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通快環(huán)網(wǎng)柜激光焊接技術
環(huán)網(wǎng)柜激光焊接實際上是精密鈑金制造，環(huán)網(wǎng)柜焊接的問題實際上是精密鈑金的問題，理解了這一點，就可以從鈑金工藝、焊接設備兩個切入點去解決問題。
六氟化硫(以下簡稱“SF6”)環(huán)網(wǎng)柜以其優(yōu)異的電氣性能得到廣泛應用，但因其顯著的環(huán)境影響，正面臨越來越嚴格的限制。環(huán)保氣體柜則是針對這些環(huán)保挑戰(zhàn)的一種應對方案，盡管目前技術尚在不斷完善，但其低環(huán)境影響、高安全性和符合未來法規(guī)趨勢的特點，使其成為環(huán)網(wǎng)柜發(fā)展的重要方向。
不管是SF6環(huán)網(wǎng)柜，還是最新的環(huán)保氣體柜，都需要通過可靠的焊接技術來保證柜體在各種嚴苛工況下的密封性。目前主要有兩種焊接技術：氣保焊和激光焊。相對氣保焊，激光焊接的優(yōu)勢和劣勢都很明顯。相對于傳統(tǒng)的氣保焊技術，激光焊的技術優(yōu)勢在于：焊接效率高，焊接強度高(穿透性更好)。
當然通快也關注到，自動化激光焊接設備在環(huán)網(wǎng)柜生產(chǎn)中能否良好應用是一個系統(tǒng)問題，是對精密鈑金的苛刻考驗，這個問題主要包括幾個方面：
1 激光焊接對柜體的拼縫間隙要求更高(0.1mm最佳)；
2 激光焊接工藝穩(wěn)定性波動(熔深、飛濺、拐角過燒)；
3 焊縫位置檢測(焊縫跟蹤)的有效性邊界
4 設備的操作難度(產(chǎn)品換型需要更多的編程示教時間)；
5 工裝是否具有柔性(多品種小批量的生產(chǎn)模式需要)。
想要解決這些問題，就需要首先對問題有正確理解，沒有正確的理解就沒有準確的控制措施，采用激光焊接設備就很難體現(xiàn)出效率和品質。
在環(huán)網(wǎng)柜生產(chǎn)領域，通快為激光切割和焊接應用提供設備、夾具和應用技術。從多種焊接設備(TruLaser Cell 7000系列五軸機床/TruLaser Weld 5000智能激光焊接系統(tǒng)，以下簡稱TLW5000)，再到不同的柜體組裝方式(折彎件組裝/平板拼裝)，通快向全球客戶提供全面且靈活的激光焊接環(huán)網(wǎng)柜解決方案。
激光焊接對柜體的拼縫間隙要求更高(0.1mm最佳)
充氣柜箱體在激光焊接之前，必須用氬弧點焊的方式把各個不銹鋼側板拼接起來，然后再用激光焊保證氣密性和焊接強度。
板材之間的搭接方式推薦采用外角“I”型的拼接方式。采用這樣的拼接方式，板材之間的焊接橫截面最大，焊接強度最大。需要注意的是要盡量保證焊縫間隙在0.1mm內，這是因為激光光斑直徑在焦點處大約為0.4mm，且是自熔焊沒有焊絲，如果板材之間的縫隙太大則會產(chǎn)生焊接缺陷導致強度不足和漏氣風險，如圖1所示。
圖1 當拼縫間隙達到0.5mm時，焊縫會有輕微塌陷并向內收縮(功率：3800w，速度：3m/min, 設備：TLW5000)
激光焊接工藝穩(wěn)定性波動(熔深、飛濺、拐角過燒)
目前，采用激光焊接工藝加工環(huán)網(wǎng)柜最大問題在于品質的穩(wěn)定性。當穩(wěn)定性發(fā)生問題時，客戶的第一訴求是集成焊縫跟蹤或者焊縫檢測功能——這是一個值得探討的問題——焊縫跟蹤或者焊縫位置檢測是解決激光焊接工藝穩(wěn)定性的必要選項，但非充分選項。如上文所述，環(huán)網(wǎng)柜激光焊接工藝穩(wěn)定性是一個精密鈑金生產(chǎn)的系統(tǒng)問題。在這其中，焊接設備能否保證精確穩(wěn)定的示教定位是關鍵之一。
一些集成設備采用簡易的線光尋焦，并且通過調節(jié)機器臂來調整離焦量，粗糙的解決方案帶來了粗糙的焊接質量——飛濺、氣孔、裂紋，拐角過燒等焊接缺陷(圖2)極大地影響了良品率，并且增加了額外的補焊工時。
采用TLW5000智能焊接系統(tǒng)(圖3)可以顯著提升環(huán)網(wǎng)柜焊接工藝穩(wěn)定性。這主要得益于系統(tǒng)內置了一整套先進的功能模塊，如焊接頭上搭載的視覺輔助對焦系統(tǒng)、電動調焦模塊、BrightLine Scan亮面掃面焊接模塊等等，以及系統(tǒng)內建了焊接參數(shù)庫，生產(chǎn)計劃管理功能等。
圖3 TLW5000智能焊接系統(tǒng)
為了追求精準和穩(wěn)定，TLW5000放棄了通過調節(jié)機械手臂來調整焦點位置的傳統(tǒng)做法，取而代之的是在焊接頭內集成了高精馬達驅動的電動調焦鏡片，最小調焦單位精確到了0.1mm，配合視覺輔助對焦系統(tǒng)快速精準完成焦點定位，這從根本上保證了穩(wěn)定的良品率，極大的減少了編程時間，降低了焊接過程中產(chǎn)生飛濺和裂紋的可能性，如圖4所示。
圖4 使用TLW5000生產(chǎn)的氣箱飛濺少，熔深穩(wěn)定，拐角不過燒(無需補焊)
焊縫位置檢測(焊縫跟蹤)的有效性邊界
焊縫位置檢測(焊縫跟蹤)的有效性邊界僅限于環(huán)網(wǎng)柜箱體的定位偏差。對這個問題的準確理解，能讓我們在生產(chǎn)中更高效地找到原因和解決措施。大量案例證明，焊縫位置檢測(焊縫跟蹤)功能并不能解決激光焊接工藝穩(wěn)定性問題。我們可以明確的是環(huán)網(wǎng)柜密封箱體的生產(chǎn)場景屬于精密鈑金范疇，通快的經(jīng)驗是：焊縫位置檢測(焊縫跟蹤)功能的有效性邊界在精密鈑金生產(chǎn)中僅限于解決定位偏差。
在焊前——切割、折彎、點拼的每一個鈑金加工環(huán)節(jié)，和焊中的熱輸入——所累積的鈑金變形(熱變形和鈑金加工物理變形)都可能導致焊縫扭曲和焊縫間隙波動——而這些問題是很難用焊縫位置檢測(焊縫跟蹤)解決的。
圖5 環(huán)網(wǎng)柜焊接工藝穩(wěn)定性波動成因分類和解決措施
為了彌補定位誤差，通常會采用傳感器對產(chǎn)品位置進行檢測和再定位。常見的焊縫檢測方式有在線跟蹤和離線檢測兩種。在焊縫檢測的技術路線上，通快的TLC三維五軸機床和TLW5000設備都采用了離線檢測的方式。相對于在線跟蹤，離線檢測不受焊接過程的高強度弧光影響，檢測穩(wěn)定性更好，并且不會在焊接過程中增加算力負載，焊接速度更快。不同的是實現(xiàn)離線檢測的物理手段。TLC三維五軸機床采用了探針測量，而TLW5000采用TeachLine視覺測量系統(tǒng)。
TeachLine視覺測量系統(tǒng)是TLW5000設備上的功能，搭載該功能可以簡單快速的設置焊縫檢測程序，結合TruTops Weld 離線編程軟件(TLW500功能)，甚至可以在離線編程時就實現(xiàn)焊縫檢測程序設置。
圖6 TeachLine離線檢測功能設置步驟
設備的操作難度(產(chǎn)品換型需要更多的編程示教時間)
有激光焊接設備使用經(jīng)驗的用戶一定有類似體會：生產(chǎn)中最怕的就是換型，一個新箱型一次編程和示教的時間需要幾個小時到一天的時間，加上參數(shù)的調試和反復的示教，新箱型投產(chǎn)往往需要兩天以上才能勉強保證工藝穩(wěn)定。
這很好理解，激光焊接設備就像一個功能復雜的玩具，每一個功能的熟練掌握都需要技術專家持續(xù)的現(xiàn)場支持。而使用TLW5000就不需要擔心這些問題，因為TLW5000本身就是專家，內置的多項功能(TeachLine、視覺輔助對焦、電動調焦、BrighLine Scan等)已經(jīng)深度集成入通快的Touchpoint HMI界面，普通工人只需5天標準培訓即可掌握操作，投產(chǎn)一個新箱型只需要兩小時。
如果想要進一步簡化操作，通快還針對TLW5000系統(tǒng)開發(fā)了專用的離線編程軟件TruTops Weld，可以在電腦上直接生成焊接程序(注意是焊接程序，不只是機器人運動軌跡)，導入TLW5000后，人工示教或者通過TeachLine進行位置糾偏，即可快速投入生產(chǎn)。
圖7 TruTops Weld離線編程軟件設置步驟
簡而言之，TLW5000是一套持續(xù)開發(fā)了超過20年的智能激光焊接系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的特點是：能夠實施靈活柔性且高質量的鈑金生產(chǎn)。
工裝是否具有柔性(多品種小批量的生產(chǎn)模式需要)
柔性工裝的基礎建立在變位機上。在環(huán)網(wǎng)柜激光焊接應用中，有兩種形式的變位機(圖8)：頭尾架式垂直翻轉變位機和水平旋轉變位機。
圖8 兩種形式的變位機
相對于頭尾架式變位機，水平旋轉變位機可以更方便的兼容環(huán)網(wǎng)柜和充氣柜多種產(chǎn)品；也可以集成多種上料形式如手推車、傳送軌道、吊裝等。此外也是最重要的，水平旋轉變位機既可以兼容通快設計的專用柔性工裝，也可以兼容通用工裝。
通快設計的專用柔性工裝是一套可以適應多種產(chǎn)品規(guī)格的靈活方案，工裝以產(chǎn)品底座的形式與產(chǎn)品連接并跟隨產(chǎn)品一起流轉。這樣的好處是工裝的成本低，可復制性強。
圖9 通快柔性工裝底座
以某客戶案例為例，針對環(huán)網(wǎng)柜和充氣柜兩大類產(chǎn)品，通快提供了兩套合計四件柔性工裝底座，可以兼容約10種尺寸規(guī)格。
環(huán)網(wǎng)柜激光焊接的核心是精密鈑金制造，通快提供從設備到工藝的完整解決方案。