激光焊接自动化，让中小批量生产游刃有余

3-Dimensional Services Group自称是原型和小批量生产方面的专家。当然，“批量”在制造业是一个相对的术语。汽车领域的小批量生产，在航空航天、机械或农业设备等领域却被视为大批量生产。“自动化是我们与众不同的关键因素。这就是为什么公司创始人兼首席执行官Douglas Peterson在30多年前创办公司后不久就开始推动自动化的原因。”运营经理Zachary Burns这样描述公司的发展历程。

除金属加工外，长期以来公司一直拥有广泛的机械加工能力，用于内部模具和夹具开发，当然还有制造产品。在现场所有技术中也包括各种焊接自动化设备、夹具开发和焊接单元设计。将项目规划和工程设计结合到这些夹具及其所服务的工艺中，你就会发现，中小批量生产也能轻松实现规模化。

消除焊接瓶颈

焊接是制约金属制造业发展的典型因素。3-Dimensional拥有50多台来自库卡、发那科和松下的焊接机器人，并在现场设有自己的切割和蚀刻实验室，用于焊接测试和工艺验证。大多数焊接机器人执行气体金属弧焊，但也有相当数量的机器人执行电阻点焊，甚至是气体钨极氩弧焊。

其中大部分是传统关节臂机器人，但公司也使用协作机器人来完成一些轻型装配工作以及某些焊接应用。当然还有激光焊接。一排8个激光焊接单元配备了库卡机器人和通快固态盘式激光器，功率从6kW到12kW不等。有些单元配有旋转工作台，因此操作员可以在外面装载工件，而机器人则在密闭的外壳内焊接工件。大多数夹具采用典型的拨动夹具，但也有一些夹具采用气动驱动，节省了操作员的时间。

焊接产量的关键当然是快速更换的能力，而这正是3-Dimensional夹具部门发挥重要作用的地方。早在订单下达前，该团队就在CAD中制作夹具，并在一个单独的房间中进行模拟。夹具部件由现成的挡块、夹具、激光切割板（板材厚度公差不会影响精度）和机加工部件组合而成。他们在焊接工作台周围工作，焊接工作台与地面上的工作台相对应，并使用激光扫描仪确保所有量块都在正确的位置上。无论产品组合变得多么多样化，他们的目标都是从夹具最佳实践的共同基础开始。

激光焊接的功能使夹具开发更进一步。例如，一些激光焊接单元配备了定制的转台和夹具，这些转台和夹具带有可调节的支架，底板上还开有窗口。这些窗口为激光束穿过焊接点留出了空间，否则激光束无法进入焊接点。一些激光焊接单元不仅有双操作转盘，还有可调节的头架和尾架。大多数激光焊接程序都具有独立的定位和焊头移动功能。定位器移动到焊接位置，然后在激光焊接编程位置时保持静止。

平息汹涌的焊接熔池

从冶金学的角度来看，激光焊接的热影响区集中且可控。激光可熔化金属并迅速脱离，使底层微观结构坚固均匀。然而，这一特性也使得该工艺对装配不良和材料瑕疵的容忍度较低。蒸汽没有时间逸出，因此会产生气孔和相关的内部焊接不一致性。此外，金属蒸汽通过湍流的焊接熔池时，会迫使小颗粒从熔池中溢出，从而产生飞溅。

过去，公司通过在焊接程序中引入波纹或摆动来解决这一问题。在对较厚的部分进行锁孔焊接时，程序员会在进行最后的全穿透焊接前集成一个初始焊道，实际上是对焊点进行“预热”。固态激光器的功率足以一次完成厚焊缝的焊接，然而，局部热量的剧烈变化并没有为高质量焊接创造良好的环境。摇摆和其他方法帮助平息了之前无法预测的动荡焊池。

为了简化和精简这些具有挑战性的设置，3-Dimensional开始采用通快的BrightLine技术。这种“二合一”光纤在主中心纤芯周围发射出带有同心环形纤芯的激光束且可调。具体来说，它可以产生针对应用进行优化的不同加工模式，功率集中在中心、环形或两者混合。“这种额外的工艺控制有效地平缓了焊池，”Bischoff说，“对我们来说，过去需要多次焊接的许多焊接方法现在只需一次即可完成。这确实节省了很多时间。”

灵活的操作不断发展

15年前，当3-Dimensional首次涉足盘式激光焊接时，最初的焊接单元相当大，可容纳各种焊接工作台和零件几何形状。随着时间的推移和工作量的增加，公司的激光焊接部门也在不断发展，其中一些单元专为特定的零件几何形状和设置而设计，如带有旋转工作台的双操作配置。这样的扩展既保持了灵活性（采用不同大小的焊接单元），又提高了每平方英尺的吞吐量，同时还保持了较高的产品组合。

如今，3-Dimensional的加工模式与大型定制加工厂的典型模式如出一辙，既有大批量订单又有长尾的小批量订单。公司使用各种自动化技术来处理所有工作。“有人说，价格、时间和质量三者缺一不可，但你只能选择其二，”Burns说，“自动化可以让我们的客户同时拥有这三者。”

来源：荣格-《国际工业激光商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。