制造焊接工藝的開發(fā)與優(yōu)化分很多階段，首先是選材與焊接接頭設(shè)計(jì)，然后是選擇焊接技術(shù)、制定焊接程序，最后是制造系統(tǒng)中的夾具優(yōu)化、材料處理及焊接機(jī)控制等。 許多系統(tǒng)要求可能會(huì)發(fā)生相互沖突。舉例來說，要求焊接接頭緊密固定的同時(shí)，又要求高速、低成本手動(dòng)加工，又比如既要求快速焊接，同時(shí)又要求低成本、低功耗激光焊接。我們要在整個(gè)項(xiàng)目過程中考慮到上述問題及其它種種因素。當(dāng)今的新產(chǎn)品層出不窮，工程設(shè)計(jì)技術(shù)飛速發(fā)展，要想在業(yè)界處于不敗之地，最好的辦法就是以盡可能低的成本實(shí)現(xiàn)高度的靈活性及卓越的性能。 在下面介紹的焊接系統(tǒng)開發(fā)過程中，Oberg Industries公司充分發(fā)揮其多年來在工藝與機(jī)器領(lǐng)域積累的專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，并采用具有超級(jí)調(diào)制（Super Modulation）功能的激光系統(tǒng)，從而開發(fā)出了一款經(jīng)濟(jì)型焊接系統(tǒng)。 Oberg Industries是一家精密沖壓件制造商，主要服務(wù)于汽車、醫(yī)療及航天航空等諸多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以高精度成品部件而聞名。一家汽車領(lǐng)域的客戶曾告知該公司，另一家制造商提供的某種氣囊組件的焊接有質(zhì)量問題。這家供應(yīng)商采用傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊（TIG）焊接工藝，很難確保提供必要的可靠性。Oberg采用自己獨(dú)特的專業(yè)沖壓技術(shù)提高了組件的精確度與質(zhì)量，但客戶還希望提供配套的完整而可靠的焊接管。于是，Oberg開始考慮采用激光技術(shù)來實(shí)現(xiàn)上述目的。在其位于賓夕法尼亞州匹茲堡附近的Sarver廠房中，Oberg采用低功耗脈沖YAG激光器進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。Oberg的客戶對試驗(yàn)結(jié)果在視覺外觀和強(qiáng)度方面的表現(xiàn)感到非常滿意，但認(rèn)為整個(gè)工藝過程還是太慢。 因此，Oberg請GSI集團(tuán)激光事業(yè)部幫忙，看看他們能否通過其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室分析提高速度的方法。GSI集團(tuán)應(yīng)用工程設(shè)計(jì)中心憑借其數(shù)十年的激光加工經(jīng)驗(yàn)，能為潛在的客戶提供高質(zhì)量、低成本的方案，以便他們?nèi)纳碇铝τ谠O(shè)備制造工作。就自身的要求而言O(shè)berg需要一種不僅能支持 50毫米／秒的焊接速度，而且還能滿足最終客戶強(qiáng)度要求的激光源。 焊接管是一根厚度約為1.2毫米的1008帶孔碳鋼碎片過濾管。焊接前，先在平板上打孔，然后再讓平板形成間隙約1.5毫米的管，這樣便于進(jìn)行接縫對齊與定位。這一工藝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是確保表面和底部外形良好，而且即使有超大球狀物強(qiáng)行通過過濾管，也不會(huì)影響焊接。制造過程中階段性進(jìn)行檢測。 位于密歇根州Novi市的GSI集團(tuán)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的最初任務(wù)是測定原型部件的精確的激光源以及合適的焊接技術(shù)。與Oberg進(jìn)行探討后發(fā)現(xiàn)，盡管1kW連續(xù)Nd:YAG激光器能輕松實(shí)現(xiàn)每秒50毫米的焊接速率，但是這樣該項(xiàng)目就毫無經(jīng)濟(jì)性可言。從預(yù)算的角度來說，500W激光器更適用。原型部件于2006年7月焊接成功，其采用的是支持連續(xù)波（CW）與Super ModulatedTM兩種輸出的JK501SM Nd:YAG激光器。原型部件焊接試驗(yàn)時(shí)，以不帶孔的實(shí)管部件為對象。為達(dá)到不同的熔透以及檢測其強(qiáng)度，分別采用了不同的焊接速度和參數(shù)。 Super ModulatedTM 輸出以正弦波和方波波形可提供更高的激光峰值功率，最大可達(dá)額定激光功率的兩倍，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)激光全額定平均功率。這樣，焊接速度就提高了40%，而消耗的熱量則比僅采用CW輸出降低了很多。 此外，Super ModulationTM 還能大幅減少焊接過程中焊接熔池上方煙塵所散射的激光能。CW輸出在焊接開始幾毫秒后會(huì)在焊接處一直產(chǎn)生大量的煙塵，煙塵為顆粒狀，會(huì)發(fā)生散射，從而導(dǎo)致光束偏離焦點(diǎn)，產(chǎn)生較大焊縫熔寬并降低熔透。 當(dāng)采用周期性峰值正弦波或方波波形時(shí)，超級(jí)調(diào)制激光器的激光能可在煙塵量達(dá)到一定散射影響之前幾毫秒內(nèi)發(fā)出。在調(diào)制低能量循環(huán)階段，煙塵量會(huì)快速降到接近零，而后激光源再通過Super ModulatedTM 輸出開始下一工作循環(huán)。不管激光功率大小或光束質(zhì)量如何，都會(huì)產(chǎn)生該效果。CW、正弦波及方形波調(diào)制的截面圖清晰顯示了熔透的改善情況。 為此，Oberg選擇了最平穩(wěn)的500W CW焊接法，焊接速度為每秒50毫米，熔透達(dá)100%，采用100毫米的調(diào)焦鏡頭，焦點(diǎn)直徑為300m。將這些初始部件放入簡單的虎鉗中，夾到縫隙密閉，保護(hù)性氬氣體通過側(cè)噴嘴排出。 2006年間，隨著部件設(shè)計(jì)的進(jìn)展與制造工具的推出，又進(jìn)行了更多焊接測試。在所有情況下，部件都手動(dòng)放入固定裝置中，再用虎鉗將其夾到縫隙密閉，激光工藝過程非常一致。 激光系統(tǒng)抵達(dá)Oberg而系統(tǒng)開始進(jìn)行激光焊接后，在原型焊接轉(zhuǎn)型為自動(dòng)化制造焊接過程中出現(xiàn)了一些問題。對接焊縫的縫隙由于部件位置與彈力問題出現(xiàn)了某些不一致性。制造固定情況下的保護(hù)氣體排放設(shè)計(jì)未經(jīng)過檢測，此外焊接部件也沒有通過客戶的機(jī)械測試。為了實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)暮附訌?qiáng)度，焊接速度降至每秒23毫米。 GSI集團(tuán)應(yīng)用工程設(shè)計(jì)中心對焊接結(jié)果進(jìn)行了檢查，并派工程師與Oberg公司相關(guān)人員一道解決了工藝問題。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，某些固定部件中存在縫隙，而且焊接位置的差異導(dǎo)致焊縫與中央定位不佳的激光焊接中能量損耗。提高調(diào)焦鏡頭的焦距可擴(kuò)大焦點(diǎn)尺寸，從而可避免相關(guān)縫隙問題。 為將焊接速度提升至每秒50毫米并確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，激光參數(shù)改為方波Super ModulationTM。這就加快了焊接速度，而且能滿足焦點(diǎn)尺寸擴(kuò)大20%的要求。 為了實(shí)現(xiàn)足夠的焊接強(qiáng)度與韌度，必須優(yōu)化焊接固定設(shè)備給的保護(hù)性氬氣體排放，確保工藝過程中與冷卻過程中焊料中的含氧量極低。 最后為實(shí)現(xiàn)每秒50毫米的焊接速度，可采用方波超級(jí)調(diào)制技術(shù)，頻率為300Hz，峰值功率900W，焦點(diǎn)尺寸為360um，并排出保護(hù)性氬氣。使用平均功率為500W的Super ModulationTM技術(shù)使系統(tǒng)可彌補(bǔ)項(xiàng)目原型開發(fā)階段難以預(yù)計(jì)的縫隙差異問題，同時(shí)還能通過低成本、功耗適中的YAG激光技術(shù)同步設(shè)計(jì)部件與工藝。 成功實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)后，Oberg的焊接部件達(dá)到了所需強(qiáng)度，而功耗則比預(yù)估的還低。通過使用具有超級(jí)調(diào)制功能的500W持續(xù)波形激光器，Oberg不僅以低成本實(shí)現(xiàn)了必需的速度要求，而且還能確保制造工藝中的焊接速度與質(zhì)量，解決所有工藝容限問題。通過采用該系統(tǒng)，估計(jì) Oberg可節(jié)約約10萬美元的機(jī)械成本。 Oberg對上述結(jié)果非常滿意，這不僅有助于贏得新的商機(jī)，而且還能使它為新老客戶推出全新的制造工藝。