在一臺生產(chǎn)設(shè)備上同時進(jìn)行激光切割和激光焊接加工已經(jīng)成為可能，兩種加工可以由一個組合頭來完成，雙重功能通過一個獨(dú)立的噴嘴實(shí)現(xiàn)，這種集合式激光作業(yè)可以縮短工藝鏈，顯著降低生產(chǎn)成本。 板材產(chǎn)品（如汽車部件）都要經(jīng)過不同的加工設(shè)備進(jìn)行切割和焊接加工，板材部件要按照切割、連接和焊接的步驟進(jìn)行加工?，F(xiàn)在，我們可以在一臺生產(chǎn)設(shè)備上同時進(jìn)行切割和焊接加工了，這種集合式的激光作業(yè)可以縮短工藝鏈，顯著降低生產(chǎn)成本并且可以更加靈活地進(jìn)行生產(chǎn)。 節(jié)約50%以上的成本 亞琛的Laserfac公司提供了一種解決方案，無需更換刀具的激光切割和焊接組合頭（圖1），它可以在1s內(nèi)自動在切割和焊接之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在投資、安裝面積、運(yùn)行和邏輯組件等方面可以節(jié)約50%甚至更多的成本。由于集合式激光作業(yè)提高了生產(chǎn)的精確性，從而也改進(jìn)了產(chǎn)品的質(zhì)量。有序更換產(chǎn)生的傳統(tǒng)工藝鏈問題，由于恒定的Tool-Center-Point(TCP)、組合頭和能夠在一個夾緊架上進(jìn)行切割和焊接而解決。 圖1 工業(yè)機(jī)器人采用Laserfact組合頭后，成為了萬能3D切割和焊接系統(tǒng)特別是在生產(chǎn)非線性坯料時，由于薄板坯預(yù)制時精確度不夠，會導(dǎo)致邊緣連接時產(chǎn)生縫隙。這種情況對預(yù)制成本后面的工序和接縫測量的要求都很高，甚至還需要添加劑。在這個情況下，就為使用組合頭進(jìn)行集合式切割和焊接提供了新的前景。組合頭能夠進(jìn)行精確的切割和可靠的焊接，而且不用更換刀具，也不用為后續(xù)的探測設(shè)備生產(chǎn)適配用的板材部件。 為了制造演示樣品，Laserfact公司使用了F2-Y組合頭，它是在亞琛Frauenhofer激光技術(shù)研究所（ILT）研發(fā)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。ILT研發(fā)的一種獨(dú)立噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)組合頭的雙重功能，允許激光射流和工藝氣流同軸安裝，組合頭具有光控和氣動斷聯(lián)功能。雖然噴嘴系統(tǒng)的壓力負(fù)荷高達(dá)30bar（這個壓力對于工作頭的切割功能非常重要），但不需要使用耐高壓的光學(xué)鏡組，從而可以集中精力使設(shè)計(jì)達(dá)到光學(xué)性能的最佳。 工業(yè)版本的工作頭具有一個集合式封裝的鏡組模塊，帶有保護(hù)氣體和聚焦的快速轉(zhuǎn)換裝置。在獨(dú)立噴嘴和保護(hù)氣體窗之間，一個多道橫流噴射模塊可以有效保護(hù)鏡組。同樣，集裝的動力Z軸驅(qū)動用于間隔調(diào)節(jié)。為了測試生產(chǎn)，一個4kW的纖維激光（芯直徑50μm）作為射流源由IPG借助一個工藝?yán)w維（芯直徑100μm）與組合頭連接，工作頭本身用連接法蘭安裝在一個6軸曲臂機(jī)器人上，樣品部件是用兩塊不同的鍍鋅車身鋼制造的，分別厚1mm和1.2mm。 對薄板的加工 首先，用相同的輪廓激光（功率1.5kW, 速度8m/min）切割兩塊橫向?qū)p放置在線性滑板上的可推動薄板坯。然后，將之前切割的兩組薄板互換，并將兩塊板以同樣的軌跡再焊接到一起（功率2.2kW, 速度8m/min）（圖2），最后在焊接好的坯料上切割出兩個相互對應(yīng)的長孔。 圖2 激光加工頭可以在切割（左）和焊接之間自動切換即使是非線性輪廓的切割和焊縫，集合生產(chǎn)也可以提供優(yōu)質(zhì)的切割和焊縫（圖3）。特別是無需焊縫跟蹤系統(tǒng)就能準(zhǔn)確找到焊接軌跡，因?yàn)闄C(jī)器的坐標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)通過之前的激光切割記憶了焊縫的位置和走向，因此焊接軌跡可以很容易地再現(xiàn)。焊接質(zhì)量符合最嚴(yán)格的汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（圖4）。 圖3 用組合頭進(jìn)行集合式激光切割和焊接加工的非線性坯料示例焊接后還可以在同一個緊固架上對板材進(jìn)行優(yōu)化、打孔、連續(xù)沖切和切邊，提高了生產(chǎn)的靈活性，能夠更加經(jīng)濟(jì)地增加產(chǎn)品的品種。之后的沖切能夠忽略焊縫并且生產(chǎn)出很精確的部件。對坯料進(jìn)行集合式生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上特別適合中小批量的加工生產(chǎn)。鑒于當(dāng)今激光技術(shù)出色的射流質(zhì)量，取得的切割速度和車身鋼越來越堅(jiān)固，機(jī)械切割方法正在不斷被淘汰。 圖4 用組合頭制造的坯料焊縫橫切面Laserfact作為參展商在2007慕尼黑激光工業(yè)展覽會Frauenhofer協(xié)會的展臺上展示了第一臺組合頭。除了已經(jīng)描述過的固體激光，Laserfact還有專門為CO2激光研發(fā)了新型水冷卻鏡組。 降低設(shè)備費(fèi)用 Frauenhofer ILT和Laserfact在機(jī)械加工領(lǐng)域里憑借著新工藝和新產(chǎn)品，擁有了很廣闊的市場前景。多功能生產(chǎn)組激光技術(shù)用于板材組件的生產(chǎn)中，由于顯著改進(jìn)了裝料可用性，以及設(shè)備的再配置，降低了設(shè)備的使用費(fèi)用和工藝的停頓時間。多功能制造為那些迄今為止由于成本原因不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的以及型號種類繁多的產(chǎn)品創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)條件，而且還能滿足未來現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的要求。 為了能夠持續(xù)利用組合頭多功能激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，必須考慮迄今為止的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，如汽車制造。因?yàn)樗墙⒃趥鹘y(tǒng)工藝鏈所局限的可能性上，直接在焊接工藝前進(jìn)行精確的縫邊預(yù)制，以及在部件焊接之后的切割工序，如準(zhǔn)確的設(shè)置，孔的尺寸選擇、功能、連接邊的精確切割，以及切除焊接后的安裝、緊固和支撐等。在精確性、功能性和輕型結(jié)構(gòu)方面都能夠進(jìn)行最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。