IPG 1.5 kW風冷型手持雷射焊接和清洗系統在典型金屬製造中的應用
IPG 1.5 kW風冷型手持雷射焊接和清洗系統在典型金屬製造中的應用
作者：Valentin Gapontsev博士、Felix Stukalin、Adam Pinard、Oleg Shkurikhin、Yuri Grapov、Iurii Markushov
- 前言
傳統MIG焊和TIG焊的缺點包括：通常需要一定的焊前準備和設置；在焊接時產生極高的熱量，導致熱影響區較大、材料扭曲變形，焊接品質結果不理想；在焊前和焊後需要進行處理，從而增加總成本、降低生產率。此外，需要雇用有經驗的焊工，尤其是焊接複雜接頭，這導致成本進一步增加。自動化雷射焊接技術可以解決上述問題，但是到目前為止，由於成本高、占地面積大和複雜程度高，對於金屬製造商來說，這並不是理想的解決方案。
IPG 通過推出革命性的新產品解決了這些挑戰，LightWELD系列產品可以為各種規模的製造商提供掌上型雷射焊接和清洗功能，適合新手和專業焊工使用。新產品配備1.5 kW可調光纖雷射光源，可提供2.5 kW峰值功率，通過符合人體工學的掌上型焊槍提供焊接所需的加工功率。焊機中存儲了工藝參數庫，針對常見的材料和厚度組合進行優化，並且能夠焊接異種材料和不同電導率的材料。通過結合光束振盪（擺動）特徵，擺動寬度高達5 mm，對工件裝配間隙容忍度高，同時形成美觀焊縫。體積僅為0.1 m3，重量僅有53 kg，尺寸輕巧，便於攜帶。這些特徵使得這個解決方案成為革命性的雷射創新，以及高生產率的工業工具。
焊接應用
在金屬製造行業，主要挑戰是熟練技術工的短缺，特別是對於要求較高的TIG焊，往往需要高技能操作員。LightWELD克服了這個問題，幾乎任何人都可以很快上手進行雷射焊接，並焊接出良好的結果；關鍵在於，首先需要開發和優化工藝，然後將其整合到系統中。例如，經過安全培訓後，即使是沒有焊接經驗的裝配工也可以重複焊接出穩定、一致的搭接接頭，因為系統會根據選定的材料和厚度自動調控雷射工藝，進行定位點焊。
雷射焊機不僅可以焊接常規接頭，還可以焊接幾何形狀等更為複雜的接頭，這也有助於改進產品設計。下圖（圖1）所示案例：使用IPG手持雷射焊機焊接1.5 mm+1.5 mm不銹鋼外殼。該設計利用了雷射焊接能力，使操作員能夠穿透具有低輪廓焊縫的頂部材料，從而大幅減少預處理和後處理工作，顯著降低總成本。
圖1. 不銹鋼雷射焊接：a）具有高品質的外角焊縫和點焊鉸鏈；b）使用預設點焊參數將多孔板點焊到外殼上，實現100%的一致性。
傳統的弧焊工藝使用氬氣作為不銹鋼和鋁的保護氣體，以防止焊接熔池氧化。雷射焊接使用氮氣提供更好的焊接結果。使用氮氣和氬氣作為保護氣體的焊接結果如下所示（圖2）。
圖2.使用不同保護氣體焊接2.0mm不銹鋼：a）使用氬氣的焊縫X射線結果顯示，熱影響區附近產生多個氣孔；b）使用氮氣的焊縫X射線結果顯示，焊縫無氣孔。
焊縫評估結果如下所示（圖3），包括根據AWS D17.1:2017（A類）- 航空航太級的熔焊規範進行目視和金相檢查、拉伸試驗和彎曲試驗。
圖3. 2.0 mm不銹鋼航空級品質焊縫結果：a）掌上型雷射填絲焊樣品；b）彎曲試驗結果：在180°彎曲角度下無開裂；c）焊縫的X射線結果顯示：焊縫無氣孔；d）焊縫金相結果顯示：完全熔透，無缺陷和夾雜物。
清洗應用
LightWELD XC手持雷射焊接清洗一體機具有雷射光斑尺寸小和高頻脈衝控制特徵，可以針對焊接前後發生變色和污染的表面提供清洗功能。由於氧化層和污染物會對氣孔率和焊縫品質產生顯著影響，該功能對於鋁等材料的焊接至關重要。在傳統工藝中，操作員在焊接前使用丙酮或其他化學物質清洗接頭。雷射可以燒蝕所有污染物並去除氧化層，例如，圖4顯示了雷射清洗如何提高鋁5052和鍍鋅板的焊縫品質。
圖4.雷射清洗後焊縫品質提高：a）鋁5052：X射線結果顯示，在焊接前應用雷射清洗後，氣孔減少；b）鍍鋅板：X射線結果顯示，在焊接前應用雷射清洗後，缺陷顯著減少。
通常，焊工需要在焊後進行處理，這可能是非常耗時的清洗過程。LightWELD XC手持雷射焊接清洗一體機的優勢：約20mm/s的清洗速度，無需打磨耗材或化學品，以防止表面受損。圖5a顯示了焊接工藝前低碳鋼除鏽的雷射清洗結果。
圖5.雷射清洗：a）焊接過程中的重鏽去除；b）雷射清洗的酸洗和鈍化效果，通過完全焊接和部分清洗不銹鋼304L的鹽霧試驗進行驗證，暴露2小時後，左側（雷射清洗）未發現生銹跡象。
雷射清洗最重要的優勢之一是焊接後不銹鋼酸洗和鈍化。圖5b顯示了浸入35℃鹽霧溶液（Morton Culinox 999/DI Type IV）中2小時後的樣品。焊後對樣品左側進行雷射清洗，右側保持焊接狀態。焊接樣品右側發現明顯的生銹跡象，但是在雷射清洗後，左側未發現生銹。該示例證明了雷射清洗可以取代不銹鋼應用的傳統酸洗和鈍化過程。
總結
通過從傳統的焊接和清洗方法，轉換到這種掌上型雷射系統，為使用者節省了大量成本。掌上型的LightWELD系統適用於典型鈑金行業中工廠和車間應用，適合經驗豐富的操作員使用，也適合新手使用。這種柔性的操作光纖能夠在直徑約與一根頭髮相當的小點上傳輸加工所需的紅外光能量，比傳統焊接方法產生的熱量更少。LightWELD雷射焊接和清洗一體機的其他優勢包括：
- 焊接速度至少比TIG焊或MIG焊快數倍；
- 與傳統工藝相比，焊縫變形降低了一個數量級；
- 集成工藝參數庫和符合人體工學設計的焊槍，使得系統易於學習和操作，裝配工和新手焊工均可以進行雷射點焊並實現100%一致性的雷射定位點焊，雇用新手能夠讓製造商減輕基礎焊接工作的負擔，從而顯著降低用工成本和總成本；
- 焊前雷射清洗可以取代傳統焊接方法所需的典型打磨和噴砂工序，同時減少焊縫中的氣孔和缺陷形成； 焊後雷射清洗可以取代危險的化學清洗方法，並在焊後使用同一設備立即對不銹鋼進行清洗和鈍化處理。