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激光焊接取代钨极氩弧焊
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焊接设备/切割机展厅
交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ...
在捷克共和国,皮尔森和布杰约维采镇以生产啤酒而闻名于世。但小镇也因生产重型机械和汽车而享誉全球。汽车制造商斯柯达、丰田-标致雪铁龙合资工厂、现代汽车和塔塔汽车工厂都坐落在这个国家,起亚和大众汽车工厂就在邻近斯洛伐尼亚的地方。工具车间和汽车分包商几乎分布于每个城镇和村落。随着经济危机的完结,很多企业又重新将视线投入到这一领域,并看好的它们的发展前景,现在开始再次投资。通常,这里经济形势稳定,并要大大好于仍处于困境中的一些欧盟南部国家。

2008年以来,激光加工车间和系统集成商Matex PM将其业务专注于汽车和重型机械领域,提供激光表面硬化处理、焊接和添加材料制造服务。该公司目前在两个下属公司使用三大自动激光系统,并在自有研发中心进行质保和内部流程开发。

来自布拉格的机械制造商和ATTL s.r.o.一起,为钢管和各种型材提供大型生产线。某些型材是机械形成,但大多数是直缝焊接而成。通常这些生产线有一套成型辊组成,可以将钢质盘管制成所需的型材。然后,有一套焊接系统准确地将形状校正和焊接,有时还进行预热或煅烧。最后,根据所需的长度进行自动切割,并运输至储存处。生产出来的钢管和各种型材主要用于汽车、建筑或机械行业。

通常, 由感应线圈或钨极隋性气体(TIG)来进行焊接。Attl和Matex PM联合研发了一套新方案——激光焊接,这种加工工艺具有很多技术和成本优势,但是也存在一些挑战。下面我们来讨论一下。

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焊接速度

通常这类生产线最重要的参数是生产速度,而生产速度是受焊接工艺和最后切割情况的限制。来看一下最常见的焊接光束配置:对头链接1毫米厚的材料。运用激光焊接,很容易达到10 m/min的焊接速度,这比常规TIG焊接要快很多,却要比感应焊接慢。但是,在甚至更厚的材料上激光焊接也可以达到这一速度,这主要取决于激光功率和投资预算。目前,在一个已经安装好的生产线上,激光焊接速度已经超过20 m/min。

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热输入/能耗

常规焊接和激光焊接最大的不同在于,激光焊接的整体热输入要低。造成这一结果的原因是激光光束制造出狭窄的焊接接缝并将能量从光束上快速传至材料。我们估算了在厚度为1mm的高强度钢上进行焊接的能量输出,使用激光焊接的话,约为15 J/cm,使用常规焊接则至少60 J/cm, 而使用熔化极气体保护焊接为85 J/cm。

这一估算结果对于计算运算结果极为重要,并对焊缝的机械性能产生重要影响,这通常在激光焊接时会产生更好的效果,但是快速冷却材料或焊接的速度如果过高,也会导致意想不到的问题。

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焊缝性能

在基本材料上,任何技术产生的焊缝都有三个基本区域——熔区、热影响区和过渡区。激光焊接由于其快速冷却率,产生的焊缝更窄,这是一个优点, 因为这造成基本材料的变形更少,热降解更低。但是,在焊接高碳钢时,快速冷却也会成为一个问题,尤其是预计到随后的循环负荷。在这种情况下,热影响区将变得过硬,易龟裂。通过选择合适的激光光源、确定焦点尺寸以及其它焊接参数等细致的技术开发能够解决这一问题。某些情况下, 甚至需要预热或焊后加热。因此,相较于其它技术,激光焊接能够更好地焊接“棘手”钢材。

将用于轻便型汽车构造的高强度钢都是使用激光焊接,从而保持其强度和可塑性,这与常规焊接截然不同,常规焊接会破坏这些钢材的独特微观结构, 并且将钢材的机械性能降至和普通低碳钢水平。

焊缝质量

另外一个问题是焊缝质量及其在长期生产过程中的稳定性。通常,激光焊缝的质量更好,表面变形更少,氧化率更低等。在根侧的焊接飞溅是有限的, 其下方甚至不需要使用保护气体。焊接固定质量也是选择激光焊接最为重要的一个理由。

但是,正确地设定激光加工工艺则要复杂得多,因为这一工艺是一个小光点快速移动,因而无法手动对工艺波动或瑕疵做出反应。设备供应商必须将焊接系统制造得尽可能坚固耐用,从而能够长期保持稳定和正确的设置,即使是在恶劣的工业环境中。

安装一套焊缝质量检查系统大有裨益,因为它能够检查焊缝的几何结构以及/或者焊接工艺的稳定性。通常此类系统必须学会识别运作正常情况下的焊缝结构,这需要花费一些时间。但是随后,操作员可以进行100%的即时质量检查,这是一项很大的优势,在某些时候甚至是“必须”。

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保护气体

激光焊接系统据称只要从上方使用普通氙气。氦或者混合气体具有某些优势,但是成本更高。这可能看起来是一个小问题,但是气体价格对于不同技术甚至不同的激光系统的整体运行成本来说极为重要。

对于普通低碳钢或不锈钢来说就不需要背面保护气体。

运行成本

在比较焊接1.5毫米厚度的低碳钢圆管时,合计了能耗和保护其他的成本, 折旧、人员和服务成本未计入在内,结果如下:

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