在一台生产设备上同时进行激光切割和激光焊接

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在一台生产设备上同时进行激光切割和激光焊接加工已经成为可能，两种加工可以由一个组合头来完成，双重功能通过一个独立的喷嘴实现，这种集合式激光作业可以缩短工艺链，显著降低生产成本。
* e/ U/ X: b2 h# J/ K板材产品（如汽车部件）都要经过不同的加工设备进行切割和焊接加工，板材部件要按照切割、连接和焊接的步骤进行加工。现在，我们可以在一台生产设备上同时进行切割和焊接加工了，这种集合式的激光作业可以缩短工艺链，显著降低生产成本并且可以更加灵活地进行生产。
节约50%以上的成本
亚琛的Laserfac公司提供了一种解决方案，无需更换刀具的激光切割和焊接组合头（图1），它可以在1s内自动在切割和焊接之间进行转换。与传统技术相比，在投资、安装面积、运行和逻辑组件等方面可以节约50%甚至更多的成本。由于集合式激光作业提高了生产的精确性，从而也改进了产品的质量。有序更换产生的传统工艺链问题，由于恒定的Tool-Center-Point(TCP)、组合头和能够在一个夹紧架上进行切割和焊接而解决。

图1 工业机器人采用Laserfact组合头后，成为了万能3D切割和焊接系统特别是在生产非线性坯料时，由于薄板坯预制时精确度不够，会导致边缘连接时产生缝隙。这种情况对预制成本后面的工序和接缝测量的要求都很高，甚至还需要添加剂。在这个情况下，就为使用组合头进行集合式切割和焊接提供了新的前景。组合头能够进行精确的切割和可靠的焊接，而且不用更换刀具，也不用为后续的探测设备生产适配用的板材部件。
) U1 F* D7 Z$ Z/ G0 k7 ?" W0 q1 q( Z为了制造演示样品，Laserfact公司使用了F2-Y组合头，它是在亚琛Frauenhofer激光技术研究所（ILT）研发的基础上实现的。ILT研发的一种独立喷嘴能够实现组合头的双重功能，允许激光射流和工艺气流同轴安装，组合头具有光控和气动断联功能。虽然喷嘴系统的压力负荷高达30bar（这个压力对于工作头的切割功能非常重要），但不需要使用耐高压的光学镜组，从而可以集中精力使设计达到光学性能的最佳。
工业版本的工作头具有一个集合式封装的镜组模块，带有保护气体和聚焦的快速转换装置。在独立喷嘴和保护气体窗之间，一个多道横流喷射模块可以有效保护镜组。同样，集装的动力Z轴驱动用于间隔调节。为了测试生产，一个4kW的纤维激光（芯直径50μm）作为射流源由IPG借助一个工艺纤维（芯直径100μm）与组合头连接，工作头本身用连接法兰安装在一个6轴曲臂机器人上，样品部件是用两块不同的镀锌车身钢制造的，分别厚1mm和1.2mm。
对薄板的加工
* d' `. R, H( Y0 E7 _首先，用相同的轮廓激光（功率1.5kW, 速度8m/min）切割两块横向对缝放置在线性滑板上的可推动薄板坯。然后，将之前切割的两组薄板互换，并将两块板以同样的轨迹再焊接到一起（功率2.2kW, 速度8m/min）（图2），最后在焊接好的坯料上切割出两个相互对应的长孔。
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6 Z) _8 h, t* m# `1 w/ M图2 激光加工头可以在切割（左）和焊接之间自动切换即使是非线性轮廓的切割和焊缝，集合生产也可以提供优质的切割和焊缝（图3）。特别是无需焊缝跟踪系统就能准确找到焊接轨迹，因为机器的坐标系统已经通过之前的激光切割记忆了焊缝的位置和走向，因此焊接轨迹可以很容易地再现。焊接质量符合最严格的汽车行业标准（图4）。

5 d- y' v$ {* T1 r8 m图3 用组合头进行集合式激光切割和焊接加工的非线性坯料示例焊接后还可以在同一个紧固架上对板材进行优化、打孔、连续冲切和切边，提高了生产的灵活性，能够更加经济地增加产品的品种。之后的冲切能够忽略焊缝并且生产出很精确的部件。对坯料进行集合式生产在经济上特别适合中小批量的加工生产。鉴于当今激光技术出色的射流质量，取得的切割速度和车身钢越来越坚固，机械切割方法正在不断被淘汰。

2 t$ F( o- c$ D$ r& q图4 用组合头制造的坯料焊缝横切面Laserfact作为参展商在2007慕尼黑激光工业展览会Frauenhofer协会的展台上展示了第一台组合头。除了已经描述过的固体激光，Laserfact还有专门为CO2激光研发了新型水冷却镜组。
降低设备费用
Frauenhofer ILT和Laserfact在机械加工领域里凭借着新工艺和新产品，拥有了很广阔的市场前景。多功能生产组激光技术用于板材组件的生产中，由于显著改进了装料可用性，以及设备的再配置，降低了设备的使用费用和工艺的停顿时间。多功能制造为那些迄今为止由于成本原因不能实现的复杂的以及型号种类繁多的产品创造了经济的生产条件，而且还能满足未来现代化生产技术的要求。
为了能够持续利用组合头多功能激光技术的优点，必须考虑迄今为止的生产结构，如汽车制造。因为它是建立在传统工艺链所局限的可能性上，直接在焊接工艺前进行精确的缝边预制，以及在部件焊接之后的切割工序，如准确的设置，孔的尺寸选择、功能、连接边的精确切割，以及切除焊接后的安装、紧固和支撑等。在精确性、功能性和轻型结构方面都能够进行最佳的产品设计。
文章关键词： 设备、激光、切割、焊接