激光焊接在商用空調(diào)部件的研究與應(yīng)用

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)量競爭力。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、人員勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差等問題，且伴有焊接飛濺，需要經(jīng)過后工序的打磨平整，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1CO2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)研究開始于電控盒類零件，目的是通過激光焊接的應(yīng)用來取代傳統(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；焊縫深度過小，則可能導(dǎo)致焊高過大，增加了后工序打磨的工作量。因此對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，最先開展該類電控盒零件的激光焊接試驗(yàn)，還考慮到其需求批量較大，可為后期的自動化激光焊接作好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。圖2電控盒類零件三維視圖圖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)用商用接水盤類零件中的應(yīng)用接水盤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，大量弧焊會造成接水盤零件的熱變形，影響整個(gè)零件最低點(diǎn)的位置，導(dǎo)致零件長時(shí)間存水，不利于水冷機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。圖4手工電弧焊的接水盤類零件而采用激光焊接時(shí)對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以內(nèi)，若焊縫過寬，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接水盤類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，這對于不銹鋼打磨而言簡直是福音。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)消耗的磨盤及工作量也大大增加，打磨一條焊高在1.2mm，長度為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強(qiáng)度，而且提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，這對企業(yè)發(fā)展來說是不容樂觀的。不銹鋼類零件焊后手工打磨如圖6所示。圖6不銹鋼類零件焊后手工打磨為改變現(xiàn)有的工藝，通過與國內(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、自動激光焊槍與送絲控制系統(tǒng)、柔性化夾具工作臺集成可編程示教的激光自動焊接方案，該方案通過設(shè)計(jì)柔性化的夾具，對不同系列的零件進(jìn)行快速裝夾與定位，同步實(shí)現(xiàn)零件的快速切換。通過手持機(jī)器人末端焊槍，對焊接路徑進(jìn)行示教，因此可大大降低自動化焊接操作難度，減少專業(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，手動示教編程花費(fèi)10min，焊接過程2min，其他調(diào)整耗時(shí)8min，單個(gè)接水盤零件初次焊接耗時(shí)25min，由于再次焊接該種零件無需示教與其他調(diào)整，因此批量生產(chǎn)時(shí)單個(gè)接水盤零件平均耗時(shí)為7min，且后工序無需打磨，無需專業(yè)的焊接操作人員，整個(gè)過程加工成本降低25%以上。接水盤類零件手工電弧焊與激光自動焊對比見表1。表1接水盤類零件手工電弧焊與激光自動焊對比圖7接水盤類零件激光自動焊接商用支撐架類零件中的應(yīng)用作為商用外機(jī)結(jié)構(gòu)骨架，支撐架類零件用量多，該類零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為長條狀箱體，有利于組裝與承重，由于該類零件在箱體內(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，而且對鋼基體還起到了電化學(xué)保護(hù)作用，是一種性價(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程和焊接質(zhì)量受到不利影響。原因是在鍍鋅鋼板焊接過程中，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)象對鍍鋅鋼板的焊接過程和焊接質(zhì)量會有很大影響。目前，廠內(nèi)對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)量問題的出現(xiàn)。圖8手工電弧焊接的支撐架類零件而通過激光焊接的應(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)度下降等問題。商用支撐架類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