北美Eberspaecher 公司是汽車行業一級供應商，為許多知名客戶制造不銹鋼催化轉化器和其他汽車尾氣相關產品，其客戶包括別克、雪佛蘭、克萊斯勒、道奇、吉普、梅賽德斯•奔馳和龐蒂克。這家公司的總部在德國，成立于1865年，從1931年開始車用尾氣裝置業務，并于2000年起開始在美國和加拿大建立工廠。目前公司在美國密歇根州Brighton、亞利桑那州Tuscaloosa、以及加拿大安大略省Brampton都設有生產工廠。 公司決定為其新建的一條催化轉化器生產線裝配一臺激光焊接短管材生產單元，而非傳統的管材加工設備。在此之前，該公司采用一臺傳統TIG焊接系統進行轉化器焊接，然而，這一工藝速度慢且焊縫兩端的質量存在問題。因此公司決定安裝一臺裝備激光器的新系統——由Weil工程北美公司生產的Twinmaster，以提升焊接速度從而增加生產能力。該激光焊接工藝提升了焊縫起始點的質量，因此所得到的管材端部相比弧焊而言能承受更大程度的變形。 處于該系統的核心Twinmaster在同一臺機器中集合了兩種主要的功能：管件成形及焊接。而一些二級加工流程，如板材進料和焊后擴管，都直接可通過該系統完成，從而成為了一個完整的生產中心。整套系統的控制功能由西門子SINUMERIK 840D CNC數控系統和一臺用于對話功能的SIMATIC OP170操作面板實現。 選擇激光焊接而非TIG焊接的主要原因是前者在工藝循環時間上的顯著減少，因為激光的焊接速度比TIG提升了3倍，從1.2米/ 分鐘增加到3.5米/分鐘，當使用3.2kW激光功率焊接厚度為1.2毫米的材料時，速度也快近3倍。除此之外，使用激光能確保功率完全覆蓋全部焊接長度，所以不會發生在管材端部由于功率開/關而產生質量降低的狀況。 Weil工程公司還開發了一項用于催化轉化器的附加功能，被稱為“回焊”。因為激光焊接起點端比終點端更堅固，因此這種方法有利于在兩端都得到堅固的焊接。其原理是：焊接朝一個方向進行，在到達焊縫總長3/4處時，停止焊接，在零功率下焊槍繼續運行到管材的終端，然后開始反向進行焊接，最終將略微同之前所焊接的部分重疊。通過使用“回焊”，管材將在擴管情況下具有更好的抗斷裂性能。 并且，使用激光的另一大優勢是可以在上下料的時候將激光功率切換到另一部焊接機上。這樣不僅可以幾乎100%地利用激光器的功率，并能通過在兩臺設備之間共享功率而減少投資。另一大使用激光的優勢是可焊接所有的材料，包括帶涂層的金屬，如電鍍或鍍鋁的鋼材。這給予了Eberspaecher公司足夠的靈活度來面對未來的項目。而且，激光焊接的焊縫能通過退火得以增強，以應對焊接后即將進行的擴管。激光焊同TIG焊相比的一大缺點是其高昂的初始購置價格及相對高的運行成本。然而，拿激光系統來說，雖然其銷售價格約比TIG系統高30%，但其產能卻比TIG系統高80%，且管端部質量更高。系統使用的TRUMPF CO2激光器在數千次切割和焊接應用中得到證明，是堅固耐用的產品。此外，該激光器能以合理的成本被集成于系統中，其需要的安全設施同弧焊工藝所需的一樣簡單。 操作流程 操作流程開始時，兩臺安裝在旋轉臺上的鈑金填料機分別被裝上大約可供1小時生產的物料，并向輥板機中送入板材。板材兩面的狀況在運送途中得到檢測。一旦第一部卸料機清空，旋轉臺將第二部卸料機送入，這樣第一部機就能同時完成再次上料，確保了不間斷的物料供應。根據管材的長度，多個金屬板（最多為四個）能在同一個機械周期被卷為管材。輥卷后的管材板件能自動被從輥板機傳送到縫焊機上，在這里管材被夾住并利用TRUMPF TLF 3200激光器產生的光束完成焊接。TIG焊是這一工藝的另一選擇，一開始會更為經濟，但其在焊接速度上較之激光焊接要大為遜色。Eberspaecher公司目前有兩臺Twinmaster系統，第一臺裝備了TIG，而第二臺裝備了激光器。 一旦焊接工藝完成，加工好的管件被工具拉伸并轉移到一臺在線退火系統上，焊接區域被加熱到約1000 ℃，以釋放焊縫中的應力。在冷卻環節完成后，CNC控制的處理系統將管件導入液壓驅動的擴管機，使其達到預先設定的管內徑尺寸。這一最終尺寸是通過轉換器基底材料的直徑、隔熱墊的厚度，以及用于轉換器管件的不銹鋼材料回彈量計算出來的。 這些操作的先后順序，每一步時間的精確計算，以及所有運動的控制都通過Siemens SINUMERIK 840 D數控系統監測并完成，該控制器同時還監測了定位、功率、激光束的開/關狀態，以及所有傳送機械及工裝。Twinmaster上安裝的TRUMPF激光器擁有200毫米光學雙焦鏡片以及固定焦距。當材料的厚度改變時，CNC工裝將自動改變工件的位置。 Eberspaecher公司的工程經理Anthony Mussarelli說道：“這些設備為我們響應并滿足客戶要求的過程帶來了顯著的提升。包括其合理的工裝順序，以客戶為核心設計改進的實施，以及實現各種形狀/尺寸產品的全面連續生產等多個因素加在一起，成為我們滿意的主要原因。”