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文稿：大族光子/焊接產品線/應用部 鄧時累

1 項目背景

交流高壓氣體絕緣金屬封閉開關設備（以下簡稱“開關柜”），具有結構緊湊、操作靈活、聯鎖可靠等特點，廣泛應用于電力系統小型二次 變電所、開閉所、箱式變電站、住宅小區、工礦企業、大型商場，特別適用于機場、地鐵、鐵路等對用電要求較高的場合。激光焊接技術屬于高能束焊接新技術，與傳統焊接相比，激光焊接的優勢在于熱變形小、焊縫深寬比大、精度高、易于實現自動焊接，在開關柜箱體的制造加工中得到了廣泛應用。開關柜制造常用板材為3 mm及以下的不銹鋼，焊接的關鍵是保證其氣密性和強度，激光焊接此類產品時應注意避免漏焊、焊穿、未焊透、未熔合等焊接缺陷，激光焊開關柜如圖1.1所示，接頭形式為角接和T型接頭，如圖1.2所示。

圖1.1 開關柜

圖1.2 開關柜接頭形式

大族光子激光器已在開關柜行業實現批量焊接應用，在焊接質量提升上積累了豐富經驗，本文針對開關柜光纖激光焊接工藝提升進行總結分析。

2 焊接設備簡介

針對開關柜焊接，大族光子提供6000W單模塊激光器，該激光器具有光電轉換效率高、調制頻率范圍寬、抗高反能力強、穩定可靠性高、加工效果好和免維護運行等突出優勢，廣泛應用于切割、焊接等工業加工領域，激光器如圖2.1所示，激光器參數見表2.1。

圖2.1 大族光子6000W激光器

表2.1 大族光子6000W激光器技術參數

開關柜焊接整機系統可采取機器人焊接形式，針對大尺寸開關柜，可采取三維五軸機床焊接形式，實現一次裝夾多面焊接，設備如圖2.2所示。 

圖2.2三維五軸焊接機床

3 常見問題及分析

3.1開關柜焊接常見問題

開關柜焊接常見問題包括：

(1) 焊接飛濺過大，焊縫光潔度差，影響焊接質量，如圖3.1(a)所示。

(2) 工件表面焊后煙塵污染嚴重，焊縫周邊存在較多的黑色物質，如圖3.1(b)所示，煙塵附著于板面影響焊縫外觀且不易完全清除。

(3) 長縫連續焊接后段易出現熔不透現像, 如圖3.1(c)所示，影響焊縫強度及氣密性。

圖3.1開關柜焊接常見問題

3.2 問題分析

（1）飛濺的產生與焊接光斑大小、焊接速度匹配相關，為減少焊接飛濺產生，可適當增大光斑并降低焊接速度，以便提高激光小孔的穩定性，從而減小焊接飛濺；焊縫光潔度與焊接氣體保護密切相關，開關柜焊接為減少干涉及簡化編程方式，一般采取同軸吹氣保護方式，常規的同軸吹氣方式保護效果不佳，造成焊縫氧化過重，影響光潔度，同時帶來飛濺。

（2）光纖激光焊接不銹鋼吸收率高，在焊接過程中會產生大量的煙塵（金屬蒸氣），如圖3.2所示，大量的煙塵不僅對入射激光產生干擾形成飛濺，還極易附著于工件板面形成黑煙污染，要解決此問題，必須使煙塵得到良好的擴散，在兼顧焊接氣體保護的同時，如何有效實現煙塵擴散是獲得良好焊接質量的關鍵。

圖3.2 光纖激光焊接金屬蒸氣及飛濺

（3）大尺寸開關柜長焊縫后段熔不透的現象與焊接頭鏡片的熱變形有關，在進行長縫連續焊接時，焊接時間較長，焊接頭內部的鏡片會有一定的受熱變形，鏡片變形會導致焦點產生漂移使光斑變大，光斑變大后能量密度變低造成熔深變淺，焊接離焦量設置越大，焦點漂移的影響越敏感。

4 改進措施

對于上述開關柜焊接遇到的問題，問題（3）改進措施包括：一是選擇抗焦漂能力好的焊接頭，二是做好焊接頭的防污染，三是避免采用大離焦焊接；問題（1）和問題（2）通過工藝參數優化匹配可在一定程度上進行改善，但不能從根本上解決，必須結合氣流保護控制才能徹底解決，本文對此作重點闡述。

4.1 同軸保護裝置優化設計

氣體保護是影響焊接質量的一個重要因素，良好的氣體保護不僅可以減少焊接飛濺，還可提高焊縫光潔度。常規同軸吹氣保護方式如圖4.1所示，焊接頭最下端安裝有一個單層或雙層銅噴嘴，上方設置有橫吹模塊進行飛濺防護，噴嘴通過外接保護氣向焊接熔池施加保護，該方式不足之處在于保護氣易卷入空氣，無法起到很好的氣體保護效果。

 圖4.1 常規同軸吹氣保護噴嘴

針對開關柜焊接開發的同軸保護裝置如圖4.2所示，裝置結構主要包括連接環、氣腔環、上進氣口（兩側對稱設置）、下進氣口（兩側對稱設置）、環形氣罩、噴嘴等，其中，噴嘴距工件板面的高度可調，環形氣罩距工件板面的高度可調。

圖4.2同軸保護裝置

上進氣口和下進氣口均通入焊接保護氣，氣體通入后可形成多路氣流，分別為排空氣流、噴嘴氣流和氣罩氣流。裝置的應用原理如圖4.3所示，噴嘴氣流向下方噴射，對從小孔中噴射出來的蒸氣羽煙在中心區域進行壓制，通過抑制蒸氣羽煙在激光束入射路徑上的噴射高度，可減少其對激光束的干擾，提高焊縫成形的均勻性并保證焊縫熔深，同時，噴嘴氣流還可對熔池局部進行氣體保護，噴嘴氣流壓力需適中，壓力過小則無法抑制蒸氣羽煙的高度，入射激光束受蒸氣羽煙的干擾大，熔池及小孔穩定性差；壓力過大則會將蒸氣羽煙壓制于工件表面，造成工件表面黑色煙塵附著，影響工件清潔度，甚至造成焊縫凹陷；氣罩氣流從較高處噴出，具有較大的噴氣面積，可較好的排除熔池周圍的空氣，但需要注意的是，氣罩氣流壓力需適中，既要保證排空效果避免焊縫氧化過大，又要利于蒸氣羽煙向上擴散不附著于工件。

圖4.3同軸保護裝置應用原理示意圖

4.2 同軸保護裝置氣流分析

采用ansys軟件對裝置進行氣流分析，輸入較優參數進行計算，得到如圖4.4所示的氣流速度云圖，氣罩氣流圓周對稱，噴嘴氣流速度較高，氣罩氣流速度較低，通過內外高低流速的配合應用，可兼顧焊接蒸氣羽煙的抑制與擴散調節，避免工件板面黑色煙塵附著。

圖4.4氣流速度云圖

圖4.5所示為保護氣摩爾分數云圖，裝置內部和氣罩下方保護氣均處于高濃度，無外部空氣卷入，在實際應用過程中，良好的熔池氣體保護，可有效提高穩定性，減少飛濺和氧化，保證焊縫光潔度。

圖4.5保護氣摩爾分數云圖

5 焊接應用測試

采用上述焊接設備和同軸保護裝置進行開關柜焊接測試，焊接效果顯著提升，焊接飛濺小，焊縫表面光潔度好，工件板面無明顯煙塵污染，焊接效果對比如圖5.1~5.4所示。通過對中部噴嘴及環形氣罩的進一步匹配調節，包括高度匹配（噴嘴距工件板面的高度以及環形氣罩距工件板面的高度）和保護氣流量匹配（噴嘴流量以及環形氣罩流量），焊縫保護效果可達到金黃色，如圖5.5所示。

圖5.1焊接飛濺控制

圖5.2工件表面煙塵附著控制

圖5.3長焊縫正反面成形

圖5.4整體焊接效果

圖5.5無氧化焊接效果

 6 總結

(1) 大族光子6000W激光器可滿足開關柜的高質量焊接；

(2) 良好的氣體保護對焊接具有重要影響，可減少焊接飛濺和氧化，提高焊縫成形的均勻性和光潔度；

(3) 通過對蒸氣羽煙進行良好的抑制和擴散，可避免工件表面焊后煙塵附著污染；

(4) 本文所述同軸保護裝置，通過多路氣流共同作用，可滿足開關柜的高品質焊接需求。