文/資明庚·格力電器（珠海）股份有限公司
激光焊接技術作為一種新興的金屬加工技術，能夠實現對各種金屬材料的焊接加工，在金屬加工行業具有廣泛的應用空間。激光焊接技術通過激光反應原理聚集高能量密度激光束，具有速度快、準確性高的特點，一直以來在精密金屬加工企業應用較多。我司為加快商用空調創新發展，特引進激光焊接，為商用空調鈑金件的加工制造提供新的途徑，進一步提升產品質量競爭力。
激光焊接的應用背景
目前空調行業普遍采用氣體保護焊、電弧焊、反應焊等焊接方式實現鈑金零件的密封組合，但由于以上焊接方式有能量輸出發散、彌漫等特性，普遍存在焊縫質量不佳、人員勞動強度大、作業環境差等問題，且伴有焊接飛濺，需要經過后工序的打磨平整，導致持續性焊接成本增加，不利于企業的長期發展與技術創新。CO2氣體保護焊焊接作業如圖1所示。
圖1 CO2氣體保護焊
激光焊接的試驗研究
我司激光焊接試驗研究開始于電控盒類零件，目的是通過激光焊接的應用來取代傳統的CO2氣體保護焊。電控盒零件的原材料為熱鍍鋅板，一般厚度在1.0～3.0mm之間，主要考慮到該類電控盒零件形狀較為規則，焊縫呈空間直線分布狀態，其三維視圖如圖2所示。作為焊接質量預測的關鍵性參數，焊縫深度決定了最終焊縫的質量。焊縫深度過大，可能導致零件被焊穿，增加二次補焊等額外的操作，且涉及到氣密性、水封性的零件時補焊質量要求極高；焊縫深度過小，則可能導致焊高過大，增加了后工序打磨的工作量。因此對于焊縫深度與焊接速度、激光功率的關系，在試驗研究時常采用控制變量法，在不同功率的激光焊接下，焊縫深度與焊接速度的關系如圖3所示。當然，最先開展該類電控盒零件的激光焊接試驗，還考慮到其需求批量較大，可為后期的自動化激光焊接作好充分的技術準備。
圖2 電控盒類零件三維視圖
圖3 焊縫深度與焊接速度、激光功率的關系
激光焊接的實際應用
商用接水盤類零件中的應用
接水盤零件作為商用水冷機組的關鍵零件，其焊接密封性尤為重要，該類零件主要用于水冷機組循環廢水的收集，殼體承受的水壓大，且需滿足耐腐蝕的要求，常采用不銹鋼材料作為原材料。
較傳統碳鋼材料，不銹鋼材料電阻率高、熱膨脹系數大，結合材料的焊接冶金特點，當前商用接水盤零件的制造多采用電阻點焊工藝加電弧焊的工藝模式，但存在一定的問題和不足，主要表現為：電阻點焊雖然可以有效減小接水盤零件的焊接變形，但焊點處存在明顯的壓痕，焊點數量較多，影響零件的質量一致性，增加了后期打磨工序的工作量。且電阻點焊為離散獨立的點連接形式，點焊工藝的接水盤零件結構密封性較差。手工電弧焊雖然可以實現連續密封焊接，如圖4所示，但不銹鋼電弧焊變形大，大量弧焊會造成接水盤零件的熱變形，影響整個零件最低點的位置，導致零件長時間存水，不利于水冷機組的長期穩定運行。
圖4 手工電弧焊的接水盤類零件
而采用激光焊接時對折彎銜接邊的余縫要求較高，一般1500W的激光器要求焊縫寬度在2.5mm以內，若焊縫過寬，可能出現焊穿、空焊、形變等現象，且要求整條焊縫的平行度保持基本一致，如圖5所示；否則會出現填絲不穩定，導致縫隙小的一段焊高偏大、中間段剛好滿足要求，而縫隙大的一端出現空焊，嚴重影響零件的質量，二次補焊需人工進行，反而降低了生產效率。
圖5 接水盤類零件焊前指示圖
激光焊接還有利于減少或消除后工序打磨工作量，通過合適的焊接參數設置，可以減少焊高，甚至做到0.1mm的平整度，這對于不銹鋼打磨而言簡直是福音。由于304不銹鋼材料的硬度與強度為普通鍍鋅板的5倍以上，因此打磨時消耗的磨盤及工作量也大大增加，打磨一條焊高在1.2mm，長度為100mm的不銹鋼焊縫平均需要5min，持續的打磨工作不僅增加操作人員的勞動強度，而且提高了產品的生產成本，這對企業發展來說是不容樂觀的。不銹鋼類零件焊后手工打磨如圖6所示。
圖6 不銹鋼類零件焊后手工打磨
為改變現有的工藝，通過與國內外先進激光設備廠家交流合作，制定了六軸工業機器人、自動激光焊槍與送絲控制系統、柔性化夾具工作臺集成可編程示教的激光自動焊接方案，該方案通過設計柔性化的夾具，對不同系列的零件進行快速裝夾與定位，同步實現零件的快速切換。通過手持機器人末端焊槍，對焊接路徑進行示教，因此可大大降低自動化焊接操作難度，減少專業的焊接操作人員投入。
當前采用六軸機器人激光焊接系統焊接接水盤零件，如圖7所示，其焊接功率為1500W，平均焊接速度為1.4m/min，整個裝夾定位花費5min，手動示教編程花費10min，焊接過程2min，其他調整耗時8min，單個接水盤零件初次焊接耗時25min，由于再次焊接該種零件無需示教與其他調整，因此批量生產時單個接水盤零件平均耗時為7min，且后工序無需打磨，無需專業的焊接操作人員，整個過程加工成本降低25%以上。接水盤類零件手工電弧焊與激光自動焊對比見表1。
表1 接水盤類零件手工電弧焊與激光自動焊對比
圖7 接水盤類零件激光自動焊接
商用支撐架類零件中的應用
作為商用外機結構骨架，支撐架類零件用量多，該類零件設計結構為長條狀箱體，有利于組裝與承重，由于該類零件在箱體內部主要起框架支撐作用，其不直接接觸外界環境，因此對耐腐蝕性要求不高，一般采用厚度為4.0mm的熱鍍鋅板作為原材料，鍍鋅板的鍍鋅層不但具有物理屏蔽作用，而且對鋼基體還起到了電化學保護作用，是一種性價比很高的鋼鐵材料。
然而，鍍鋅鋼板中鍍鋅層的存在，使得支撐架零件的焊接過程和焊接質量受到不利影響。原因是在鍍鋅鋼板焊接過程中，鍍層鋅和基體碳鋼物理特性的極大差異（鍍鋅層鋅的熔點是420℃，沸點是908℃，而基體鋼的熔點是1300℃，沸點是2861℃），因此鍍層鋅的氣化先于基體鋼的熔化，這一現象對鍍鋅鋼板的焊接過程和焊接質量會有很大影響。
目前，廠內對于支撐架零件的主要焊接工藝有電阻點焊、電弧焊和激光焊接三種。對電阻點焊而言，由于鍍鋅層的存在，焊接時電極易與鋅層合金化，加速了銅電極表面的氧化進程，操作人員需不斷打磨電極頭，因此降低了銅電極的使用壽命。而采用手工電弧焊時，由于鋅的低沸點，在電弧剛接觸到鍍鋅層時，鋅迅速氣化，產生的鋅蒸氣向外噴射，很容易使焊接產生熔渣粒子、氣孔、飛濺，造成焊縫面的平整度存在較大差異，增加了后工序打磨的工作量，且對于需保障氣密性與防水的零件有重大質量隱患，如圖8所示。手工電弧焊的零件焊縫存在較為明顯的鋅層揮發現象，特別是靠近中后端有較大的熔池噴射現象，導致焊瘤、氣孔等質量問題的出現。
圖8 手工電弧焊接的支撐架類零件
而通過激光焊接的應用不僅提高了焊縫的強度、剛度，還解決了傳統電阻點焊在焊接鍍鋅鋼板以及高強鋼板時，焊接變形大、焊點平整度低、易產生縫隙、母材強度下降等問題。商用支撐架類零件在采用激光焊接工藝時，因激光能夠以較大的能量密度在小的間隙下穿透焊縫，使焊縫形式為斷續焊，從力學性能測試數據上看，采用激光焊接后的焊縫強度可較電阻點焊提升30%左右，如圖9所示。
圖9 激光焊接的支撐架類零件
結束語
目前我司正逐步以試驗研究的方式開展激光焊接的革新應用，從電控盒到接水盤、支撐架等不同材料、不同類型的零件進行試驗應用，實現了零件的降本、提質目標。我司激光焊接的應用發展，離不開國內外先進激光焊接設備廠家的軟硬件技術支持，未來將繼續保持與外部優秀廠家的交流合作，實現企業發展共贏。
作者簡介
機械助理工程師，主要從事鈑金加工工藝與自動化技術的開發應用，協助開展《商用智慧加工中心》、《1500t油壓機聯機自動線》等大型鈑金加工自動化項目，發表論文4篇，累計提報推進95條改善項目，2021年獲提案先鋒榮耀稱號。
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