光纤型激光器焊接技术在烤箱上的应用

光纤型激光器焊接技术在烤箱上的应用

王晓微

珠海格力电器股份有限公司    广东珠海 519000

摘  要：激光焊接是不锈钢产品焊接常用的先进技术之一，光纤型激光器具备更好的连续性、外观性和稳定性。研究了光纤激光器激光焊接在烤箱产品内胆上的应用；通过气动式装夹和保护气装置保证组配一致性、外观一致性；选定离焦类型，在不同离焦量下焊接强度的不同；不同峰值功率下熔深的变化趋势。通过实验结果设定最佳焊接效果参数。

关键词：光纤激光器；激光焊接；离焦量；峰值功率

0引言

随着人们生活水平的提高，现代消费者生活节奏加快，快速、方便的餐饮体验成为了重要的需求。烤箱产品具备多功能性和快捷烹饪的特点，逐渐成为现代家庭中不可或缺的厨房电器之一。其中不锈钢内胆为烤箱产品的核心部件，要求具备耐高温、密封性、耐酸碱的特性。在不锈钢内胆焊接中，激光焊的工艺稳定性高，密封性好。

1激光焊原理

激光焊是一种非接触式焊接，通过高能量密度的激光束热源下，使基体表面形成熔池实现焊接的方式。激光束能量集中，使其具备热影响区小、热变形小、效率高等特点。光纤激光器是一种新型固体激光器，光路由光纤和光纤元件组成，光束质量好，产生高能激光束耦合进入光纤谐振腔。

与常规YAG激光焊不同的是，光纤激光器用耦合器代替反射镜，光纤可重叠，光纤内远距离传输通过准直镜准直为平行光，降低谐振腔制作难度。出光频率高连续性好，效率高且外观性好，焊缝无鱼鳞纹状。

2烤箱内胆激光焊技术分析

2.1装夹要求

烤箱内胆材质为304不锈钢，厚度0.6mm。薄板强度较差，且易焊穿，因此内胆激光焊对于装夹精度、稳定性要求非常高。对于错边问题，采用气动夹紧机构，间隔尺寸为一个料厚走负差0.05mm避免上下搭边问题，在背板的端面那侧设置一个精铣平面作为基准面，避免前后错边问题，同时采用左右双边气动弹性夹块，保证焊缝间隙紧密，如图1所示。

图1 装夹结构图

2.2外观控制分析

内胆内腔属于重要外观面，保证焊接强度、密封性的同时，也要保证内腔外观性。这就要求在内腔焊缝处合理设置保护气装置。通过在夹紧机构的下垫块设置分段气孔，通过多个电磁阀分段控制，避免气体浪费同时能够保证气源压力稳定性。

图2 保护气结构图

2.3焊接程序分析

由于光纤激光器激光焊接能量密度集中，在零件起始点、终点分别起弧、收弧时，会出现能量迅速攀升或下降，而导致零件被焊穿、外观面烧黑等问题。因此机械手编程的焊接起始点要提前于零件焊缝起始点，收弧点要晚于零件焊缝终点，将起弧、收弧的能量变化较大段分散到零件外，从而保证零件外观性和气密性。而分散到零件外的起弧收弧能量，通过铜材质进行吸收分散，并且采用镶件的结构，用可快拆快换的备件的方式进行装配，实现快换同时降低材料成本。

3烤箱内胆激光焊参数设置

3.1离焦量

指示红光开启，焊接头上下移动至红光最小处为焦点位置，此处激光器根部到红光落点距离即为焦距，当焊枪上移离焦量增大时为正离焦，反之为负离焦，移动纵向距离即为离焦量。

负离焦具备更强的穿透性，能够获得更大的熔深，正离焦具备较强的表面熔化性，更适合薄板焊接。烤箱内胆材料厚度为0.6mm，由其内腔需保持白亮外观，要求对接焊在表面形成熔池实现焊接牢固而不焊透到外观面，需要更好地表面熔化性，因此选用正离焦状态。

将焊枪位置设置到焦点处，采用2mm、4mm、6mm三种不同正离焦量样片焊接，结合外观及强度效果，4mm离焦量下效果最佳 [1]。

3.2焊接功率

按照4mm离焦量不变情况下，700mm/min稳定焊接速度下，焊接仍存在一定的失稳变形，解决失稳变形的途径：（1）平衡焊接过程温度场；（2）加强零件结构强度；（3）在强度满足情况下减小输出能量[2]。在焊缝周围增加的保护气装置，可在起到隔绝氧气保护外观的同时，在焊接过程中起到冷却焊缝平衡温度场的作用。零件属于外观件，增加加强结构会破坏产品内胆内腔简洁外观。因此要对峰值功率进行调整解决失稳变形问题。

在不同输出功率下，进行样件激光焊接，将焊缝较稳定位置进行线割切样，镶件并打磨后通过王水进行表面腐蚀，观察测量焊缝熔宽变化：

图3 功率对熔宽影响

对于内胆焊接，要求不能焊透到外观面，小于2.4kw时功率较低，未焊透零件因此能量集中在焊缝中，导致一个小幅度熔宽增大，随着功率增大，焊缝焊穿材料厚度，熔宽呈现下降趋势[3]。由此确定输出功率P为2.4kw时是保证外观、不焊透情况下的最大功率，能够保证能量稳定性、外观稳定性同时保证焊接强度。

4结语

为满足光纤激光焊对于装夹精度的要求，实现烤箱内胆应用，采用弹性气缸装夹，从三个维度控制装配精度及稳定性，在焊缝外观测的分段式保护气装置，实现稳定的焊接外观，同时平衡焊接热影响区能量减小失稳。

采用正离焦的方式，保证焊接表面熔化性，在焦点上进行不同焦距下强度对比，获得最大强度的焊接焦距。在4mm正离焦下，对不同峰值功率下，在外观未焊透情况下，获得最佳熔宽。

参考文献：

[1] 姜吉臣，张占军，李 张，孙 许，赵成亮，张洪涛.光纤型激光器在不锈钢焊接中应用研究[J] 仪器仪表用户，2022(02)

[2] 温鹏，张旭东，陈武柱，Henry Peng.薄板激光焊时失稳变形及其控制[J] 焊接学报，2006(09）

[3] 龚兴华，唐舵，朱伟，戴忠晨，付宁宁，金文涛，夏宁，王凯杰，王春明.2mm不锈钢SUS301L-HT光纤激光对接工艺研究[J]造船技术，2016(01)