“如果你一直重復過去做過的事情，那么你將只會獲得已經(jīng)擁有的東西。”在20世紀初，世界著名的物理學家阿爾伯特•愛因斯坦（Albert Einstein）認識到創(chuàng)新是以不同視角看待事物后的產(chǎn)物，這一點對于鈑金加工而言也同樣如此。由于激光已成為一種被廣泛用于切割領域的工藝技術，對于尋求和鞏固全球競爭實力的加工車間來說，他們的生產(chǎn)效率能夠顯著提高。
 

圖1：正在加工中的一款激光機器人焊接單元。

然而，在連接金屬板材時，許多加工車間仍然沒有完全利用激光技術所能提供的種種好處。例如，大多數(shù)的金屬板件仍然通過金屬惰性氣體保護焊（MIG）、熔化極活性氣體保護焊（MAG）或鎢極惰性氣體保護焊（TIG）等常規(guī)的電弧焊接工藝進行連接，而這些電弧焊接手段在過去幾十年內(nèi)鮮有改變。

通常情況下，大多數(shù)采用傳統(tǒng)焊接手段加工的部件仍然需要一道精整和修補的步驟，例如借助磨削以達到完美的品質(zhì)。然而，這一額外的步驟可以很容易地通過激光焊接得以實現(xiàn)。這種創(chuàng)新的工藝方法，不僅為加工車間開辟了全新的市場，也助力他們在全球市場上更具競爭力。

激光焊接的優(yōu)勢

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種熱加工工藝。激光束中的高密度能量以相當高的焊接速度對金屬進行局部焊接。對于金屬板材的焊接而言，激光束通常是由固體激光諧振器（例如：一款碟片激光器）生成的。基于小的激光光斑尺寸，較低的總熱量被引入加工區(qū)，從而促使與電弧焊接工藝相比，激光焊接的零部件的變形率顯著降低。圖1描述的是一套激光機器人焊接單元對一款典型的金屬板件進行焊接的工藝。一旦激光功率、焊接速度和焦點定位等工藝參數(shù)被確定后，便能夠生產(chǎn)出一致及高質(zhì)量的焊接接點，并且整個工藝具有很高的可重復性。同時，這一焊接品質(zhì)也無需依賴焊工的技能。
 

圖2：顯示的是一款采用激光熱導焊工藝生產(chǎn)出來的由0.040英寸不銹鋼打造的柜體截面。

通過調(diào)整上述激光焊接工藝參數(shù)，你還能夠對激光熱導焊和激光深熔焊進行區(qū)分。激光熱導焊創(chuàng)建出具有光滑表面的裝飾型焊縫，通常被用于外殼、盒體、水槽以及柜體部件（圖2）等應用。激光深熔焊則被用于制造厚截面壓力罐、剛性元件及法蘭等要求焊縫展現(xiàn)出優(yōu)異焊接強度和牢固度的產(chǎn)品。在德國的一家材料試驗研究所開展的100多次抗拉試驗已經(jīng)證明，激光焊接的對接接頭無一例外地都是在基材失效，而不是焊接接頭。相較之下，試驗表明75%的鎢極惰性氣體保護焊頭均在焊接接頭處失效。

同時，就焊接接頭的幾何形狀而言，激光焊接也能夠實現(xiàn)高度的靈活性。目前，鈑金零件的設計層面對客戶來說發(fā)揮了越來越重要的作用。鑒于電弧焊接工藝在鈑金部件的設計方面存在限制性，激光焊接創(chuàng)造出了新的接合可能性，例如彎曲角焊縫和搭接接頭等。即使擁有不同板厚的組合材料也同樣具有可焊接性，這有利于節(jié)約材料成本，以及促進輕量化設計。
 

圖3：顯示的是一款采用激光深熔焊工藝生產(chǎn)出來的由0.012英寸低碳鋼打造的法蘭管件接頭。

此外，激光焊接可以顯著減少生產(chǎn)時間，這不僅僅是因為提升的焊接速度，同時也包括降低了諸如磨削和矯直等二次加工的需求。以這種方式，能夠減少高達60%的生產(chǎn)成本。
 

圖4：一款由0.060英寸低碳鋼制成的電氣外殼 （圖a左：采用了激光焊接工藝；圖a右：采用了金屬惰性氣體保護焊）；
可以看出，激光焊接不僅能夠打造出更好的焊縫質(zhì)量，同時也將加工時間降低了超過82%，幾乎省去了其余所有的精整工藝 C）。

來看一款由0.060英寸的低碳鋼制成的電氣外殼（圖4），金屬惰性氣體保護焊和磨削工序共需花費五分鐘的時間。激光焊接不僅能夠打造出更好的焊縫質(zhì)量，同時也將加工時間降低了超過80%，僅需55秒，省去了其余所有的精修（整）工藝。制造時間的降低便意味著作業(yè)車間能夠實現(xiàn)更高的生產(chǎn)靈活性。

通過集成式的“激光網(wǎng)絡”降低成本

雖然激光焊接具有不少明顯的優(yōu)勢，許多加工車間在面對其能夠被感知到的學習曲線以及入門成本時還是有些猶豫。然而，該技術領域的最新進展已經(jīng)能為加工車間的不同需求提供更為可行和理想的解決方案。此外，當一臺2D激光切割機中現(xiàn)有的激光諧振器被應用在一套激光系統(tǒng)網(wǎng)絡（圖5）中時，便能夠減少高達40%的初始投資成本。這是因為對任意一個加工站的控制均能夠被激光器所接收, 所以從技術上看沒有必要在激光系統(tǒng)網(wǎng)絡中再配置中央控制系統(tǒng)。
 

圖5：激光系統(tǒng)網(wǎng)絡共享激光束的一個例子，該激光網(wǎng)絡由一臺激光焊接單元（左）以及一臺2D激光切割系統(tǒng)（右）組成。

使用特定的控制命令，當一個加工站完成生產(chǎn)任務后，激光束便通過那個加工站被釋放出來用于第二個加工站。這些改變是瞬間發(fā)生的，盡可能保持激光諧振器的活躍和有效。多達四個輸出端，碟片激光器的設計使制造商能夠以更穩(wěn)定和更可靠的方式來共享激光束。在這種情況下，激光功率的穩(wěn)定性和一致性在碟片激光器的運行過程中能夠保持很高的水平（誤差介于±1％以內(nèi)）。

激光焊接系統(tǒng)為加工車間帶來了投資回報，因為當激光束在這兩個系統(tǒng)（激光焊接單元和2D切割系統(tǒng)）之間共享時，便意味著初始投資成本顯著得到降低。這個優(yōu)勢不僅僅局限于激光焊接系統(tǒng)的初始成本，激光束利用率的增加也同樣對激光切割機的成本造成影響。另外，當激光焊接系統(tǒng)已成功運行了一段時間后，也可以專門為其安裝一款單獨的激光諧振器。這使得鈑金加工廠可通過較小的初始投資從這些激光焊接系統(tǒng)中獲利，并且為之后的增長鋪平道路。

案例分享：啟用激光網(wǎng)絡系統(tǒng)

位于德國拉斯多夫的CBV Blechbearbeitung公司的首席執(zhí)行官Werner Neumann先生投資了一套3kW的固體碟片激光器網(wǎng)絡系統(tǒng)，該系統(tǒng)由德國通快集團一臺高效率的2D光纖型激光切割機TruLaser 5030以及一臺通快機器人激光焊接系統(tǒng)TruLaser Robot5020組成。盡管Neumann最初關注的是夾具構造和重新設計零部件等問題，但對他而言，能夠通過共享激光束后以相對較低的投資成本安裝激光焊接系統(tǒng)還是極具吸引力的。

在項目開始之前，Neumann派出兩名焊工去通快進行了培訓，有意識地為他們傳統(tǒng)的焊接技能添磚加瓦，以積累更多經(jīng)驗。當焊工接受培訓后，他們能夠將一個完整的客戶訂單轉移到該激光機器人焊接單元中處理。此后，CBV公司已經(jīng)將20款不同的鈑金零部件轉到這套新的機器人激光焊接單元內(nèi)進行加工。雖然零件的加工件數(shù)很高，CBV公司發(fā)現(xiàn)無論是針對小批量或是單件生產(chǎn)作業(yè)，激光焊接都是值得選擇的靈活解決方案。
 

圖6：一款采用傳統(tǒng)焊接工藝（左）以及激光焊接工藝（右）加工的不銹鋼面板。

就激光焊接是如何大大提升生產(chǎn)效率的案例，CBV公司還能列舉出很多。一批由0.8mm規(guī)格的鋁所制成的100個零部件在手工焊接完成后約需12小時（720分鐘）的修整工作。而激光焊接系統(tǒng)能夠將這一加工時間降至90分鐘。另一個例子是將30mm寬的邊緣焊接到一塊由2mm厚的不銹鋼制成的面板上（圖6）。在這個案例中，精修時間降低了90%。

此外，激光束的利用率從50％增加到85％以上。為了最大限度地提高正常運行時間，CBV公司的操作員會小心謹慎地在激光切割工作訂單中間隔插入“暫停”命令，這樣每隔幾分鐘，切割單元會交替停止，機器人焊接單元開始進行焊接。然后，激光束源被轉移回光纖中。

該公司還竭盡全力地利用激光焊接所能帶來的各種增強優(yōu)勢和能力。例如，他們竭力通過手動方式來焊接電鍍鋅鋼板。CBV公司的焊工與通快集團的專家以及林德工業(yè)氣體公司通力合作，力求找到用于焊接這些特殊容器的正確參數(shù)以及氣體的正確組合方式。通過激光焊接，容器現(xiàn)在幾乎不需要修補工作。

激光焊接為鈑金加工廠提供了顯著的優(yōu)勢和機遇。雖然在投資新技術時會有些令人生畏，但這些創(chuàng)新技術能夠使制造廠家保持長期的競爭力。CBV公司積極應用了這些創(chuàng)新，繼而成功地驗證了多年前愛因斯坦對于創(chuàng)新所提出的那番觀念。