不锈钢激光焊接技术在油烟机行业的应用

不锈钢激光焊接技术在油烟机行业的发展目前，在市场上的欧式油烟机主要有两种材料，一种是不锈钢的，一种是铝合金的，还有一些诸如磨砂玻璃的、喷漆的等。不锈钢和铝合金相比，铝合金在日常使用中易划伤，不耐磨，容易掉漆。不锈钢本身含有12%以上的铬，强度高、耐腐蚀，光洁度高，清洁维护方便，并且经久耐用，在厨具行业应用越来越广泛。不锈钢油烟机光洁明亮，各项性能较为优秀，实用性较强。因此近年来不锈钢在油烟机行业得到大量使用。在20世纪70年代以前，不锈钢焊接采用钨极氩弧焊或熔化极氩弧焊，在1964～1965年相继发明了CO2、YAG激光器后才进一步证实了激光加工材料的可行性，激光技术的应用领域才不断明确和具体化。20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作，在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。国内中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作，遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略，攻克激光拼焊若干个关键技术，于2006年9月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线，并成功开发了机器人激光焊接系统，实现了平面和空间曲线的激光焊接。激光焊接具有许多其他熔焊工艺所无法比拟的优越性，尤其是激光焊接能够连接比较难焊的不锈钢和薄板合金材料，并且构件的变形小，接头质量高，重现性好。激光加工的另一项具有吸引力的应用方面是利用了激光能够实现局部小范围加热的特性。近年来，伴随着不锈钢在油烟机行业得到大量使用，欧式油烟机对外观要求越来越高，弧形焊缝长度4000mm要求实现无缝焊接，传统使用氩弧焊或钎焊，但后续抛光量太大，钎焊耗材昂贵且不环保，外观上无法实现无缝焊接且生产节拍不能满足厂家要求，激光焊接变形小，速度快，无飞溅，可以满足工艺要求。国内的不锈钢激光焊接技术在汽车制造行业推广使用速度很快，但在油烟机行业尚处于萌芽状态。目前，本公司开发不锈钢激光焊接机器人系统用于烟机焊接，该产品已经试验完成，顺利通过产品应用验证，不久也将在烟机制造业获得大面积使用推广。激光焊接不锈钢的特点及优势激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊可分为脉冲激光焊和连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊；在激光深熔焊中又分为对接焊（钎焊）和搭接焊，前者需要填钎料，外观美观。传统使用氩弧焊或钎焊焊接不锈钢，欧式油烟机对外观要求美观无缝，氩弧焊或钎焊焊接时容易出现一些焊接缺陷，如咬边、未焊透、密集气孔和裂纹，不仅降低接头的牢固性，而且还会成为缝隙腐蚀的腐蚀源。改善这种结果进行清理操作时，它们还会夹带固体颗粒。这些缺陷可通过重新焊接或修磨后重焊进行修补。欧式油烟机焊接较高的工艺要求导致后续抛光量太大，而且钎焊耗材昂贵且不环保，只有采用激光焊接才能实现无缝焊接且生产效率高。激光焊的优势主要包括：激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接高熔点、高强度的不锈钢；激光焊是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题；激光能量和移动速度可调，可实现多种焊接加工；自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快、功效高，可方便地进行任何复杂形状的焊接；热影响区和材料变形小，无需后续工序处理；激光可透过玻璃，焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；易于导向、聚焦，实现各方向变换；激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济和社会效益好。激光焊在油烟机上的应用采用激光焊接技术对油烟机顶盖与侧围的接合处进行焊接。采用激光焊后，可达到两块板材之间的分子结合，且板材变形极小，几乎没有连接间隙，从而将油烟机强度提升30%。此外，因激光焊形成的是连续焊缝，经过打磨器打磨后表面非常光滑、顺畅，在外观上比普通点焊更美观，如图1所示。图1油烟机外形效果图烟机激光焊接机器人系统组成工人上料，夹紧夹具，机械手开始焊接油烟机第一端焊缝，焊接完毕，变位机变位，焊接第二端完毕，变位机变位，依此焊接其他两边，每次焊接完毕变位机变位，焊接完毕下料。油烟机激光焊接机器人系统的组成形式是单机器人+变位器，如图2、图3所示。图2油烟机激光焊接机器人系统布局图图3单机器人+变位器油烟机激光焊接机器人系统主要设备激光焊接技术以激光作为热源，以机器人作为运动控制系统进行高效、洁净的焊接。激光焊接设备主要由激光器（Nd+YAG固体激光器）、导光系统、控制系统、工件装夹及运动系统等主要部件和光学元件的冷却系统、光学系统的保护装置、过程与质量的监控系统、工件上下料装置及安全装置等外围设备组成。用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。采用Nd+YAG固体激光器，配合使用光纤传输，经光纤输出聚焦后，对不锈钢焊件进行多面或多点焊接，具有光束质量好，光斑均匀细小，安装移动方便等优点。另外，由于激光器的热透镜效应带来的光束模式变化引起的聚焦光束的焦面浮动通过光纤传输后得到有效的抑制，使焊接质量的稳定性，焊缝质量明显得到提高，如图4、图5所示。光导聚焦系统实现激光的传送、方向和焦点控制。光学镜片的状态对焊接质量有着非常重要的影响，如图6所示。图4CO2激光与光纤激光焊接金相组织比较图5光纤激光焊接速度与焊接深度关系图6光纤激光焦点位置对焊接深度的影响焊接机器人作为运动及控制系统，可精确控制激光焊接轨迹，并携带自动跟踪系统，保证焊接质量稳定、可靠。激光焊接质量控制在激光焊接填丝的环节，我们推荐的理论参数是焦点位于焊丝表面上方2mm处，使80%的光束照射在焊丝上，20%的光束照射于附近板件上，但实际的系统应用过程中却出现了一些问题，我们及时进行了调整和反复试验，最终将激光的焦点定于工件上方12mm处，焊丝紧贴板件送入，工件上的光斑直径约为3mm，焊丝直径为1.2mm。由于光斑的直径约为3mm，因此钎料的铺展范围被约束在大约3mm的宽度。考虑到实际的焊接速度和焊缝需要敷熔钎料的填充量，合适的送丝速度匹配合适的激光功率和光斑直径是非常必要的。综合生产实际情况，较大的功率可以配合较大送丝速度进行焊接，但较大的热输入会导致板件拐点出现严重的变形，影响板材的表面质量。因此在工件本身刚度较差的情况下只有通过减小热输入来控制工件的变形。但是，较小的热输入量必然要配合较低的送丝速度，造成的后果是过少的敷熔钎料和不充分的板件预热，这样会直接导致焊缝的不完整和较差的成形。这一问题经过设备厂家和我公司技术人员多番调试，终于成功试验出一套合理的焊接参数，在焊丝与板件接触处钎料铺展充分，焊缝成形均匀且美观牢固，满足了最终的外观质量要求。激光焊接的常见缺陷有气孔、裂纹、氧化、咬边、焊缝表面凹凸不平、焊深不足或焊缝深浅不一致等。其中，前两种是焊缝的主要内部缺陷，对焊缝性能影响极大，后几种多数是与焊缝成形性有关的缺陷。为了保证每一台油烟机的激光焊接质量都合格，生产工厂必须拥有一套完善的质量检测控制体系。激光焊接质量控制主要由外观检查、金相分析和拉力试验三大部分组成，各部分都有相应的检测指标及技术规格要求。油烟机从激光焊工位传出后，由现场操作者对激光焊焊缝外观进行检查，如焊接不良则进行返修或报废。同时，每月抽检一台油烟机进行破坏试验，并对激光焊焊缝进行金相分析和拉力试验。我们采用的FANUCM-10iA系列焊接机器人是标准的六轴机器人，具有六个自由度，理论上可以达到运动范围内的任意一点，配以松下的焊枪，足以满足本系统的需要。另外，油烟机的焊接对机器人轨迹的重复定位精度有一定要求，一般应小于0.2mm，而该机器人可达到0.1mm，可以满足生产需要。此外，合作商对及时供货和零库存的要求决定了零部件厂商对生产效率的关注，所以对设备的自动化程度和零件生产节拍有近乎苛刻的要求，FANUC机器人的直线速度可以大大减少机器人轨迹中空行程所浪费的时间。激光焊常见的应用问题⑴气孔、漏焊、焊穿。出现该问题的主要影响因素有：焊接压力（搭接焊）、保护气、焊接轨迹、聚焦位置及送丝系统（对接焊）。激光钎焊工艺较复杂，对技术要求较高，其发光、送丝和通电流的时间差要达到较好的配合，才能有效保证焊接质量的稳定。在顶盖与侧围结合的始端和末端处，如果出现无丝、丝过多和烧穿等问题，可调节程序中光、丝和电流的时间差来解决。⑵中途停焊。目前，该问题在国内外汽车激光焊接的应用上普遍存在。总的来说，其影响因素主要分为软件和硬件两个方面。硬件方面主要包括：激光源、聚焦系统、光纤及机器人。软件方面主要包括：机器人程序、PLC程序、安全PLC程序、电压稳定性、激光程序、聚焦系统程序及轨迹跟踪引导程序。其中，PLC程序和电压稳定性对该故障影响较多，由于目前能源较紧张，且部分工厂在建厂初期未能将大功率设备与精密设备（控制系统）的电源线路有效分开，造成工厂内部电压波动较大，激光焊接设备不能正常工作，故障频率高。在编辑PLC程序时，因考虑了过多且部分不必要的互锁，造成外部条件出现极小变化，激光和机器人便停止工作。⑶激光失控。在设计激光焊接设备总线连接时，要充分考虑到安全性，如果总线出现故障，机器人如何实现对激光的控制。在PROFIBUS总线中，激光源作为机器人的子站，而机器人又作为PLC的子站。在SAFETYBUS总线中，机器人和激光源都作为安全PLC的子站。但该设计图有一个问题，由于激光源与机器人之间无总线看门狗，一旦机器人的总线出现一个闪断，机器人就会因诊断到自身总线错误停止运动，但激光无法得到机器人发给的停止信号，便会出现机器人停、激光不停的危险状态。为了避免此问题发生，可以通过机器人将信号传给PLC，再由PLC传给