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氣體激光焊接降低汽車制造成本(氦氣、氬氣)
2019-6-6 14:50:30
目前競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)中有著對(duì)速度的急切需求。而從消費(fèi)者方面來(lái)說(shuō)，他們更為關(guān)心的是馬力。然而，在制造業(yè)中，速度就是生產(chǎn)量和生產(chǎn)率的全部。美國(guó)汽車制造商們由于眾多的原因，包括了車身設(shè)計(jì)，認(rèn)知品質(zhì)還有擁有成本等，正在逐步失去其市場(chǎng)份額。
雖然關(guān)于車身設(shè)計(jì)的討論并不在本文的考慮范圍內(nèi)，然而，提高質(zhì)量和生產(chǎn)率的策略卻是討論的重點(diǎn)。這兩者都能通過(guò)混合加工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)將激光焊接與傳統(tǒng)金屬極氣體電弧焊(GMAW)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行焊接。
激光參數(shù)，比如波長(zhǎng)，光束質(zhì)量，光斑大小，功率密度，焦深，以及光束定位等等，對(duì)于成功進(jìn)行焊接都是十分關(guān)鍵的。其他參數(shù)還包括對(duì)GMAW能量源的常規(guī)補(bǔ)充和脈沖傳遞，GMAW金屬絲的定位，接觸的角度，以及金屬線的化學(xué)性質(zhì)。此外，基底材料氧化物表面情況，對(duì)接處的設(shè)計(jì)，焊縫寬度以及保護(hù)氣體類型和流量也給混合焊接工藝的質(zhì)量和性能帶來(lái)了影響。
下面將詳細(xì)的介紹氣體的選擇對(duì)許多方面的影響，這些方面包括了激光光束相互作用，防護(hù)效率，焊珠性能，以及用來(lái)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的氣體混合物和流量的設(shè)備。
混合的激光加工技術(shù)將一個(gè)二級(jí)能源合并到焊接池區(qū)域。混合加工技術(shù)使得激光焊接的優(yōu)勢(shì)得到具體化，這些優(yōu)勢(shì)包括了焊接速度得到提高，熱影響區(qū)域受到限制，焊接的接縫變窄同時(shí)具有精良的焊道外形。GMAW作為二次能源，它提高了總體的加工能量效率，降低了裝備成本的同時(shí)還提高了焊接縫隙的能力，此外，它降低了冷卻速率，同時(shí)改善了鋁的能量耦合效率。
其次，盡管設(shè)備更加復(fù)雜，但是通過(guò)減小進(jìn)行焊接所需要的諧振腔的尺寸，GMAW的供能成本就降低了，從而降低了整個(gè)機(jī)器的成本。根據(jù)所要的結(jié)果可以決定GMAW焊絲進(jìn)給位置在激光光束之前或之后。利用拖尾式的GMAW焊絲進(jìn)給方式可以實(shí)現(xiàn)較高的焊接速度。GMAW焊絲被送入激光產(chǎn)生的熔融焊池中，這樣熔融焊絲所需要加入的二次能量就降低了。
此外，當(dāng)填充焊絲到達(dá)尾部時(shí)，GMAW的電弧產(chǎn)生等離子體，蒸發(fā)了基底材料，從而在焊接池的前邊緣處產(chǎn)生了凹陷。在熔融的焊接池內(nèi)的此凹陷降低了激光光束必須穿透的總深度，從而改善了穿透性能。已有資料很好的證明了，從匙孔或者焊接區(qū)域排出的蒸汽粒子會(huì)導(dǎo)致激光光束的衰減（散射和吸收），從而降低與基底材料耦合的光束能量。1激光光束的散射和吸收降低了焊接的速度和深度。2膠層決定了粒子越大，衰減效應(yīng)就越嚴(yán)重。
氦保護(hù)氣體帶來(lái)最小的平均蒸汽粒子大小。這說(shuō)明了對(duì)CO2 或 YAG激光焊接來(lái)說(shuō)，純氦是控制粒子大小的最佳選擇。我們必須承認(rèn)，氦氣與氬氣相比，確實(shí)有比較高的電離率和較低的等離子體形成電壓，但是它的分子重量較小。因此，氦保護(hù)氣需要較大的流速，以保證有效的將激光光束路徑上的金屬蒸汽排出。由于氦氣的單位成本高于氬氣，因此，這就增加了焊接過(guò)程中平均每英尺成本。
為了優(yōu)化保護(hù)氣體以實(shí)現(xiàn)抑制等離子體，排出蒸汽粒子以及降低單位成本，我們考慮使用高達(dá) 40-50%的氬氣混合氣體。比重越高，混合氣體所需要用來(lái)排出蒸汽粒子的流速就越小。混合氣體還在焊接池固化過(guò)程中提供了更長(zhǎng)時(shí)間的惰性氣氛，從而使焊接速度更大。它還降低了捕獲氣體的量，從而減輕了由于多孔性而帶來(lái)的報(bào)廢率。 其次，固化率的降低促進(jìn)了晶粒的生長(zhǎng)和內(nèi)部應(yīng)力的減輕，這就增加了疲勞強(qiáng)度。由于縱橫比（焊縫深度/寬度）較高和隨后的應(yīng)力所產(chǎn)生的焊接裂縫都幾乎被清除了，這是因?yàn)镚MAW填充金屬的加入導(dǎo)致了焊接面寬度增加。
在混合氣體中，適當(dāng)?shù)奶砑由倭康亩趸己?或氧氣，或?qū)⑺鼈冏鳛镚MAW過(guò)程的二次保護(hù)氣體，能夠進(jìn)一步的提高焊珠的性能。氦-氬混合氣體易于產(chǎn)生更高的電弧電壓，相應(yīng)的得到的焊珠外形更寬，電弧穩(wěn)定性也更高。
因此，可以加入3-10%的二氧化碳來(lái)穩(wěn)定傳遞和收縮電弧。在一些情況下，可以加入1-5%的氧氣來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的電弧穩(wěn)定性，同時(shí)在焊接邊緣實(shí)現(xiàn)更好的連接（浸濕）。與二氧化碳混合氣體相比，氧氣由于電離率較低，熱導(dǎo)率性能較高，易于提供寬而淺的穿透分布。
針對(duì)所需質(zhì)量和生產(chǎn)率標(biāo)準(zhǔn)的混合氣體被最終確定以后，還需要考慮如何把它們經(jīng)濟(jì)的運(yùn)送到使用地點(diǎn)。用戶可以通過(guò)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)混合這些保護(hù)氣體，利用低成本的液態(tài)氬供應(yīng)方式。為什么不用支付預(yù)混高壓氦氣筒的價(jià)格來(lái)支付氬氣，二氧化碳或者氧氣呢？
氬氣可以通過(guò)液態(tài)氬瓶來(lái)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)送, 滿足高達(dá)35,000立方英尺的月消耗，該數(shù)量相當(dāng)于每月的混合氣體用量為87,500立方英尺。氬氣的月消耗量更大的話可以使用批量供給來(lái)實(shí)現(xiàn)成本水平的優(yōu)化。分析中還需要考慮到填充損耗，每月設(shè)備費(fèi)，成批供給的合同限制，以及運(yùn)費(fèi)等等因素。
另一方面，氦氣一般是通過(guò)高壓Tube Trailer或者鋼瓶組來(lái)供給的?，F(xiàn)場(chǎng)的混合需要一個(gè)混合系統(tǒng)，它能夠準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)從0-100%的微小成分?？偟馁|(zhì)量系統(tǒng)可以通過(guò)在混合器的出口放置一個(gè)分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，一旦混合比超出誤差范圍，就會(huì)報(bào)警。已有軟件和報(bào)警系統(tǒng)可以將這種信息傳至桌面電腦，或者通過(guò)傳真或電子郵件送至更遠(yuǎn)的地方。
合理設(shè)計(jì)的混合激光氣體傳送系統(tǒng)使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)更高的焊接速度，相應(yīng)的得到更高的生產(chǎn)率。關(guān)注保護(hù)氣體的參數(shù)，如類型，流量，與沖擊角度，將提高焊接質(zhì)量，降低光束吸收和散射效果。
不斷發(fā)展輔助焊接技術(shù)，將一些方法如GMAW和激光技術(shù)相結(jié)合，使得用戶能夠發(fā)揮出兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并且從中受益。
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相關(guān)鏈接:CO2激光氣體、焊接混合氣體、氦氣、液氬、二氧化碳
雖然關(guān)于車身設(shè)計(jì)的討論并不在本文的考慮范圍內(nèi)，然而，提高質(zhì)量和生產(chǎn)率的策略卻是討論的重點(diǎn)。這兩者都能通過(guò)混合加工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)將激光焊接與傳統(tǒng)金屬極氣體電弧焊(GMAW)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行焊接。
激光參數(shù)，比如波長(zhǎng)，光束質(zhì)量，光斑大小，功率密度，焦深，以及光束定位等等，對(duì)于成功進(jìn)行焊接都是十分關(guān)鍵的。其他參數(shù)還包括對(duì)GMAW能量源的常規(guī)補(bǔ)充和脈沖傳遞，GMAW金屬絲的定位，接觸的角度，以及金屬線的化學(xué)性質(zhì)。此外，基底材料氧化物表面情況，對(duì)接處的設(shè)計(jì)，焊縫寬度以及保護(hù)氣體類型和流量也給混合焊接工藝的質(zhì)量和性能帶來(lái)了影響。
下面將詳細(xì)的介紹氣體的選擇對(duì)許多方面的影響，這些方面包括了激光光束相互作用，防護(hù)效率，焊珠性能，以及用來(lái)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的氣體混合物和流量的設(shè)備。
混合的激光加工技術(shù)將一個(gè)二級(jí)能源合并到焊接池區(qū)域。混合加工技術(shù)使得激光焊接的優(yōu)勢(shì)得到具體化，這些優(yōu)勢(shì)包括了焊接速度得到提高，熱影響區(qū)域受到限制，焊接的接縫變窄同時(shí)具有精良的焊道外形。GMAW作為二次能源，它提高了總體的加工能量效率，降低了裝備成本的同時(shí)還提高了焊接縫隙的能力，此外，它降低了冷卻速率，同時(shí)改善了鋁的能量耦合效率。
其次，盡管設(shè)備更加復(fù)雜，但是通過(guò)減小進(jìn)行焊接所需要的諧振腔的尺寸，GMAW的供能成本就降低了，從而降低了整個(gè)機(jī)器的成本。根據(jù)所要的結(jié)果可以決定GMAW焊絲進(jìn)給位置在激光光束之前或之后。利用拖尾式的GMAW焊絲進(jìn)給方式可以實(shí)現(xiàn)較高的焊接速度。GMAW焊絲被送入激光產(chǎn)生的熔融焊池中，這樣熔融焊絲所需要加入的二次能量就降低了。
此外，當(dāng)填充焊絲到達(dá)尾部時(shí)，GMAW的電弧產(chǎn)生等離子體，蒸發(fā)了基底材料，從而在焊接池的前邊緣處產(chǎn)生了凹陷。在熔融的焊接池內(nèi)的此凹陷降低了激光光束必須穿透的總深度，從而改善了穿透性能。已有資料很好的證明了，從匙孔或者焊接區(qū)域排出的蒸汽粒子會(huì)導(dǎo)致激光光束的衰減（散射和吸收），從而降低與基底材料耦合的光束能量。1激光光束的散射和吸收降低了焊接的速度和深度。2膠層決定了粒子越大，衰減效應(yīng)就越嚴(yán)重。
氦保護(hù)氣體帶來(lái)最小的平均蒸汽粒子大小。這說(shuō)明了對(duì)CO2 或 YAG激光焊接來(lái)說(shuō)，純氦是控制粒子大小的最佳選擇。我們必須承認(rèn)，氦氣與氬氣相比，確實(shí)有比較高的電離率和較低的等離子體形成電壓，但是它的分子重量較小。因此，氦保護(hù)氣需要較大的流速，以保證有效的將激光光束路徑上的金屬蒸汽排出。由于氦氣的單位成本高于氬氣，因此，這就增加了焊接過(guò)程中平均每英尺成本。
為了優(yōu)化保護(hù)氣體以實(shí)現(xiàn)抑制等離子體，排出蒸汽粒子以及降低單位成本，我們考慮使用高達(dá) 40-50%的氬氣混合氣體。比重越高，混合氣體所需要用來(lái)排出蒸汽粒子的流速就越小。混合氣體還在焊接池固化過(guò)程中提供了更長(zhǎng)時(shí)間的惰性氣氛，從而使焊接速度更大。它還降低了捕獲氣體的量，從而減輕了由于多孔性而帶來(lái)的報(bào)廢率。 其次，固化率的降低促進(jìn)了晶粒的生長(zhǎng)和內(nèi)部應(yīng)力的減輕，這就增加了疲勞強(qiáng)度。由于縱橫比（焊縫深度/寬度）較高和隨后的應(yīng)力所產(chǎn)生的焊接裂縫都幾乎被清除了，這是因?yàn)镚MAW填充金屬的加入導(dǎo)致了焊接面寬度增加。
在混合氣體中，適當(dāng)?shù)奶砑由倭康亩趸己?或氧氣，或?qū)⑺鼈冏鳛镚MAW過(guò)程的二次保護(hù)氣體，能夠進(jìn)一步的提高焊珠的性能。氦-氬混合氣體易于產(chǎn)生更高的電弧電壓，相應(yīng)的得到的焊珠外形更寬，電弧穩(wěn)定性也更高。
因此，可以加入3-10%的二氧化碳來(lái)穩(wěn)定傳遞和收縮電弧。在一些情況下，可以加入1-5%的氧氣來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的電弧穩(wěn)定性，同時(shí)在焊接邊緣實(shí)現(xiàn)更好的連接（浸濕）。與二氧化碳混合氣體相比，氧氣由于電離率較低，熱導(dǎo)率性能較高，易于提供寬而淺的穿透分布。
針對(duì)所需質(zhì)量和生產(chǎn)率標(biāo)準(zhǔn)的混合氣體被最終確定以后，還需要考慮如何把它們經(jīng)濟(jì)的運(yùn)送到使用地點(diǎn)。用戶可以通過(guò)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)混合這些保護(hù)氣體，利用低成本的液態(tài)氬供應(yīng)方式。為什么不用支付預(yù)混高壓氦氣筒的價(jià)格來(lái)支付氬氣，二氧化碳或者氧氣呢？
氬氣可以通過(guò)液態(tài)氬瓶來(lái)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)送, 滿足高達(dá)35,000立方英尺的月消耗，該數(shù)量相當(dāng)于每月的混合氣體用量為87,500立方英尺。氬氣的月消耗量更大的話可以使用批量供給來(lái)實(shí)現(xiàn)成本水平的優(yōu)化。分析中還需要考慮到填充損耗，每月設(shè)備費(fèi)，成批供給的合同限制，以及運(yùn)費(fèi)等等因素。
另一方面，氦氣一般是通過(guò)高壓Tube Trailer或者鋼瓶組來(lái)供給的?，F(xiàn)場(chǎng)的混合需要一個(gè)混合系統(tǒng)，它能夠準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)從0-100%的微小成分?？偟馁|(zhì)量系統(tǒng)可以通過(guò)在混合器的出口放置一個(gè)分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，一旦混合比超出誤差范圍，就會(huì)報(bào)警。已有軟件和報(bào)警系統(tǒng)可以將這種信息傳至桌面電腦，或者通過(guò)傳真或電子郵件送至更遠(yuǎn)的地方。
合理設(shè)計(jì)的混合激光氣體傳送系統(tǒng)使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)更高的焊接速度，相應(yīng)的得到更高的生產(chǎn)率。關(guān)注保護(hù)氣體的參數(shù)，如類型，流量，與沖擊角度，將提高焊接質(zhì)量，降低光束吸收和散射效果。
不斷發(fā)展輔助焊接技術(shù)，將一些方法如GMAW和激光技術(shù)相結(jié)合，使得用戶能夠發(fā)揮出兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并且從中受益。
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