激光焊接技术导入工程机械结构件制造的范式研究.pdf

高效、高精、绿色的激光焊接技术日渐成为结构件制造的主流方式之一。激光焊接技术在中厚板结构件制造上的成功导入已成为工程机械行业技术领先的重要标志。由于工程机械制造批量化、加工精度要求低等特征，提升了激光焊接技术导入中厚板结构件制造应用的难度。总结了典型工程机械结构件特点，从工艺设备产线3个层次梳理总结了该技术导入过程待解决的关键问题。依据工程开发经验，明确了中厚板结构件激光焊接工艺技术及成套装备开发要点，提出了激光焊接技术向工程机械结构件一般制造的导入范式，并基于范式提出了后续工艺全面导入的工作思路，总结了四大基础工作。关键词：激光焊接；工程机械；中厚板结构件；精度；范式中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）07-0067-06Research on the Paradigm of Laser Welding Technology Imported into Construction Machinery Structural Parts ManufacturingWANG QingzhaoSANY Heavy Industry Co.,Ltd.,Shanghai 201306,ChinaAbstract:Efficient,high-precision,green laser welding technology has become one of the mainstream ways of structural parts manufacturing.The successful introduction of laser welding technology in the manufacture of medium and thick plate members has become an important symbol of technology leadership in the construction machinery industry.Due to the characteristics of construction machinery manufacturing mass and low processing accuracy requirements,it is difficult to introduce laser welding technology into the manufacturing application of medium thick plate members.This paper summarizes the characteristics of typical construction machinery structural parts,and summarizes the key problems to be solved in the process of technology introduction from three levels:process,equipment and production line.According to the engineering development experience,the key points of laser welding technology and complete set of equipment development of medium and thick plate members are clarified,the introduction paradigm of laser welding technology to the general manufacturing of construction machinery structural parts is proposed,and based on the paradigm,the work idea of comprehensive introduction of subsequent processes is proposed,and four basic works are summarized.Keywords:laser welding;construction machinery;medium thick plate member;precision;normal form引用格式：王清曌.激光焊接技术导入工程机械结构件制造的范式研究 J.电焊机，2023，53（7）：67-72.Citation:WANG Qingzhao.Research on the Paradigm of Laser Welding Technology Imported into Construction Machinery Structural Parts ManufacturingJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):67-72.0 前言随着技术的突破，激光设备成本已有了大幅下降。作为高效、高能、高精度、环保的加工方式，激光技术的应用是未来制造模式已成为行业共识。相较于传统热源，激光具有良好的抗干扰性，为精 收稿日期：2023-07-14修回日期：2023-07-19基金项目：上海市扬帆计划（21YF1432300）作者简介：王清曌（1989），女，博士，工程师，主要从事智能制造与新工艺开发。E-mail：wangrain9_。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.102023 年密加工提供了先决条件，为此大量应用于微区制造、加工、复杂构型制造（3D打印）等领域。此外，激光在高能的同时，在不同波段可以实现多种加工方式（见表1）。激光焊接技术作为波段应用最广、上承减材、下接热处理的激光应用，可以满足多种材质的连接要求，同时激光设备的可集成度高，可扩展性佳，为复杂制造场景提供了可能性。汽车工业中，激光焊接技术满足了高速节拍、异种材质连接要求，使得凸缘宽度由16 mm减少至5 mm，可节约钢材40 kg/车，焊接速度由0.5 m/min提高至20 m/min甚至更快，奔驰、宝马、通用等企业均已广泛应用。在轨道交通行业，激光焊接用于高速列车车体底板、侧墙、顶棚三大通长型部件（长度25 m）连续焊接，效率提升4倍，焊接变形减少70%90%。在船舶制造中，法国利用12 kW的YAG激光器焊接实现了厚度60100 mm的不锈钢构件多层多道焊接，近年来我国也掌握了该项技术7-8。鉴于效率优势，工程机械行业也开始了激光焊接技术应用的尝试。目前在薄壁结构件（厚度8 mm以下，起重机臂架）长直焊缝制造中已实现了激光电弧复合焊技术的应用。然而这种薄板场景十分有限，大量的场景导入方案亟待开发。激光焊接技术在中厚板结构件制造上的成功导入已成为工程机械行业技术领先的重要标志。本文以挖掘机结构件为例，阐述了工程机械结构件特点，依据工程开发经验，从不同尺度梳理总结了该技术应用的痛点、难点，明确中厚板结构件激光焊接工艺技术及成套装备开发要点，提出了激光焊接技术向工程机械结构件一般制造的导入范式，为后续工艺全面导入提供工作思路，并展望该技术应用的发展蓝图。1 工程机械结构件制造现状1.1 工程机械结构件特征以挖掘机为例，典型工程机械各部分结构件的材质、板厚、焊缝形式、性能要求等如表2所示。其中，铲斗、斗杆、动臂统称为工作装置，上、下车统称为行走机构。相较而言，工作装置结构较为简单，主要通过中厚板拼接的封闭箱型结构等保证整体结构的刚度及动载性能，焊接上大多为外部T形型长直焊缝，易于实现自动化焊接。行走装置空间结构相对复杂，通常采用先分区后总成的制造方式，对最终结构件的平面度要求较高。虽然板厚范围更广，但多为小零件焊接，焊缝无特殊性能要求。1.2 结构件电弧焊的优势与劣势目前，工程机械结构件制造以电弧焊为主。电弧焊对于焊道间隙变化的敏感度低，通过摆动的微调可以适应较宽的焊道间隙变化（通常在5 mm以下均可有效覆盖），这大大降低了前道工序的加工精度要求，提升了焊接过程的适应性。然而，电弧的穿透力有限，在封闭箱型结构制造中，为避免焊缝根部熔合不良，通常采用大坡口的设计方式，并采用多层多道焊接，保证接头的饱满。然而这样的制造方式耗时长，耗材使用量大，表1不同波段激光的应用Table 1Application of laser in different wavebands类别减材技术增材技术热处理技术应用场景激光打标激光切割1激光钻孔表面微造2激光焊接3-6激光硬化激光类型Nd：YAGNd：YAGCO2Nd：YAG铜蒸汽激光准分子激光CO2Nd：YVO4Nd：YAGYb光纤半导体激光（二极管）半导体激光（二极管）波长/nm1 0641 06410 6001 064510.6578.219310 6001 0641 0641 0908101 0648101 064表2挖掘机典型结构件连接要求Table 2Connection requirements for typical structural components in excavators结构件铲斗斗杆动臂上车下车材质碳钢耐磨钢碳钢高强钢碳钢高强钢碳钢碳钢板厚/mm20608308308801640典型焊缝形式对接、角接搭接对接T型接头对接T型接头对接角接对接角接性能耐磨耐冲击动载动载静载静载备注开放性异型结构、圆弧焊道箱型结构、不等厚板、圆弧焊道箱型结构、不等厚板、圆弧焊道开放性结构、小件焊接半封闭异型箱体68第 7 期王清曌：激光焊接技术导入工程机械结构件制造的范式研究无形中增加了制造成本。同时焊缝宽大，热影响区及内应力都大，使得结构件焊缝在动载条件下存在较大的失效风险。此外，大量使用的电弧焊接所产生的弧光和粉尘，也难以满足未来绿色制造要求。2 结构件激光焊接技术导入范式2.1 结构件制造激光焊接技术的导入要求相较于传统电弧焊接而言，激光焊接能量集中、穿透力强，可实现中厚板9在小间隙（无坡口、小破口、窄间隙10等）条件下的高速焊接，效率约为传统焊接的36倍，而焊材使用量可降低50%以上。由于焊道受热时间短，所形成的焊缝热影响区小，内应力低11，接头性能也获得进一步提升。虽然激光焊接技术在一定程度上可以弥补电弧焊的劣势，提升效率及焊缝质量，但其对于制造精度的要求（0.1 mm级）与工程机械结构件一般制造精度要求（1 mm级）相差较大。受制于光斑尺寸（一般焊接用光斑1.5 mm），无法有效应对焊道间隙变化。为此，多采用激光电弧复合焊12的方式提升激光焊接在结构件制造上的适应性。然而，由于复合焊机构庞大，灵活性和稳定性较弱，双光源配合状态下尚未有成熟的摆焊方案，无法达成与成熟电弧焊同等的间隙适应性。在批量化的工程机械结构件生产中，激光焊接技术对精度的要求不仅仅体现在对焊缝间隙的变化上，整体系统的稳定性也会影响工艺的稳定，包括寻位、跟踪的精度等。在复合系统中还包括备件更换后，两个光源的相对位置的恢复。从结构件的生产全链来看，激光焊接技术的优势又会造成其他工序的瓶颈。例如，切割与坡口技术的升级，站点上下料及后道人工工序的节拍匹配等。综上，如要发挥激光焊接技术在工程机械结构件制造中的优势，务必解决以下问题：（1）焊接工艺与低精度制造来料的适应性；（2）机械精度与焊缝定位精度的稳定适配；（3）独立制造环节（焊接）与整体制造过程的融合性。2.2 激光焊接工艺开发范式在工程机械结构件常用的中厚板焊接中，为了降低激光焊接技术对制造精度的敏感度，多采用激光电弧复合焊方案。双热源的参数配合使得工艺开发过程变得更为复杂。工艺开发前通常可以根据板厚初步确认激光功率需求，根据焊道设计是否有钝边，可确定光源引导方式13-14。以上两个条件确认后，即可开始工艺优化。激光电弧复合焊工艺在尝试过程中，通常出现5种缺陷，即未焊透、表面塌陷、背面驼峰、咬边、气孔，工艺优化实际就是围绕消除这五种缺陷进行。其中，除了气孔是内部缺陷，且主要与保护气应用有效性相关，其余4种缺陷均是焊缝成形问题，通常认为是激光穿透能力与熔池填充能力的配合不稳定导致的。穿透能力主要与激光功率和热源停留时间相关，熔池填充能力主要与光丝配合相关，综合的稳定性归根结底是等离子耦合问题15。这4种缺陷的表现尺度不同，对于参数调整的敏感度也不一样。表3总结了某公司在开发中厚板激光电弧复合焊工艺时主要参数变化对焊接质量的影响权重。值得注意的是，4种成形缺陷本身存在一定的逻辑关联，结合控制变量的方法，可以获得较为快速的调整方式。在激光功率初步确定后，焊透与否对热源的停留时间最为敏感，此时调整焊接速度，可有效解决未焊透问题。焊透意味着待填充空间增加，此时若填充量跟不上时，易则造成表面塌陷，调整送丝速度可以有效满足填充要求。熔滴过渡表3中厚板激光电弧复合焊参数影响权重Table 3Weights of parameters influencing laser arc composite welding of medium and thick plates参数激光功率/kW送丝速度/（mm/s）离焦量/mm焊接速度/（mm/s）保护气流量/（L/min）17光丝间距/mm18焊枪角度/（）干伸长/mm未焊透+表面塌陷+背面驼峰+咬边+气孔16+注：“+”数量代表影响程度，越多代表影响越显著。692023 年为周期性行为，在一定的能量密度下，熔滴的铺展和凝固也具备周期性，此时所产生的背面驼峰、正面咬边，即能量输入与周期性的匹配不佳造成的。依据表3可知，在该阶段激光功率、离焦量的微调即可实现调整。实现最终工艺的导入，更为关键的是保证工艺稳定性。此时，工作的核心不再是工艺参数的调整，而是焊道定位及装配精度控制，以及结合产品核心尺寸控制的焊接拘束设置。有许多工具可以帮助确认这些关键控制点，如仿真工具19-20、统计过程控制（SPC）工具等。只有明确了工艺在关键控制点条件下的有效性，才能给成套设备的开发提供设计依据。综上，工艺开发范式可总结为：确认激光功率确认引导方式解决未焊透解决背面驼峰解决气孔问题解决咬边问题确认关键控制点交付稳定工艺。2.3 成套自动化设备开发范式工艺开发完成时可明确工艺自身适应性，要发挥激光焊接技术的优势，更多的是靠稳定的成套设备实现。一般自动化成套系统开发的首要输入即为产能及生产节拍要求，而质量及详细设计等均与工艺技术相关。工艺可行性论证完成后，率先可以为激光器选型提供依据，也决定了激光头的基础设计方案。为保证激光焊接工艺与低精度制造来料的适应性，夹具设计在保证产品关键尺寸的定位要求下，需保证来料的装配精度在工艺可覆盖范围，工艺关键控制点可为夹具设计提供重要依据。此时，系统设计可满足工艺的实现性，但要保证工艺稳定性，需要对系统的重复定位精度提出相应要求，以保证长时间焊接下，焊缝寻位及焊道跟踪的有效性。综上，成套自动化设备开发范式可总结为：激光器的选择激光头设计夹具初步设计系统重复定位精度确认系统稳定性确认。然而，成套系统的开发还需考虑到与前后道工序节拍匹配，以保证在所需产能条件下，生产配备平衡。此外，随着柔性化制造21的要求，还需要考虑数字化、智能化的设计方案，例如全自动上下料方案的设计，设备参数及工艺参数的采集分析，焊接过程的质量监控等。2.4 范式应用实例某公司在进行某中厚板结构件对接焊缝激光电弧复合焊系统开发时，遵循以上范式制定了技术路线。开发过程如图1所示。图1某中厚板结构件对接焊缝激光电弧复合焊系统开发技术开发路线及实践Fig.1Technical development route and practice of laser arc composite welding system for butt welds of a medium and thick plate structure70第 7 期王清曌：激光焊接技术导入工程机械结构件制造的范式研究实践证明，结合范式路径有效的提示了改善方向，并点明了开发过程的记录要点，有效提升了开发效率。3 基于范式的基础性工作遵循上述范式推进，可满足激光焊接技术的初步的应用需求，而要使之在工程机械行业真正成为主流制造方法，应建设完整的应用体系。以下4项基础工作应优先推进。（1）低精度加工条件下的尺寸链研究。作为产品制造的一环，激光焊接技术对于来料尺寸的需求，除了由本身的系统保证外，需配合前道工序的尺寸链分析，进一步提升来料的合格率，增强技术的适应性。（2）基于工艺标准、规范的工艺数据库建设。为保证工艺的有效应用，应建立围绕工程机械结构件接头的激光焊接评定标准，并据此储备工艺数据库，从而扩展至激光焊接技术工程应用的“人、机、料、法、环、测”体系。（3）基于组织性能参数控制的智能决策模型搭建。基于数据库，通过多种过程信息传感，采集系统建立，可建立初步的性能-参数逻辑模型。而为适应柔性制造要求，闭环的控制反馈需基于机理22与控制逻辑模型的建立。（4）结构件模块化设计。工艺设计始于产品设计。面向高效柔性的制造场景，模块化设计可大幅降低产品差异（模块统型），同时兼顾了个性选择的需求。在此基础上，成套系统的夹具设计亦可大幅简化，更利于保证稳定工艺的应用。以上基础工作，可在技术和系统开发时同步推进，实现激光技术从点应用快速推广至面覆盖。4 结论激光焊接技术与工程机械结构件制造的精度要求错位，使得技术导入需要大量地摸索。基于实践经验，从技术导入的两个层次，总结了如下范式：（1）工艺开发：确认激光功率确认引导方式解决未焊透解决背面驼峰解决气孔问题解决咬边问题确认关键控制点交付稳定工艺；（2）成套系统开发：激光器的选择激光头设计夹具初步设计系统重复定位精度确认系统稳定性确认。面向未来柔性制造，高精度的激光焊接技术的成熟应用，需要更为完善的技术体系来保障。可从尺寸链研究、标准及规范工艺库建设、决策模型建立以及结构件模块化4方面工作推进。参考文献：1 尹杰，董松金，刘言学，等.激光加工技术在工程机械制造中的应用探讨 J.工程机械，2011，42（9）：50-53.YIN J，DONG S J，LIU Y X，et al.Application Study on Laser 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