Visotek 公司（密執(zhí)安州普利茅斯）、弗朗霍夫美國激光技術(shù)中心（密執(zhí)安州普利茅斯）和班德爾造船公司（阿拉巴馬州莫比爾港）進(jìn)行了合作，在海軍研究局資助的小企業(yè)創(chuàng)新研究項目中共同開發(fā)氧炔激光焊技術(shù)，并首次在美國造船廠進(jìn)行應(yīng)用。其目標(biāo)是發(fā)展并證明激光焊有能力成為一種劃算的拼裝式夾心板生產(chǎn)方法。 加工拼裝式夾心板時，須利用激光切割機(jī)切割螺旋榫頭增強(qiáng)板和面板榫槽。下一道工序把增強(qiáng)板和面板插裝在一起，并旋轉(zhuǎn)螺旋榫，將組件固緊。另一道工序是進(jìn)行激光焊接，使面板徹底與增強(qiáng)板連成整體。這一概念為無夾具制造大型夾心板創(chuàng)造了條件,無夾具意味著驚人的成本節(jié)約。該原理還使人們能夠?qū)υ鰪?qiáng)板的厚度和位置進(jìn)行設(shè)計，優(yōu)化夾心板的承載能力和載荷分布。在汽車工業(yè)，與之頗為相似的是（非線性）激光拼焊板。三維拼焊板也是可能實現(xiàn)的，通過切割彎曲的增強(qiáng)板并彎曲面板而獲得增強(qiáng)板的形式。加工、焊縫橫截面和產(chǎn)品如圖1所示。 圖1：激光焊接（左上）、典型橫截面（右上）和焊接完畢的夾心板（下）激光束穿透增強(qiáng)板的厚度，使增強(qiáng)板和面板之間的界面達(dá)到完全熔化，由此產(chǎn)生的焊核毫無孔隙，且邊緣光滑飽滿，說明了具有高強(qiáng)度和高疲勞壽命。而對單路激光焊接進(jìn)行的研究卻發(fā)現(xiàn)在界面上產(chǎn)生孔隙和不完全熔化的可能性高多了。為了達(dá)到充分熔化，逐條焊道必須重疊，其結(jié)果同擺焊相比，焊接時間明顯增加了。 今年春天，班德爾公司的一臺Tanaka 6kW CO2激光切割機(jī)上安裝了柔性激光掃描鏡 (FLO)，在寬20'、長160'的范圍內(nèi)切割精度均達(dá)到0.001"。這次更換使班德爾公司成為美國首家成功利用船廠生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行激光焊接鋼結(jié)構(gòu)夾心板的造船廠，所用功率6 kW，1/8"和3/8"厚度的焊接速度分別為30 ipm和15 ipm（見圖2）。 圖2：柔性激光掃描鏡（FLO）裝在機(jī)器人的手臂上。激光焊接夾心板（右上）。 典型焊縫橫截面（右下） 通過進(jìn)一步研究并利用更大的激光功率，F(xiàn)LO系統(tǒng)可以用來焊接1/2"夾心板。未來的工作包括繼續(xù)開發(fā)適合于鋁、高強(qiáng)度鋼和不銹鋼等材料的焊接工藝，為制造輕質(zhì)艦船結(jié)構(gòu)板材提供方法。還要繼續(xù)從事焊縫跟蹤和焊接監(jiān)控的一體化研究，以滿足100%焊縫檢驗的需要——現(xiàn)在建造全新艦艇均要求對焊縫進(jìn)行100%檢查。利用榫槽拼裝和激光焊接面板與增強(qiáng)板，該技術(shù)為經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)各種各樣的形狀復(fù)雜的夾心板提供了機(jī)會。 遙控焊接 Visotek與Fraunhofer不斷進(jìn)行FLO系統(tǒng)遙控焊接的研究，首批遙控焊接系統(tǒng)未采用龍門式機(jī)器人，而是利用高速掃描鏡將激光束從一個焊道迅速移動到下一個焊道，這個優(yōu)點有助于在工件的不同位置焊接多條短焊縫，正如在適當(dāng)?shù)奈恢煤附釉鰪?qiáng)板一樣。掃描鏡可以使激光束快速移動，激光束橫穿有效包線只是數(shù)十毫秒的事，而常規(guī)運動系統(tǒng)需要好幾秒鐘的時間進(jìn)行重新定位。結(jié)果是生產(chǎn)能力可增加十倍，且激光器工作時間達(dá)95%。現(xiàn)代化系統(tǒng)采用光束質(zhì)量高、輸出功率6kW并帶有固定掃描系統(tǒng)的CO2 激光器，將零件幾何要素限定在主要取決于激光器的光束質(zhì)量，激光功率目前限于6 kW，使焊接速度和材料厚度受到限制。 最近推出了三維遙控焊接，其方法是把掃描鏡裝在機(jī)器人手臂上，使機(jī)器人的功能和成本效益同掃描鏡的光束高速轉(zhuǎn)向能力合二為一。機(jī)器人路徑可以按最小加速度和大回轉(zhuǎn)半徑進(jìn)行規(guī)劃，而掃描鏡可以對曲折或“急轉(zhuǎn)彎”的焊道進(jìn)行補(bǔ)償。多點焊接模式是可能的，例如每個焊點直徑約10 mm，大小類似于電阻點焊點、U形釘或直線跳焊。實際的焊縫模式完全根據(jù)零件的強(qiáng)度和疲勞壽命要求而定制。最大功率4 kW、光束質(zhì)量良好（一般通過0.2mm光纜傳輸）的Nd:YAG或光纖激光器，同專用高能量掃描系統(tǒng)一道使用。現(xiàn)在大約有50個機(jī)器人遙控焊接系統(tǒng)應(yīng)用在不同的汽車廠及其供應(yīng)商的生產(chǎn)之中。 CO2激光器的成本效益大大高于Nd:YAG或光纖激光器，然而，由于CO2 激光器的輸出波長大，在運用于傳統(tǒng)的高速掃描鏡時無法使用絕緣的輕質(zhì)激光鏡片。帶有水冷式激光鏡和專利驅(qū)動器的FLO激光器安裝在機(jī)器人的端部。6kW PRC激光器發(fā)出的光束通過一個機(jī)械臂進(jìn)行傳輸。掃描鏡與機(jī)器人的運動同步，產(chǎn)生直徑8mm的圓形焊道。初始試焊采用的試樣為：上層板料厚1mm，下層板料厚2mm。機(jī)器人速度約6 m/min時，每分鐘可焊240點（見圖3）。 圖3：裝有FLO激光鏡的機(jī)器人遙控焊接試驗裝置。利用標(biāo)準(zhǔn)CO2 激光 器（PRC）發(fā)出的6 kW功率焊接1mm/2mm組合板，每分鐘焊 240點，焊點直徑8mm。試樣的底側(cè)，“熱斑”清晰可見，顯示出提高焊接速度的可能性。為了檢測一體化自動聚焦的功能性和響應(yīng)時間，試樣排列成不同的層次（見圖3）。貼近臺階的兩個焊點在焊接質(zhì)量和熔透深度上未見差異。 利用CO2激光器的成本效益和FLO的大功率處理能力可以提高焊接速度并增加母材厚度，從而增加生產(chǎn)能力。該系統(tǒng)可以根據(jù)許多工廠可見的常規(guī)激光系統(tǒng)和機(jī)器人隨時進(jìn)行翻新改造，因此以最小的資本設(shè)備成本提供一種替代電阻點焊的可行選擇。 Stefan Heinemann是美國Fraunhofer 激光中心的執(zhí)行總監(jiān)。 聯(lián)系方式：sheinemann@clt.fraunhofer.com.