采用激光焊接制造大尺寸零件

2013-06-12 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

激光焊接已在大批量生產(chǎn)和制造中小尺寸構(gòu)件的汽車制造業(yè)和其他工業(yè)部門得到了卓有成效的應(yīng)用。由于質(zhì)量要求愈來愈高以及材料價格的不斷上漲(特別是高級合金鋼材料),現(xiàn)在對于以生產(chǎn)件數(shù)少、規(guī)格尺寸大的構(gòu)件和通用組件,采用激光焊接是有利的。而由于在激光光源和激光系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域里的飛速發(fā)展,不斷地出現(xiàn)了高效率的設(shè)備和新的焊接應(yīng)用。人們在技術(shù)上有能力,對于板材厚度約高達(dá)20 mm的大多數(shù)適宜于焊接的任務(wù),可以轉(zhuǎn)向應(yīng)用激光焊接。激光的優(yōu)點主要是可以達(dá)到每分鐘好多米的焊接速度,由于熱傳遞距離短、熱影響區(qū)窄,焊接變形就很小,可單層焊接I形焊縫準(zhǔn)備的厚度約達(dá)10 mm的鋼板以及有著焊接新的結(jié)構(gòu)前景,例如焊接遮蓋的T形接口。此外,在板料加工中已用激光切割好的板材正好可用于隨后的加工,由于這種板材有著較高的棱邊質(zhì)量,這為隨后的激光焊接創(chuàng)造了較好的條件。去年高合金鋼的價格上漲趨勢也提供了另一個支持應(yīng)用激光技術(shù)的理由。這意味著:構(gòu)件板材厚度可能的減小,可直接降低產(chǎn)品的價格。只要能成功,就不會由于附加的補充加工而失去這種板材厚度的減小。

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采用焊縫跟蹤技術(shù):激光焊接長的角焊縫

改變構(gòu)件結(jié)構(gòu)便于激光焊接

一個來自設(shè)備制造業(yè)的最充滿活力的企業(yè)利用這種激光焊接工藝,打算高效和低成本地生產(chǎn)它的產(chǎn)品。在這個工廠里,迄今采用的不銹鋼材料(1.4301)厚度為3 mm和8 mm,用來制造食品工業(yè)部門的設(shè)備。采用這樣的材料厚度并不是出于構(gòu)件必要的穩(wěn)定性,而其實是要通過迄今采用的鎢極氬弧焊(WIG)工藝的焊接技術(shù),力求盡可能地來避免以后的補充加工(校直)。為獲得結(jié)構(gòu)和工藝上的支持以及解決設(shè)備設(shè)計問題,Imawis公司已著手開展焊接測試和進(jìn)行零批量生產(chǎn)。

目前,設(shè)計人員的任務(wù)是把工藝改變?yōu)榧す夂附庸に?堅持進(jìn)行試驗,并以減少板厚和顯著降低生產(chǎn)費用為目標(biāo),以較小的生產(chǎn)批量和以約1000 mm x 1000 mm x 5000 mm的尺寸生產(chǎn)大型零件。專家們一開始就探究以前整個構(gòu)件的結(jié)構(gòu)類型,以便得到對激光焊接技術(shù)來說是最佳的構(gòu)件結(jié)構(gòu)。所以對于構(gòu)件結(jié)構(gòu),考慮到插接式結(jié)構(gòu)是可用來簡化和精確預(yù)裝配通用組件的一種結(jié)構(gòu)方式。但是,只有當(dāng)接口部位必須不是填隙焊接時才能有這種結(jié)構(gòu)。

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另外一個認(rèn)識是,恰恰對于較大尺寸的零件和較少生產(chǎn)件數(shù)的情況,一個良好的焊接結(jié)構(gòu)的重要特點在于具有簡單的焊縫。所以,連續(xù)的直線焊縫應(yīng)該最好是一種具有不同方向的較短的焊縫?？赡艹霈F(xiàn)的公差,可以通過選擇合適的接口形狀來進(jìn)行補償,例如一種焊接搭接接口。在構(gòu)件上焊縫位置應(yīng)選擇激光加工頭能很好到達(dá)的部位。這意味著應(yīng)放棄在90度的內(nèi)角處進(jìn)行焊接。如果在焊接過程中,確保連接板件在焊區(qū)相互重疊在一起,才可以推薦采用搭接連接。同樣,較小的連接橫截面較早是適合于有著較小力傳遞的焊接連接。在現(xiàn)在的情況下,為了改善力的傳遞,把焊縫設(shè)計成正弦曲線形(采用ILV-掃描系統(tǒng)設(shè)計焊縫形狀)。如果所采用的激光功率選擇得足夠大,以致使焊縫完全穿過兩個連接的板件,可以排除焊接處根部下面的氣體,從而可以避免在搭接連接處的根部里產(chǎn)生氣孔。恰恰在厚鋼板范圍內(nèi),可供使用的激光功率是可用格言“多多益善”來表達(dá)。為了有盡可能大的連接橫截面,以顯著地提高力的傳遞,采用角焊縫和I形焊縫是合適的。如果純粹是關(guān)系到一個結(jié)構(gòu)的密封性和通過工具僅從一個側(cè)面給焊縫加負(fù)荷,那么可以采用角焊縫,對接焊縫或焊接深度較淺的卷邊焊縫。為了確保工藝參數(shù)的可靠性,對此,進(jìn)行了焊接試驗,并確定了工藝參數(shù)的極限。采用這些工藝參數(shù),在小批量生產(chǎn)的通用組件上可以高效地激光焊接各種不同的焊縫,焊接時必須要堅持標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。對于我們設(shè)備制造廠的情況是,每年必須約生產(chǎn)35種不同結(jié)構(gòu)通用部件的700件板材通用組件。在這些通用組件內(nèi)可以有多種不同的構(gòu)件寬度。同構(gòu)件寬度變化不同,設(shè)計結(jié)構(gòu)的變化是較大的挑戰(zhàn),開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)涉及到統(tǒng)一確定焊縫類型的技術(shù)規(guī)格,板材厚度配對和有關(guān)焊接參數(shù)。

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現(xiàn)在已經(jīng)較干凈:在焊縫清理之前的已激光焊接好的板材通用組件

夾緊固定的竅門

柔性彎板機(jī)和翻板機(jī)可以同最新一代的激光切割設(shè)備連接起來。在成形和下料時,目前可以達(dá)到的公差是很小的,以致為焊縫作準(zhǔn)備時,在預(yù)裝配的范圍內(nèi)可達(dá)到的間隙為0.2 mm。而對于有多種不同結(jié)構(gòu)的板材通用組件和較少重復(fù)率的生產(chǎn)情況,費用投入較高的夾具在某種情況下促使生產(chǎn)成本走高,以致使激光技術(shù)設(shè)備的采用成為問題。在焊接時構(gòu)件要進(jìn)行的定位,一種選擇是可以借助于鎢極氬弧焊(WIG)工藝來預(yù)先粘結(jié)(這里是點焊—譯注)板材。對此,切割下來的鋼板和同樣已折彎的單個鋼板在手動工作位置進(jìn)行定位、夾持和由手動進(jìn)行粘結(jié)。在進(jìn)行的操作中,重要的是相互保持恒定的粘結(jié)距離和可以重復(fù)的粘結(jié)點大小。粘結(jié)點的大小可以通過裝有可調(diào)整過程時間的WIG裝置來十分靈敏地進(jìn)行控制。人們普遍認(rèn)為:粘結(jié)點愈小,那么對于焊接就愈好。當(dāng)然,在激光焊接中所出現(xiàn)的焊縫位置的變化必須通過焊縫跟蹤系統(tǒng)來識別,和通過控制系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)整。使用這種系統(tǒng)(例如采用激光三角測量法)的基礎(chǔ)是已在上面提及過,即連接的標(biāo)準(zhǔn)化。由于完滿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改變,在這里所介紹的設(shè)備制造廠家在不銹鋼方面的材料節(jié)約(由于材料厚度變薄)可以達(dá)到15 %至20 %。(end)

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