Visotek 公司（密執安州普利茅斯）、弗朗霍夫美國激光技術中心（密執安州普利茅斯）和班德爾造船公司（阿拉巴馬州莫比爾港）進行了合作，在海軍研究局資助的小企業創新研究項目中共同開發氧炔激光焊技術，并首次在美國造船廠進行應用。其目標是發展并證明激光焊有能力成為一種劃算的拼裝式夾心板生產方法。 加工拼裝式夾心板時，須利用激光切割機切割螺旋榫頭增強板和面板榫槽。下一道工序把增強板和面板插裝在一起，并旋轉螺旋榫，將組件固緊。另一道工序是進行激光焊接，使面板徹底與增強板連成整體。這一概念為無夾具制造大型夾心板創造了條件,無夾具意味著驚人的成本節約。該原理還使人們能夠對增強板的厚度和位置進行設計，優化夾心板的承載能力和載荷分布。在汽車工業，與之頗為相似的是（非線性）激光拼焊板。三維拼焊板也是可能實現的，通過切割彎曲的增強板并彎曲面板而獲得增強板的形式。加工、焊縫橫截面和產品如圖1所示。 圖1：激光焊接（左上）、典型橫截面（右上）和焊接完畢的夾心板（下）激光束穿透增強板的厚度，使增強板和面板之間的界面達到完全熔化，由此產生的焊核毫無孔隙，且邊緣光滑飽滿，說明了具有高強度和高疲勞壽命。而對單路激光焊接進行的研究卻發現在界面上產生孔隙和不完全熔化的可能性高多了。為了達到充分熔化，逐條焊道必須重疊，其結果同擺焊相比，焊接時間明顯增加了。 今年春天，班德爾公司的一臺Tanaka 6kW CO2激光切割機上安裝了柔性激光掃描鏡 (FLO)，在寬20'、長160'的范圍內切割精度均達到0.001"。這次更換使班德爾公司成為美國首家成功利用船廠生產設備進行激光焊接鋼結構夾心板的造船廠，所用功率6 kW，1/8"和3/8"厚度的焊接速度分別為30 ipm和15 ipm（見圖2）。 圖2：柔性激光掃描鏡（FLO）裝在機器人的手臂上。激光焊接夾心板（右上）。 典型焊縫橫截面（右下） 通過進一步研究并利用更大的激光功率，FLO系統可以用來焊接1/2"夾心板。未來的工作包括繼續開發適合于鋁、高強度鋼和不銹鋼等材料的焊接工藝，為制造輕質艦船結構板材提供方法。還要繼續從事焊縫跟蹤和焊接監控的一體化研究，以滿足100%焊縫檢驗的需要——現在建造全新艦艇均要求對焊縫進行100%檢查。利用榫槽拼裝和激光焊接面板與增強板，該技術為經濟地生產各種各樣的形狀復雜的夾心板提供了機會。 遙控焊接 Visotek與Fraunhofer不斷進行FLO系統遙控焊接的研究，首批遙控焊接系統未采用龍門式機器人，而是利用高速掃描鏡將激光束從一個焊道迅速移動到下一個焊道，這個優點有助于在工件的不同位置焊接多條短焊縫，正如在適當的位置焊接增強板一樣。掃描鏡可以使激光束快速移動，激光束橫穿有效包線只是數十毫秒的事，而常規運動系統需要好幾秒鐘的時間進行重新定位。結果是生產能力可增加十倍，且激光器工作時間達95%。現代化系統采用光束質量高、輸出功率6kW并帶有固定掃描系統的CO2 激光器，將零件幾何要素限定在主要取決于激光器的光束質量，激光功率目前限于6 kW，使焊接速度和材料厚度受到限制。 最近推出了三維遙控焊接，其方法是把掃描鏡裝在機器人手臂上，使機器人的功能和成本效益同掃描鏡的光束高速轉向能力合二為一。機器人路徑可以按最小加速度和大回轉半徑進行規劃，而掃描鏡可以對曲折或“急轉彎”的焊道進行補償。多點焊接模式是可能的，例如每個焊點直徑約10 mm，大小類似于電阻點焊點、U形釘或直線跳焊。實際的焊縫模式完全根據零件的強度和疲勞壽命要求而定制。最大功率4 kW、光束質量良好（一般通過0.2mm光纜傳輸）的Nd:YAG或光纖激光器，同專用高能量掃描系統一道使用。現在大約有50個機器人遙控焊接系統應用在不同的汽車廠及其供應商的生產之中。 CO2激光器的成本效益大大高于Nd:YAG或光纖激光器，然而，由于CO2 激光器的輸出波長大，在運用于傳統的高速掃描鏡時無法使用絕緣的輕質激光鏡片。帶有水冷式激光鏡和專利驅動器的FLO激光器安裝在機器人的端部。6kW PRC激光器發出的光束通過一個機械臂進行傳輸。掃描鏡與機器人的運動同步，產生直徑8mm的圓形焊道。初始試焊采用的試樣為：上層板料厚1mm，下層板料厚2mm。機器人速度約6 m/min時，每分鐘可焊240點（見圖3）。 圖3：裝有FLO激光鏡的機器人遙控焊接試驗裝置。利用標準CO2 激光 器（PRC）發出的6 kW功率焊接1mm/2mm組合板，每分鐘焊 240點，焊點直徑8mm。試樣的底側，“熱斑”清晰可見，顯示出提高焊接速度的可能性。為了檢測一體化自動聚焦的功能性和響應時間，試樣排列成不同的層次（見圖3）。貼近臺階的兩個焊點在焊接質量和熔透深度上未見差異。 利用CO2激光器的成本效益和FLO的大功率處理能力可以提高焊接速度并增加母材厚度，從而增加生產能力。該系統可以根據許多工廠可見的常規激光系統和機器人隨時進行翻新改造，因此以最小的資本設備成本提供一種替代電阻點焊的可行選擇。 Stefan Heinemann是美國Fraunhofer 激光中心的執行總監。 聯系方式：sheinemann@clt.fraunhofer.com.