激光焊接具有速度快、變形小、焊縫美觀、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。其中，激光自熔焊是一種無(wú)焊絲的非接觸式焊接工藝，焊縫形式多樣，且具有極佳的焊縫一致性。在鈑金制造領(lǐng)域，具有巨大的應(yīng)用潛力。本文著重介紹鈑金設(shè)計(jì)在激光焊接具有翻邊45°斜接接口箱體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

激光焊接箱體結(jié)構(gòu)中的鈑金設(shè)計(jì)

箱體選用的材料為1.5mm厚的304不銹鋼，尺寸為200mm×200mm×115mm。箱體折彎角度從下至上依次為90°、90°、80°，箱體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。產(chǎn)品下料的激光切割設(shè)備為TRUMPF Trulaser 3040激光切割機(jī)，折彎設(shè)備為TRUMPF BendCell 5130折彎?rùn)C(jī)，激光焊接設(shè)備為TRUMPF Trulaser Robot 5020激光焊接機(jī)。表1所示為激光焊接參數(shù)。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 激光焊接參數(shù)

在傳統(tǒng)焊接不銹鋼箱體結(jié)構(gòu)工藝中，為得到較為美觀的焊接產(chǎn)品，通常需要在焊接之后進(jìn)行打磨拋光處理。后續(xù)工序繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，且在焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生焊接變形和焊穿現(xiàn)象。而激光焊接由于其焊接速度快、變形小、焊縫美觀等優(yōu)點(diǎn)在鈑金焊接領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

其中TRUMPF Trulaser Robot 5020（下文簡(jiǎn)稱TR5020）激光焊接設(shè)備在焊接箱體結(jié)構(gòu)中擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。TR5020在其焊接頭上集成了高精度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，使其可以在同一個(gè)激光焊接程序中在激光深熔焊和激光熱導(dǎo)焊焊接工藝之間隨時(shí)切換，無(wú)需改變機(jī)器人姿態(tài)。同時(shí)配合集成在焊接頭中的高倍CCD相機(jī)，可以更精準(zhǔn)的調(diào)整激光焦點(diǎn)位置，進(jìn)而使得激光焊縫具有極佳的焊縫一致性。而如何將激光焊接速度快、焊接熱影響區(qū)窄、變形小、精度高的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在箱體結(jié)構(gòu)的焊接中成為了亟待解決的問(wèn)題。

在焊接不銹鋼箱體結(jié)構(gòu)中，箱體角焊縫占據(jù)了整個(gè)焊接工藝的絕大部分。為了得到一個(gè)圓潤(rùn)的激光焊接焊縫，我們對(duì)傳統(tǒng)焊接的搭邊量進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2、圖3所示，其中，t為板厚，a為搭接量，b為激光中心在板斷面的位置，α為激光傾角。

圖2 角焊縫搭邊量改進(jìn)

圖3 激光焊接搭邊量

優(yōu)化后的搭邊量，采用激光熱導(dǎo)焊焊接工藝進(jìn)行焊接。通過(guò)TR5020自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)精確設(shè)置離焦量為10.00mm，調(diào)焦精度為0.01mm。通過(guò)高倍CCD相機(jī)精確定位b值，可以實(shí)現(xiàn)在不填加焊絲的情況下得到圓潤(rùn)的激光焊縫，如圖4b所示。該搭邊量?jī)?yōu)化方案適用于3mm及以下厚度的板材，其中a、b、α值由t值決定。

圖4 搭邊量?jī)?yōu)化示意圖及實(shí)際激光焊接效果

在焊接不銹鋼箱體結(jié)構(gòu)中，邊角釋放槽的優(yōu)化也極為重要，直接影響了箱體結(jié)構(gòu)底部的效果。在傳統(tǒng)焊接過(guò)程中，一般采用矩形或圓形邊角釋放槽。但該類型邊角釋放槽，在進(jìn)行激光焊接時(shí)極易造成焊穿或不飽滿的情況。邊角釋放槽示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 邊角釋放槽示意圖

通過(guò)調(diào)用TRUMPF激光焊接邊角釋放槽工藝塊，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在激光焊接后，可以得到非常飽滿、圓潤(rùn)的焊接效果，幾乎不需要二次處理，極大的減少了后續(xù)加工的時(shí)間，如圖6、圖7所示。

圖6 邊角釋放槽激光焊接設(shè)計(jì)示意圖

圖7 邊角釋放槽實(shí)際激光焊接效果

激光焊接箱體結(jié)構(gòu)翻邊45°斜角接口的設(shè)計(jì)

在焊接不銹鋼箱體結(jié)構(gòu)中，由于折彎變形量的存在，在翻邊45°斜角接口位置很難閉合緊密，如圖8中 A處所示，采用激光焊接極難處理。因此，該接口的設(shè)計(jì)將直接影響到箱體結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。同時(shí)在B處也會(huì)存在較大的縫隙，直接激光焊接很難處理。

圖8 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于該種情況，我們對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。在設(shè)計(jì)時(shí)將臺(tái)階面部分金屬進(jìn)行切除，再延伸出兩個(gè)小臺(tái)階面，如圖9a所示，之后在展開(kāi)時(shí)，以其端面為基準(zhǔn)，將先前切除部分補(bǔ)齊，如圖9b、圖9c所示。在圖8中B處，做兩個(gè)臺(tái)階面交錯(cuò)延伸，以增加金屬補(bǔ)償量，彌補(bǔ)在此處產(chǎn)生的縫隙，如圖9d所示。

圖9 翻邊45°斜角接口鈑金設(shè)計(jì)示意圖

圖10為實(shí)際激光焊接之后的效果。由圖10a可以看到在接口處閉合緊密，完全滿足激光焊接工藝要求。焊縫表面美觀，過(guò)渡自然，無(wú)凹陷、焊穿等現(xiàn)象。圖8中B處也得到了良好的填充。

圖10 翻邊45°斜角接口激光焊接效果

結(jié)束語(yǔ)

隨著焊接工藝的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的鈑金設(shè)計(jì)方案將逐漸捉襟見(jiàn)肘。同樣激光焊接在鈑金行業(yè)的推廣中，新的激光焊接鈑金設(shè)計(jì)方案的推出也將勢(shì)在必行。

——摘自《鈑金與制作》 2019年第6期