不銹鋼激光焊接技術(shù)在油煙機(jī)行業(yè)的應(yīng)用

不銹鋼激光焊接技術(shù)在油煙機(jī)行業(yè)的發(fā)展目前，在市場上的歐式油煙機(jī)主要有兩種材料，一種是不銹鋼的，一種是鋁合金的，還有一些諸如磨砂玻璃的、噴漆的等。不銹鋼和鋁合金相比，鋁合金在日常使用中易劃傷，不耐磨，容易掉漆。不銹鋼本身含有12%以上的鉻，強(qiáng)度高、耐腐蝕，光潔度高，清潔維護(hù)方便，并且經(jīng)久耐用，在廚具行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。不銹鋼油煙機(jī)光潔明亮，各項性能較為優(yōu)秀，實用性較強(qiáng)。因此近年來不銹鋼在油煙機(jī)行業(yè)得到大量使用。在20世紀(jì)70年代以前，不銹鋼焊接采用鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊，在1964～1965年相繼發(fā)明了CO2、YAG激光器后才進(jìn)一步證實了激光加工材料的可行性，激光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域才不斷明確和具體化。20世紀(jì)80年代中期，激光焊接作為新技術(shù)在歐洲、美國、日本得到了廣泛的關(guān)注。1985年德國蒂森鋼鐵公司與德國大眾汽車公司合作，在Audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產(chǎn)廠開始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術(shù)。國內(nèi)中科院沈陽自動化研究所與日本石川島播磨重工株式會社進(jìn)行國際合作，遵循國家引進(jìn)消化后再創(chuàng)新的科技發(fā)展戰(zhàn)略，攻克激光拼焊若干個關(guān)鍵技術(shù)，于2006年9月開發(fā)出國內(nèi)第一套激光拼焊成套生產(chǎn)線，并成功開發(fā)了機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了平面和空間曲線的激光焊接。激光焊接具有許多其他熔焊工藝所無法比擬的優(yōu)越性，尤其是激光焊接能夠連接比較難焊的不銹鋼和薄板合金材料，并且構(gòu)件的變形小，接頭質(zhì)量高，重現(xiàn)性好。激光加工的另一項具有吸引力的應(yīng)用方面是利用了激光能夠?qū)崿F(xiàn)局部小范圍加熱的特性。近年來，伴隨著不銹鋼在油煙機(jī)行業(yè)得到大量使用，歐式油煙機(jī)對外觀要求越來越高，弧形焊縫長度4000mm要求實現(xiàn)無縫焊接，傳統(tǒng)使用氬弧焊或釬焊，但后續(xù)拋光量太大，釬焊耗材昂貴且不環(huán)保，外觀上無法實現(xiàn)無縫焊接且生產(chǎn)節(jié)拍不能滿足廠家要求，激光焊接變形小，速度快，無飛濺，可以滿足工藝要求。國內(nèi)的不銹鋼激光焊接技術(shù)在汽車制造行業(yè)推廣使用速度很快，但在油煙機(jī)行業(yè)尚處于萌芽狀態(tài)。目前，本公司開發(fā)不銹鋼激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)用于煙機(jī)焊接，該產(chǎn)品已經(jīng)試驗完成，順利通過產(chǎn)品應(yīng)用驗證，不久也將在煙機(jī)制造業(yè)獲得大面積使用推廣。激光焊接不銹鋼的特點(diǎn)及優(yōu)勢激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。激光焊可分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊（包括高頻脈沖連續(xù)激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分為傳熱焊和深熔焊；在激光深熔焊中又分為對接焊（釬焊）和搭接焊，前者需要填釬料，外觀美觀。傳統(tǒng)使用氬弧焊或釬焊焊接不銹鋼，歐式油煙機(jī)對外觀要求美觀無縫，氬弧焊或釬焊焊接時容易出現(xiàn)一些焊接缺陷，如咬邊、未焊透、密集氣孔和裂紋，不僅降低接頭的牢固性，而且還會成為縫隙腐蝕的腐蝕源。改善這種結(jié)果進(jìn)行清理操作時，它們還會夾帶固體顆粒。這些缺陷可通過重新焊接或修磨后重焊進(jìn)行修補(bǔ)。歐式油煙機(jī)焊接較高的工藝要求導(dǎo)致后續(xù)拋光量太大，而且釬焊耗材昂貴且不環(huán)保，只有采用激光焊接才能實現(xiàn)無縫焊接且生產(chǎn)效率高。激光焊的優(yōu)勢主要包括：激光焦點(diǎn)光斑小，功率密度高，能焊接高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的不銹鋼；激光焊是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題；激光能量和移動速度可調(diào)，可實現(xiàn)多種焊接加工；自動化程度高，可以用計算機(jī)進(jìn)行控制，焊接速度快、功效高，可方便地進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接；熱影響區(qū)和材料變形小，無需后續(xù)工序處理；激光可透過玻璃，焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件；易于導(dǎo)向、聚焦，實現(xiàn)各方向變換；激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴(yán)格的真空設(shè)備系統(tǒng)，操作方便；生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)和社會效益好。激光焊在油煙機(jī)上的應(yīng)用采用激光焊接技術(shù)對油煙機(jī)頂蓋與側(cè)圍的接合處進(jìn)行焊接。采用激光焊后，可達(dá)到兩塊板材之間的分子結(jié)合，且板材變形極小，幾乎沒有連接間隙，從而將油煙機(jī)強(qiáng)度提升30%。此外，因激光焊形成的是連續(xù)焊縫，經(jīng)過打磨器打磨后表面非常光滑、順暢，在外觀上比普通點(diǎn)焊更美觀，如圖1所示。圖1油煙機(jī)外形效果圖煙機(jī)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成工人上料，夾緊夾具，機(jī)械手開始焊接油煙機(jī)第一端焊縫，焊接完畢，變位機(jī)變位，焊接第二端完畢，變位機(jī)變位，依此焊接其他兩邊，每次焊接完畢變位機(jī)變位，焊接完畢下料。油煙機(jī)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成形式是單機(jī)器人+變位器，如圖2、圖3所示。圖2油煙機(jī)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)布局圖圖3單機(jī)器人+變位器油煙機(jī)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要設(shè)備激光焊接技術(shù)以激光作為熱源，以機(jī)器人作為運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行高效、潔凈的焊接。激光焊接設(shè)備主要由激光器（Nd+YAG固體激光器）、導(dǎo)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工件裝夾及運(yùn)動系統(tǒng)等主要部件和光學(xué)元件的冷卻系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)裝置、過程與質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng)、工件上下料裝置及安全裝置等外圍設(shè)備組成。用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。采用Nd+YAG固體激光器，配合使用光纖傳輸，經(jīng)光纖輸出聚焦后，對不銹鋼焊件進(jìn)行多面或多點(diǎn)焊接，具有光束質(zhì)量好，光斑均勻細(xì)小，安裝移動方便等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于激光器的熱透鏡效應(yīng)帶來的光束模式變化引起的聚焦光束的焦面浮動通過光纖傳輸后得到有效的抑制，使焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，焊縫質(zhì)量明顯得到提高，如圖4、圖5所示。光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)實現(xiàn)激光的傳送、方向和焦點(diǎn)控制。光學(xué)鏡片的狀態(tài)對焊接質(zhì)量有著非常重要的影響，如圖6所示。圖4CO2激光與光纖激光焊接金相組織比較圖5光纖激光焊接速度與焊接深度關(guān)系圖6光纖激光焦點(diǎn)位置對焊接深度的影響焊接機(jī)器人作為運(yùn)動及控制系統(tǒng)，可精確控制激光焊接軌跡，并攜帶自動跟蹤系統(tǒng)，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。激光焊接質(zhì)量控制在激光焊接填絲的環(huán)節(jié)，我們推薦的理論參數(shù)是焦點(diǎn)位于焊絲表面上方2mm處，使80%的光束照射在焊絲上，20%的光束照射于附近板件上，但實際的系統(tǒng)應(yīng)用過程中卻出現(xiàn)了一些問題，我們及時進(jìn)行了調(diào)整和反復(fù)試驗，最終將激光的焦點(diǎn)定于工件上方12mm處，焊絲緊貼板件送入，工件上的光斑直徑約為3mm，焊絲直徑為1.2mm。由于光斑的直徑約為3mm，因此釬料的鋪展范圍被約束在大約3mm的寬度?？紤]到實際的焊接速度和焊縫需要敷熔釬料的填充量，合適的送絲速度匹配合適的激光功率和光斑直徑是非常必要的。綜合生產(chǎn)實際情況，較大的功率可以配合較大送絲速度進(jìn)行焊接，但較大的熱輸入會導(dǎo)致板件拐點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，影響板材的表面質(zhì)量。因此在工件本身剛度較差的情況下只有通過減小熱輸入來控制工件的變形。但是，較小的熱輸入量必然要配合較低的送絲速度，造成的后果是過少的敷熔釬料和不充分的板件預(yù)熱，這樣會直接導(dǎo)致焊縫的不完整和較差的成形。這一問題經(jīng)過設(shè)備廠家和我公司技術(shù)人員多番調(diào)試，終于成功試驗出一套合理的焊接參數(shù)，在焊絲與板件接觸處釬料鋪展充分，焊縫成形均勻且美觀牢固，滿足了最終的外觀質(zhì)量要求。激光焊接的常見缺陷有氣孔、裂紋、氧化、咬邊、焊縫表面凹凸不平、焊深不足或焊縫深淺不一致等。其中，前兩種是焊縫的主要內(nèi)部缺陷，對焊縫性能影響極大，后幾種多數(shù)是與焊縫成形性有關(guān)的缺陷。為了保證每一臺油煙機(jī)的激光焊接質(zhì)量都合格，生產(chǎn)工廠必須擁有一套完善的質(zhì)量檢測控制體系。激光焊接質(zhì)量控制主要由外觀檢查、金相分析和拉力試驗三大部分組成，各部分都有相應(yīng)的檢測指標(biāo)及技術(shù)規(guī)格要求。油煙機(jī)從激光焊工位傳出后，由現(xiàn)場操作者對激光焊焊縫外觀進(jìn)行檢查，如焊接不良則進(jìn)行返修或報廢。同時，每月抽檢一臺油煙機(jī)進(jìn)行破壞試驗，并對激光焊焊縫進(jìn)行金相分析和拉力試驗。我們采用的FANUCM-10iA系列焊接機(jī)器人是標(biāo)準(zhǔn)的六軸機(jī)器人，具有六個自由度，理論上可以達(dá)到運(yùn)動范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)，配以松下的焊槍，足以滿足本系統(tǒng)的需要。另外，油煙機(jī)的焊接對機(jī)器人軌跡的重復(fù)定位精度有一定要求，一般應(yīng)小于0.2mm，而該機(jī)器人可達(dá)到0.1mm，可以滿足生產(chǎn)需要。此外，合作商對及時供貨和零庫存的要求決定了零部件廠商對生產(chǎn)效率的關(guān)注，所以對設(shè)備的自動化程度和零件生產(chǎn)節(jié)拍有近乎苛刻的要求，F(xiàn)ANUC機(jī)器人的直線速度可以大大減少機(jī)器人軌跡中空行程所浪費(fèi)的時間。激光焊常見的應(yīng)用問題⑴氣孔、漏焊、焊穿。出現(xiàn)該問題的主要影響因素有：焊接壓力（搭接焊）、保護(hù)氣、焊接軌跡、聚焦位置及送絲系統(tǒng)（對接焊）。激光釬焊工藝較復(fù)雜，對技術(shù)要求較高，其發(fā)光、送絲和通電流的時間差要達(dá)到較好的配合，才能有效保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。在頂蓋與側(cè)圍結(jié)合的始端和末端處，如果出現(xiàn)無絲、絲過多和燒穿等問題，可調(diào)節(jié)程序中光、絲和電流的時間差來解決。⑵中途停焊。目前，該問題在國內(nèi)外汽車激光焊接的應(yīng)用上普遍存在?？偟膩碚f，其影響因素主要分為軟件和硬件兩個方面。硬件方面主要包括：激光源、聚焦系統(tǒng)、光纖及機(jī)器人。軟件方面主要包括：機(jī)器人程序、PLC程序、安全PLC程序、電壓穩(wěn)定性、激光程序、聚焦系統(tǒng)程序及軌跡跟蹤引導(dǎo)程序。其中，PLC程序和電壓穩(wěn)定性對該故障影響較多，由于目前能源較緊張，且部分工廠在建廠初期未能將大功率設(shè)備與精密設(shè)備（控制系統(tǒng)）的電源線路有效分開，造成工廠內(nèi)部電壓波動較大，激光焊接設(shè)備不能正常工作，故障頻率高。在編輯PLC程序時，因考慮了過多且部分不必要的互鎖，造成外部條件出現(xiàn)極小變化，激光和機(jī)器人便停止工作。⑶激光失控。在設(shè)計激光焊接設(shè)備總線連接時，要充分考慮到安全性，如果總線出現(xiàn)故障，機(jī)器人如何實現(xiàn)對激光的控制。在PROFIBUS總線中，激光源作為機(jī)器人的子站，而機(jī)器人又作為PLC的子站。在SAFETYBUS總線中，機(jī)器人和激光源都作為安全PLC的子站。但該設(shè)計圖有一個問題，由于激光源與機(jī)器人之間無總線看門狗，一旦機(jī)器人的總線出現(xiàn)一個閃斷，機(jī)器人就會因診斷到自身總線錯誤停止運(yùn)動，但激光無法得到機(jī)器人發(fā)給的停止信號，便會出現(xiàn)機(jī)器人停、激光不停的危險狀態(tài)。為了避免此問題發(fā)生，可以通過機(jī)器人將信號傳給PLC，再由PLC傳給