀通常是实现此目的的理想选择。
焦点尺寸很重要：由于焦点处的高功率密度，产生更小的焦点会产生更稳定的锁孔，对轻微的轻微干扰有更大的容忍度根据 Kugler 的说法，强度会发生变化。焦点尺寸变化 2 倍会使功率密度降低 4 倍。 “由于烟灰水平和焦点位置的变化而导致的光斑尺寸的微小变化仍然会产生足够的功率密度以形成稳定的锁孔，”他说。 “选择如果零件装配允许，光斑尺寸在 100-300 µm 范围内。”
高功率光学器件：高平均功率激光器会对透射透镜施加压力。穿过镜头的激光能量会在镜头中产生一些热量，从而产生一种称为“热焦点偏移”的效果。这种转变可能需要两到三分钟才能达到平衡。与此同时，系统的焦点位置也越来越靠近聚焦光学系统。如果过于明显，焊接过程中焦点的这种变化会降低工艺质量。光学元件上的污染会使这种效果恶化。
“在反射镜表面下方具有直接水冷的反射聚焦镜是一种替代方案，”Kugler 说。 “将镜头换成聚焦镜可以创建一个光学系统，其热焦点偏移约为透射光学器件的 10%，而且它们不受轻微污染的影响。”他补充说，这些镜子会在几分之一秒内发生微小的焦点偏移。反映主动系统推荐用于超高功率焊接应用或 6+ kW 范围内的高占空比应用。
焊接与弯曲板材
板材激光焊接的主要吸引力Trumpf Inc.（康涅狄格州法明顿）的销售工程师 Brett Thompson 说，金属制造除了焊接速度快和设计自由度高之外，还可以显着减少（有时甚至消除）返工。
“它可以当从大局着眼时，很容易忽视元素设计自由度的影响力，”他解释道。 “弯曲一直比焊接便宜。有了能够使复杂的折弯变得简单的高精度折弯机，只要有可能，用折弯代替焊缝就很容易了。”
但是，他说，“事情变得有趣了”，当一个零件必须仍然被焊接。
Trumpf 展示了一个简单的零件重新设计如何在较小的折弯机上利用激光焊接的优势。原始零件（左）和经过重新设计以在较小的折弯机上运行的零件。“激光焊接的每小时成本高于折弯机，”他说，“但如果零件经过加工最多可焊接四个已经有接缝，通过将弯曲换成焊缝使其变成五个，这在考虑焊缝甚至可能是更快的解决方案时非常有意义。更广泛地思考，您将同样的原则应用于机器容量。某些功能限制了折弯机上的工具灵活性。”
考虑这样一种情况，其中一个车间有两个折弯机，他继续说，一个开口加长，床身长度为 10' (3.048 m)，另一个是小型电动折弯机，开口高度为 8 英寸（203.2 毫米），弯曲长度为 3 英尺（0.914 米）。生产一个由正方形和矩形组成的相当简单的零件（见插图）我这通常很简单，尽管考虑到零件的几何形状、尺寸、数量和所需的弯曲高度，需要带有加长杆的高上部工具的设置是必要的。
但是，如果更大的折弯机被预订用于另一项工作怎么办?
使用 1 焊接 0.8 mm 厚的 Inconel 对接接头kW 平均功率和氮气保护气体。照片由 Prima Power Laserdyne 提供“业主拒绝这项工作吗？”汤普森问道。 “分出来？推迟交付直到更大的折弯机（由于较小的折弯机无法容纳如此大的零件而需要）可用，有失去工作的风险吗？如果您在设计时考虑到激光焊接的灵活性，则无需做出决定e.”
Thompson 解释了激光焊接的速度和通常不需要返工的接缝如何使解决方案变得简单。 “从成本的角度来看，用激光焊接这个零件比用 MIG 焊接它便宜得多，从机器能力的角度来看，改变设计以增加灵活性都是有意义的。
“当我们从这个零件上取下侧面并将它们焊接到弯曲型材上时，就可以在任何可用的折弯机上运行该零件——无需等待更大的机器，”他继续说道。 “从实际角度来看，零件也更有可能保持一致。”
重叠零件装配
正如 Erik Miller 在这个场景中所说明的，业务作为 Miller Electric Manufacturing Co.（阿普尔顿，威斯康星州）激光组的开发经理，与 TIG 或 MIG 焊接相比，激光焊接不仅可以改善美观，还可以缩短工艺时间。
在需要外角焊缝的精密不锈钢焊接应用中，例如在商业食品设备制造或电箱中发现的那些应用，与传统焊接工艺相比，激光焊接可以节省大量时间——尤其是当使用重叠部分装配时角对角零件装配。
在外角激光焊接中，重叠装配可在成型过程中出现轻微过度弯曲或弯曲不足的情况下提供更大的焊接公差。即使装配不完全齐平，激光焊接仍能产生高质量的焊缝。
当这些外角焊缝采用 TIG 或 MIG 焊接时，通常使用角对角零件装配.这意味着材料的内角接触并留下一个凹陷区域，类似于 V 形槽，必须用焊接金属填充。根据 Miller 的说法，在成型不良的角对角轮廓中更容易出现装配间隙。
此外，TIG 焊接的角焊缝 t通常必须通过焊后打磨来完成，以平滑拐角，去除多余的焊缝增强材料并达到必要的美学要求。 “当使用 MIG 焊接完成较厚金属板上的角焊缝时，情况也是如此。这种焊后打磨显着增加了工艺时间，”他说。
在激光焊接外角时切换到重叠零件装配不仅为焊工提供了更宽的操作公差，而且还可以显着提高生产率，他补充道。
“由于行进速度更快，激光焊接比 TIG 焊接快 10 倍。但在一些精密不锈钢焊接应用中，更大的生产率优势在于能够减少焊后打磨所花费的时间和金钱，让焊工花更少的时间打磨，更多的时间用于焊接，”Miller 说。 “这是因为激光焊接创造了一个光滑的表面并减少了——在大多数情况下imimates——变形，大大减少了焊后打磨的需要。事实上，在某些应用中，它可以完全消除焊后打磨。”
在航空航天中取代 TIG
为了进一步说明激光取代现有方法的能力，一家航空航天制造商最近向 Prima Power 询问Laserdyne LLC（明尼苏达州尚普林）帮助了解他们的 TIG 焊接部件是否适合激光焊接，销售和营销副总裁 Mark Barry 解释说。
“我们建议进行设计修改以适应协助提高流程的质量和稳健性，”他解释道。 “应用团队知道由材料类型决定的初始工艺参数。功率的变化以及功率的传输方式会影响焊接曲线。”一项简单的冶金评估显示了作为进给速率和功率函数的所得轮廓。用户能够确定最佳参数
“通过使用简单矩阵确定工艺参数后，通过使用氮气作为辅助气体或保护气体，焊接质量和成本得到显着改善，”Barry 补充道。 “这不是传统焊接工艺的常见做法，但在激光焊接时已显示出质量和成本优势。”工艺开发和优化在实验室中花费了不到三天的时间。
“我们开发的这些钻孔、切割和焊接工艺参数将再次使用，既作为最终产品，也作为未来工艺开发的起点，”他总结道。 “教训很明确：如果结果证明简单评估是合理的，就不要选择第一个有效的参数。这是一项 35 年多以来向全球激光系统用户传授的技术，有助于获得只有激光加工才能完成的独特工艺。我们的工艺工程师精通所有技术这些过程并使用这些技术来帮助我们的客户实现预期的结果。”
当两束更好时
使用其高亮度直接二极管激光器改善汽车铝焊接，Laserline Laserline GmbH（米尔海姆）使用其多点模块（如图）创建结合了热传导和小孔焊接优点的点对点工艺。为了使用其高亮度直接二极管激光器改进汽车铝焊接-德国卡尔利希和密歇根州普利茅斯) 使用其多点模块创建了一个点对点工艺，结合了热传导和小孔焊接的优点。
通过将圆形中心光束叠加在方形外梁，Axel Luft 博士的工艺团队实现了光滑的表面、直边和高穿透深度 w同时保持快速焊接速度并减少飞溅。
由于较大焊点的平滑效果，该工艺允许使用铝镁 (AlMg) 焊丝来改善外皮质量。 AlMg 焊丝比常用的铝硅焊丝更硬，可产生更坚固的接头，同时由于其更高的吸收率而允许更快的焊接速度。
为了进一步定制工艺，该模块允许用户在内部和外部之间切换功率斑点，甚至将内部斑点移动到较大斑点的前面或后面。在其工艺开发中，Luft 的团队通过将内点移到外点的前面来改进平滑度。对于其他应用，可以设计外点以获得最佳效果。该公司今年年初开始提供该模块的电动版本，比其手动装置稍大。
虽然三点模块最初是为大众汽车的特殊钎焊工艺开发的，带有新涂层，但 Luft说，通过点对点方法，“我们可以进行很多不同的焊接工艺。如果您有一个过程，您希望使用较小的点，但由于鲁棒性问题而不能，我们可以（对此）进行改进。”
电动模块允许用户轻松地从厚点切换焊接到更薄的焊缝和材料，并改变内部或外部点的功率高达 80%；定制制造商可以更轻松地“从一个焊缝转到另一个焊缝”。
“我认为如果你有一个加工车间，这是一个很好的补充”并且需要在不同项目之间快速更改工艺参数，Luft 说。 “对于关键工艺和不同种类的材料，如铝、钢和铜以及所有类型的焊缝，这很有趣”，用于定制毛坯、动力总成部件和电池。
Laserline 目前将该模块集成到 Scansonic 中带填充线和不带填充线的光学器件，“但如果客户有专业人士，我们非常愿意定制它cess，他想改进它。”
