浅议数控技术在激光焊接中应用

　　当前我国已经成为名副其实的工业大国，钣金行业的发展势头很迅猛，在市场中占有的地位和分量也越来越重要，不仅给我们的企业带来了庞大的经济利益，也给我们居民的生产和生活带来了便利。这个跟我们生活密切相关的相对金属机加工比重仅占20%-30%的行业，将会随着工业的发展扮演着重要的角色。提到钣金大家都会想到板材的折弯、冲压和激光切割，因为他们是钣金车间必备的三大设备。然而仅这些设备已经不能满足高端产品的生产能力了，当生产能力需求提高，精度要求提高，加工难度增加及特殊产品性能的需求，更重要的是可观的利润，那么便产生了数控激光焊接。

　　数控技术在激光焊接中应用比较广泛，现代激光焊接主要用于飞机汽车钣金行业，一些特殊行业及加工要求高的地方。数控激光焊的产生源于飞机制造，比起传统的焊接技术，激光焊接拥有精度高，无需焊材等显著优势，通过激光焊接技术中国的空客A380节省了铆钉重20吨之多，这20吨载重全部换成了座位数，使得能耗大幅降低。轿车的车身框架通过激光焊接出完美的外观，压力容器的薄板焊接从而达到意想不到的效果等等，数控激光焊接在钣金行业中将扮演着重要的角色。既然有着重要的角色，那么利润也是可观的，在钣金加工中，当前市场上冲压加工可以达到30%左右，激光切割大约50%，然而物以稀为贵激光焊接利润在100-150%以上，随着市场的进步，我相信激光焊接在钣金加工中的市场份额将会越来越大。

　　数控激光焊接机的组成，首先从机械机构上来看，它有着和常规数控机床一样的CNC电器控制系统，机械床身结构，液压气压传动及毛坯定位装置等。然而不同的就是他的刀具系统了，传统的数控机床用的不同规格的刀具，而数控焊接机床的刀具仅为大功率激光发射器，它是激光焊接设备关键部分，区别与其他机床的核心部分。CNC 电器控制部分，通过电路与可编程控制器PLC 来完成，所有的用于生产的简单的数据调节可以通过开关的形式安装于操作面板，以便于操作师傅，方便的调节相关参数来实现一些加工功能，比如对不同厚度板材的加工及不同产品阵列孔距的参数调节等。

　　机械床身结构部分，根据不同的需求来制造不同的规格形式的床身。汽车飞机行业的焊接，我们可以设计成三维形式，多方向联动的一个床身机构，实现三维曲线的焊接，在一些平面型的板材焊接加工，我们可以做成两个方向联动床身结构，当然这些在造价上有很大的差距。与常规数控机床相比，在工作台上有些区别，数控激光焊，要在工作台上做一个程序路线的模板，防止板材焊接到了工作台上。

　　液压气动部分，是现代机床普遍采用的一种传动形式，这样使得机床在传动和夹紧上更平稳，更强固。激光焊重要的一个特性是待焊接的两块板子的合拢性，在焊接的时候，由于没有焊料，是通过两块板材瞬间溶解再凝固的原理来实现焊接的，于是在板材的夹紧和自动化传递上，更体现出它的重要性来。激光焊接的主要介质是激光，也就是我们普通数控机床的刀具，普通的数控机床刀具的种类繁多，工艺易于实现，而激光焊接机床介质单一，但是为了适应不同的工艺，我们要在理论数据的基础上，实践中总结一些达到工艺要求的技术参数。激光焊接关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd:YAG 激光器。

　　Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG 代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG 激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3-4千瓦的Nd:YAG 激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6μm 的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。

　　激光焊接机的工作原理是应用激光器产生的波长为1064nm 的脉冲激光经过扩束、反射、聚焦后辐射加工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过数字化精确控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，从而实现对被加工件的激光焊接，完成传统工艺无法实现的精密焊接。

　　激光焊接的工艺参数包括功率密度，激光脉冲波形，激光脉动宽度，激光的焦距调节。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

　　激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

　　脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

　　凸透镜焦距调节对焊接质量的影响很大，因为激光焦点处功率过高，容易蒸发成孔，就会形成切割效应了，离开激光焦点的平面上，功率密度分布相对均匀。焦距调节有两种情况，正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。在实践中得知，激光加热50~200us 材料开始熔化，形成液相金属并出现瞬间汽化，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

　　数控技术在激光焊接中应用，在温度的影响下，凸透镜会受到热胀冷缩的影响，于是在常规情况下焊接的效果会有很大的变化，当焊接一段时间后，凸透镜热涨之后他的焦距会变为负焦距，热量损失，熔池变化，影响焊接效果，甚至高温下击穿进而导致板材报废。于是我们在凸透镜的冷却上寻求办法，可以通过水冷系统，使其处于常温状态下，在车间内安装制冷系统，使其温度平衡。数控激光焊接，热影响区域小，变形率很低，焊接深度达，牢固，充分融合，可焊接硬质材料，准确率高；在惰性气体保护下不会出现氧化，使得焊缝质量更好；可以实现自动收弧的功能，无气孔沙眼，广泛运用于碳钢，合金钢，不锈钢不同钢材之间的焊接。

　　在焊接的焊透性反馈功能上和激光功率反馈自调性上能有新的突破，将会给激光焊接工业的发展带来更精湛的发展。