激光焊接在商用空调部件的研究与应用

激光焊接技术作为一种新兴的金属加工技术，能够实现对各种金属材料的焊接加工，在金属加工行业具有广泛的应用空间。激光焊接技术通过激光反应原理聚集高能量密度激光束，具有速度快、准确性高的特点，一直以来在精密金属加工企业应用较多。我司为加快商用空调创新发展，特引进激光焊接，为商用空调钣金件的加工制造提供新的途径，进一步提升产品质量竞争力。

激光焊接的应用背景

目前空调行业普遍采用气体保护焊、电弧焊、反应焊等焊接方式实现钣金零件的密封组合，但由于以上焊接方式有能量输出发散、弥漫等特性，普遍存在焊缝质量不佳、人员劳动强度大、作业环境差等问题，且伴有焊接飞溅，需要经过后工序的打磨平整，导致持续性焊接成本增加，不利于企业的长期发展与技术创新。CO2气体保护焊焊接作业如图1所示。

图1 CO2气体保护焊

激光焊接的试验研究

我司激光焊接试验研究开始于电控盒类零件，目的是通过激光焊接的应用来取代传统的CO2气体保护焊。电控盒零件的原材料为热镀锌板，一般厚度在1.0～3.0mm之间，主要考虑到该类电控盒零件形状较为规则，焊缝呈空间直线分布状态，其三维视图如图2所示。作为焊接质量预测的关键性参数，焊缝深度决定了最终焊缝的质量。焊缝深度过大，可能导致零件被焊穿，增加二次补焊等额外的操作，且涉及到气密性、水封性的零件时补焊质量要求极高；焊缝深度过小，则可能导致焊高过大，增加了后工序打磨的工作量。因此对于焊缝深度与焊接速度、激光功率的关系，在试验研究时常采用控制变量法，在不同功率的激光焊接下，焊缝深度与焊接速度的关系如图3所示。当然，最先开展该类电控盒零件的激光焊接试验，还考虑到其需求批量较大，可为后期的自动化激光焊接作好充分的技术准备。

图2 电控盒类零件三维视图

图3 焊缝深度与焊接速度、激光功率的关系

激光焊接的实际应用

商用接水盘类零件中的应用

接水盘零件作为商用水冷机组的关键零件，其焊接密封性尤为重要，该类零件主要用于水冷机组循环废水的收集，壳体承受的水压大，且需满足耐腐蚀的要求，常采用不锈钢材料作为原材料。

较传统碳钢材料，不锈钢材料电阻率高、热膨胀系数大，结合材料的焊接冶金特点，当前商用接水盘零件的制造多采用电阻点焊工艺加电弧焊的工艺模式，但存在一定的问题和不足，主要表现为：电阻点焊虽然可以有效减小接水盘零件的焊接变形，但焊点处存在明显的压痕，焊点数量较多，影响零件的质量一致性，增加了后期打磨工序的工作量。且电阻点焊为离散独立的点连接形式，点焊工艺的接水盘零件结构密封性较差。手工电弧焊虽然可以实现连续密封焊接，如图4所示，但不锈钢电弧焊变形大，大量弧焊会造成接水盘零件的热变形，影响整个零件最低点的位置，导致零件长时间存水，不利于水冷机组的长期稳定运行。

图4 手工电弧焊的接水盘类零件

而采用激光焊接时对折弯衔接边的余缝要求较高，一般1500W的激光器要求焊缝宽度在2.5mm以内，若焊缝过宽，可能出现焊穿、空焊、形变等现象，且要求整条焊缝的平行度保持基本一致，如图5所示；否则会出现填丝不稳定，导致缝隙小的一段焊高偏大、中间段刚好满足要求，而缝隙大的一端出现空焊，严重影响零件的质量，二次补焊需人工进行，反而降低了生产效率。

图5 接水盘类零件焊前指示图

激光焊接还有利于减少或消除后工序打磨工作量，通过合适的焊接参数设置，可以减少焊高，甚至做到0.1mm的平整度，这对于不锈钢打磨而言简直是福音。由于304不锈钢材料的硬度与强度为普通镀锌板的5倍以上，因此打磨时消耗的磨盘及工作量也大大增加，打磨一条焊高在1.2mm，长度为100mm的不锈钢焊缝平均需要5min，持续的打磨工作不仅增加操作人员的劳动强度，而且提高了产品的生产成本，这对企业发展来说是不容乐观的。不锈钢类零件焊后手工打磨如图6所示。

图6 不锈钢类零件焊后手工打磨

为改变现有的工艺，通过与国内外先进激光设备厂家交流合作，制定了六轴工业机器人、自动激光焊枪与送丝控制系统、柔性化夹具工作台集成可编程示教的激光自动焊接方案，该方案通过设计柔性化的夹具，对不同系列的零件进行快速装夹与定位，同步实现零件的快速切换。通过手持机器人末端焊枪，对焊接路径进行示教，因此可大大降低自动化焊接操作难度，减少专业的焊接操作人员投入。

当前采用六轴机器人激光焊接系统焊接接水盘零件，如图7所示，其焊接功率为1500W，平均焊接速度为1.4m/min，整个装夹定位花费5min，手动示教编程花费10min，焊接过程2min，其他调整耗时8min，单个接水盘零件初次焊接耗时25min，由于再次焊接该种零件无需示教与其他调整，因此批量生产时单个接水盘零件平均耗时为7min，且后工序无需打磨，无需专业的焊接操作人员，整个过程加工成本降低25%以上。接水盘类零件手工电弧焊与激光自动焊对比见表1。

表1 接水盘类零件手工电弧焊与激光自动焊对比

图7 接水盘类零件激光自动焊接

商用支撑架类零件中的应用

作为商用外机结构骨架，支撑架类零件用量多，该类零件设计结构为长条状箱体，有利于组装与承重，由于该类零件在箱体内部主要起框架支撑作用，其不直接接触外界环境，因此对耐腐蚀性要求不高，一般采用厚度为4.0mm的热镀锌板作为原材料，镀锌板的镀锌层不但具有物理屏蔽作用，而且对钢基体还起到了电化学保护作用，是一种性价比很高的钢铁材料。

然而，镀锌钢板中镀锌层的存在，使得支撑架零件的焊接过程和焊接质量受到不利影响。原因是在镀锌钢板焊接过程中，镀层锌和基体碳钢物理特性的极大差异（镀锌层锌的熔点是420℃，沸点是908℃，而基体钢的熔点是1300℃，沸点是2861℃），因此镀层锌的气化先于基体钢的熔化，这一现象对镀锌钢板的焊接过程和焊接质量会有很大影响。

目前，厂内对于支撑架零件的主要焊接工艺有电阻点焊、电弧焊和激光焊接三种。对电阻点焊而言，由于镀锌层的存在，焊接时电极易与锌层合金化，加速了铜电极表面的氧化进程，操作人员需不断打磨电极头，因此降低了铜电极的使用寿命。而采用手工电弧焊时，由于锌的低沸点，在电弧刚接触到镀锌层时，锌迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅，造成焊缝面的平整度存在较大差异，增加了后工序打磨的工作量，且对于需保障气密性与防水的零件有重大质量隐患，如图8所示。手工电弧焊的零件焊缝存在较为明显的锌层挥发现象，特别是靠近中后端有较大的熔池喷射现象，导致焊瘤、气孔等质量问题的出现。

图8 手工电弧焊接的支撑架类零件

而通过激光焊接的应用不仅提高了焊缝的强度、刚度，还解决了传统电阻点焊在焊接镀锌钢板以及高强钢板时，焊接变形大、焊点平整度低、易产生缝隙、母材强度下降等问题。商用支撑架类零件在采用激光焊接工艺时，因激光能够以较大的能量密度在小的间隙下穿透焊缝，使焊缝形式为断续焊，从力学性能测试数据上看，采用激光焊接后的焊缝强度可较电阻点焊提升30%左右，如图9所示。