1． 概述

（1） 激光焊接的意義

2001年以前，中國的換熱器板基本采用傳統的焊接方式，歐美等國較早使用了該項新技術，并且大量向中國出口由激光焊接后的換熱板及其罐體，導致我國相關企業在競爭中處于被動地位。蘇州領創激光科技有限公司技術團隊成功研制出高速度，高精度和高可靠性的大型激光板焊加工設備。

該設備是利用激光將上層薄形不銹鋼板通過中心穿透熔化焊方式與下層較厚或相同厚度的不銹鋼板焊接在一起的先進加工工藝。被焊的上下板可以具有不同或相同的厚度，一般薄板小于3mm，厚板小于20mm。通過焊接可以成型蜂窩式夾套、板式換熱器等換熱罐體和裝置。該工藝可以極大減小工人的勞動強度，無焊條損耗，無環境污染。CNC控制有效地提高了制件的精度，焊縫光滑無雜質，強度高，均勻致密，焊后工件變形小，無需附加的打磨工作。材料利用率可達100％，加工效率成倍提高。另外通過專用自動編程軟件控制，可方便地更換焊接圖樣，以滿足不同冷媒，耐壓和換熱需要。

（2）這類設備廣泛應用于啤酒，化工制藥，制冰水等行業。

2．影響激光焊接的主要工藝參數

（1）激光光功率；一般要大于形成小孔效應所需的臨界功率。

（2）能量密度：能量密度一般大于106W／cm2。

（3）焊接速度：焊接速度主要與激光功率有關，在保證焊透和不焊穿的情況下，焊接速度隨功率增大而增大。

（4）保護氣體：主要有氬氣，氦氣和氮氣。氬氣使焊縫光滑均勻，氦氣能顯著增強焊透能力。

（5）噴嘴系統：主要與噴嘴直徑和嘴板距以及焦距有關。噴嘴直徑大，氣壓高，則保護好，過大則容易污染聚焦鏡。嘴板距大焊縫保護不好，過小則易于導致噴嘴過熱和污染鏡片。焦距過長，鏡片不易污染，但能量密度小，焦距過小則容易損壞鏡片，但能量密度大，視光源種類和功率不同，一般選用焦長190至300毫米的聚焦鏡。

（6）分段焊接時采用透鏡聚焦較好，這是因為連續焊接時間短，不至于因透鏡發熱導致透鏡變形從而造成焦距變化或焦點漂移，使用透鏡聚焦能量密度也相對高，同時可實現氦氣與氬氣保護氣體同軸噴出，焊透效果也好，但金屬汽化后的反濺容易污染透鏡。若焊接長直線時則采用反射式拋物面聚焦，焦距采用200MM，直接冷卻聚焦鏡，可實現長時間連續焊接，通過加裝隔離窗口鏡實現保護氣體同軸噴出，能量密度相對較小，可達到類似的深熔焊效果。

在上層板厚1．2MM的情況下，如表1所示

3．設備的構成

激光焊接設備由激光器、機床主體、冷卻系統、外光路導光系統、輔助氣體，自動編程軟件，另外還有夾具等組成。其中主機部分由CNC控制系統，底座，龍門移動梁，Z軸聚焦系統，工作臺以及伺服驅動的液壓、氣動夾鉗等組成。

圖1 LEAD－WF型激光焊接設備

4．設備的技術參數

設備的主要技術參數如表2所示，工作臺最大裝載板幅為12000X2000MM

表2

5．關鍵技術

（1） 兩層板料的夾緊技術

本機采用四缸同步液壓夾緊機構，將待焊接的兩層板料嚴密地壓實貼合在一起，確保間隙不大于上層板厚的5％，若間隙在此范圍內可實現焊接區快速有效的工作。該機構使前后壓料梁同步壓緊，使板料無移位，無變形，從而保證了焊接區焦點的恒定，確保了焊接區各點的焊接質量的一致性。對于薄板＋薄板的焊接，焊接區采用特殊的微頂技術，有效消除板之間隙。

（2）圈焊與線焊的互換技術

該設備既可進行圈焊又可進行長直線的焊接，圈焊是在兩壓緊梁壓緊板料于焊接區內實現的，焊接時板料不動，而線焊需要板料在CNC控制下移動V軸或W軸，焊槍不動，此焊接方式需要U軸跟隨，通過雙向前后壓料輪壓緊板料，使其貼合在下層板上，并使Z軸隨動而實現。該項功能基本滿足了啤酒制罐行業的使用要求。

圖3  焊接工件模式

（3）夾持送料及移動導向機構

由于所焊接的板料寬2米且長達12米，該設備采用6組液壓夾鉗同時在板寬方向上夾持，夾鉗除具有夾緊工件功能外，還具有上下浮動機構，吸收由于板料輸送過程中造成的振動誤差。伺服電機帶動精密減速機，采用齒輪齒條傳動方式驅動送料小車按CNC指令前后運動，實現板料的送進。鑒于焊接后的變形導致材料漂移，另于機床后部加裝一套移動導向裝置，確保焊接過程中高精度平穩運動。

（4）CNC控制系統

各種工藝參數選定后，后續焊接工作完全由CNC自動控制。控制系統選用FAGOR80558055M數控系統，該系統采用模塊化結構，由中央處理單元、I／O接口、監控器／鍵盤面板、伺服電源模塊、伺服驅動模塊和伺服電機組成。

其結構框圖如下：

圖4  CNC控制系統

（5）Ramping 焊接技術應用

制罐行業用蜂窩夾套板和換熱器板需要在鼓脹后通一具有一定壓力的冷媒，如水酒精和氨水等，因而要求焊縫既要美觀更要一定的強度，還要杜絕泄露或進水與回水通道相串通。激光焊接可以方便地控制開關光閘，但若起弧與收弧控制不好極易造成焊不透或焊穿板料，該設備采用Ramping焊接技術，保證焊接起停階段的激光功率隨時間而隨意設定，通過計算封閉軌跡，推斷焊接速度與時間的關系，使搭接強度不低于正常的焊接區域。例如：焊接一個圓圈大約需要3秒鐘，從起弧到收弧的軌跡長度正好對應p－t曲線，則下列時間—功率曲線就反映了Ramping焊接技術具體應用。

圖5  焊接軌跡工藝曲線示例

6．激光焊接的步驟和方法

（1） 上料，找正使板邊與運行方向一致；

（2） 根據所焊板料參數在編程軟件庫中編輯；

（3） 自動生成加工程序并傳給 CNC；

（4） 啟動CNC，并運行機床；

（5） 焊接完成下料；

7．結束語

（1） 該設備已成功應用于化工，啤酒，制藥等行業，焊接質量高，成本底，運行平穩，自動化程度高，加工效率高。

（2） 目前該設備可進行蜂窩夾套板、通道式夾套板和瓦楞板的疊加焊接，隨著市場需求的擴大，還可應用于更廣泛的加工領域。

（3） 目前焊接質量還很難在線實時監測，只能憑經驗通過聲音，光，顏色等的變化，待焊接后判斷，或通過事先設定參數做試板取得鼓脹壓力和流量的有關數值符合行業標準后再批量生產。