IPG 1.5 kW风冷型

手持激光焊接和清洗系统

在典型金属制造中的应用

作者：Valentin Gapontsev博士、Felix Stukalin、Adam Pinard、Oleg Shkurikhin、Yuri Grapov、Iurii Markushov

前言

传统MIG焊和TIG焊的缺点包括：通常需要一定的焊前准备和设置；在焊接时产生极高的热量，导致热影响区较大、材料扭曲变形，焊接质量结果不理想；在焊前和焊后需要进行处理，从而增加总成本、降低生产率。此外，需要雇用有经验的焊工，尤其是焊接复杂接头，这导致成本进一步增加。自动化激光焊接技术可以解决上述问题，但是到目前为止，由于成本高、占地面积大和复杂程度高，对于金属制造商来说，这并不是理想的解决方案。

IPG 通过推出革命性的新产品解决了这些挑战，LightWELD系列产品可以为各种规模的制造商提供手持式激光焊接和清洗功能，适合新手和专业焊工使用。新产品配备1.5 kW可调光纤激光光源，可提供2.5 kW峰值功率，通过符合人体工学的手持式焊枪提供焊接所需的加工功率。焊机中存储了工艺参数库，针对常见的材料和厚度组合进行优化，并且能够焊接异种材料和不同电导率的材料。通过结合光束振荡（摆动）特征，摆动宽度高达5 mm，对工件装配间隙容忍度高，同时形成美观焊缝。体积仅为0.1 m3，重量仅有53 kg，尺寸轻巧，便于携带。这些特征使得这个解决方案成为革命性的激光创新，以及高生产率的工业工具。

焊接应用

在金属制造行业，主要挑战是熟练技术工的短缺，特别是对于要求较高的TIG焊，往往需要高技能操作员。LightWELD克服了这个问题，几乎任何人都可以很快上手进行激光焊接，并焊接出良好的结果；关键在于，首先需要开发和优化工艺，然后将其整合到系统中。例如，经过安全培训后，即使是没有焊接经验的装配工也可以重复焊接出稳定、一致的搭接接头，因为系统会根据选定的材料和厚度自动调控激光工艺，进行定位点焊。

激光焊机不仅可以焊接常规接头，还可以焊接几何形状等更为复杂的接头，这也有助于改进产品设计。下图（图1）所示案例：使用IPG手持激光焊机焊接1.5 mm+1.5 mm不锈钢外壳。该设计利用了激光焊接能力，使操作员能够穿透具有低轮廓焊缝的顶部材料，从而大幅减少预处理和后处理工作，显著降低总成本。

图1.不锈钢激光焊接：a）具有高质量的外角焊缝和点焊铰链；b）使用预设点焊参数将多孔板点焊到外壳上，实现100%的一致性。

传统的弧焊工艺使用氩气作为不锈钢和铝的保护气体，以防止焊接熔池氧化。激光焊接使用氮气提供更好的焊接结果。使用氮气和氩气作为保护气体的焊接结果如下所示（图2）。

图2.使用不同保护气体焊接2.0mm不锈钢：a）使用氩气的焊缝X射线结果显示，热影响区附近产生多个气孔；b）使用氮气的焊缝X射线结果显示，焊缝无气孔。

焊缝评估结果如下所示（图3），包括根据AWS D17.1:2017（A类）- 航空航天级的熔焊规范进行目视和金相检查、拉伸试验和弯曲试验。

图3. 2.0 mm不锈钢航空级质量焊缝结果：a）手持式激光填丝焊样品；b）弯曲试验结果：在180°弯曲角度下无开裂；c）焊缝的X射线结果显示：焊缝无气孔；d）焊缝金相结果显示：完全熔透，无缺陷和夹杂物。

清洗应用

LightWELD XC手持激光焊接清洗一体机具有激光光斑尺寸小和高频脉冲控制特征，可以针对焊接前后发生变色和污染的表面提供清洗功能。由于氧化层和污染物会对气孔率和焊缝质量产生显著影响，该功能对于铝等材料的焊接至关重要。在传统工艺中，操作员在焊接前使用丙酮或其他化学物质清洗接头。激光可以烧蚀所有污染物并去除氧化层，例如，图4显示了激光清洗如何提高铝5052和镀锌板的焊缝质量。

图4.激光清洗后焊缝质量提高：a）铝5052：X射线结果显示，在焊接前应用激光清洗后，气孔减少；b）镀锌板：X射线结果显示，在焊接前应用激光清洗后，缺陷显著减少。

通常，焊工需要在焊后进行处理，这可能是非常耗时的清洗过程。LightWELD XC手持激光焊接清洗一体机的优势：约20mm/s的清洗速度，无需打磨耗材或化学品，以防止表面受损。图5a显示了焊接工艺前低碳钢除锈的激光清洗结果。

图5.激光清洗：a）焊接过程中的重锈去除；b）激光清洗的酸洗和钝化效果，通过完全焊接和部分清洗不锈钢304L的盐雾试验进行验证，暴露2小时后，左侧（激光清洗）未发现生锈迹象。

激光清洗最重要的优势之一是焊接后不锈钢酸洗和钝化。图5b显示了浸入35℃盐雾溶液（Morton Culinox 999/DI Type IV）中2小时后的样品。焊后对样品左侧进行激光清洗，右侧保持焊接状态。焊接样品右侧发现明显的生锈迹象，但是在激光清洗后，左侧未发现生锈。该示例证明了激光清洗可以取代不锈钢应用的传统酸洗和钝化过程。

总结

通过从传统的焊接和清洗方法，转换到这种手持式激光系统，为用户节省了大量成本。手持式的LightWELD系统适用于典型钣金行业中工厂和车间应用，适合经验丰富的操作员使用，也适合新手使用。这种柔性的操作光纤能够在直径约与一根头发相当的小点上传输加工所需的红外光能量，比传统焊接方法产生的热量更少。LightWELD激光焊接和清洗一体机的其他优势包括：

• 焊接速度至少比TIG焊或MIG焊快数倍；

• 与传统工艺相比，焊缝变形降低了一个数量级；

• 集成工艺参数库和符合人体工学设计的焊枪，使得系统易于学习和操作，装配工和新手焊工均可以进行激光点焊并实现100%一致性的激光定位点焊，雇用新手能够让制造商减轻基础焊接工作的负担，从而显著降低用工成本和总成本；

• 焊前激光清洗可以取代传统焊接方法所需的典型打磨和喷砂工序，同时减少焊缝中的气孔和缺陷形成；

• 焊后激光清洗可以取代危险的化学清洗方法，并在焊后使用同一设备立即对不锈钢进行清洗和钝化处理。

LightWELD系列产品是轻巧便携、操作简便、经济智能、安全可靠的手持激光焊接系统，带有清洗功能（可选），并已获得欧盟CE认证，是一款安全可靠的生产工具。

本文摘选自 IPG发表的《1.5 kW风冷型手持激光焊接和清洗系统在典型金属制造中的应用》