制造焊接工藝的開發(fā)與優(yōu)化分很多階段，首先是選材與焊接接頭設計，然后是選擇焊接技術、制定焊接程序，最后是制造系統中的夾具優(yōu)化、材料處理及焊接機控制等。 

     許多系統要求可能會發(fā)生相互沖突。舉例來說，要求焊接接頭緊密固定的同時，又要求高速、低成本手動加工，又比如既要求快速焊接，同時又要求低成本、低功耗激光焊接。我們要在整個項目過程中考慮到上述問題及其它種種因素。當今的新產品層出不窮，工程設計技術飛速發(fā)展，要想在業(yè)界處于不敗之地，最好的辦法就是以盡可能低的成本實現高度的靈活性及卓越的性能。 

    在下面介紹的焊接系統開發(fā)過程中，Oberg Industries公司充分發(fā)揮其多年來在工藝與機器領域積累的專業(yè)知識與經驗，并采用具有超級調制（Super Modulation）功能的激光系統，從而開發(fā)出了一款經濟型焊接系統。 

    Oberg Industries是一家精密沖壓件制造商，主要服務于汽車、醫(yī)療及航天航空等諸多產業(yè)領域，以高精度成品部件而聞名。一家汽車領域的客戶曾告知該公司，另一家制造商提供的某種氣囊組件的焊接有質量問題。這家供應商采用傳統的鎢極氬弧焊（TIG）焊接工藝，很難確保提供必要的可靠性。 

    Oberg采用自己獨特的專業(yè)沖壓技術提高了組件的精確度與質量，但客戶還希望提供配套的完整而可靠的焊接管。于是，Oberg開始考慮采用激光技術來實現上述目的。在其位于賓夕法尼亞州匹茲堡附近的Sarver廠房中，Oberg采用低功耗脈沖YAG激光器進行了焊接試驗。Oberg的客戶對試驗結果在視覺外觀和強度方面的表現感到非常滿意，但認為整個工藝過程還是太慢。 

    因此，Oberg請GSI集團激光事業(yè)部幫忙，看看他們能否通過其應用實驗室分析提高速度的方法。GSI集團應用工程設計中心憑借其數十年的激光加工經驗，能為潛在的客戶提供高質量、低成本的方案，以便他們全心身致力于設備制造工作。就自身的要求而言Oberg需要一種不僅能支持 50毫米／秒的焊接速度，而且還能滿足最終客戶強度要求的激光源。 

    焊接管是一根厚度約為1.2毫米的1008帶孔碳鋼碎片過濾管。焊接前，先在平板上打孔，然后再讓平板形成間隙約1.5毫米的管，這樣便于進行接縫對齊與定位。這一工藝的質量標準是確保表面和底部外形良好，而且即使有超大球狀物強行通過過濾管，也不會影響焊接。制造過程中階段性進行檢測。 

    位于密歇根州Novi市的GSI集團應用實驗室的最初任務是測定原型部件的精確的激光源以及合適的焊接技術。與Oberg進行探討后發(fā)現，盡管1kW連續(xù)Nd:YAG激光器能輕松實現每秒50毫米的焊接速率，但是這樣該項目就毫無經濟性可言。從預算的角度來說，500W激光器更適用。原型部件于2006年7月焊接成功，其采用的是支持連續(xù)波（CW）與Super ModulatedTM兩種輸出的JK501SM Nd:YAG激光器。原型部件焊接試驗時，以不帶孔的實管部件為對象。為達到不同的熔透以及檢測其強度，分別采用了不同的焊接速度和參數。

Super ModulatedTM 輸出以正弦波和方波波形可提供更高的激光峰值功率，最大可達額定激光功率的兩倍，同時還能實現激光全額定平均功率。這樣，焊接速度就提高了40%，而消耗的熱量則比僅采用CW輸出降低了很多。 

    此外，Super ModulationTM 還能大幅減少焊接過程中焊接熔池上方煙塵所散射的激光能。CW輸出在焊接開始幾毫秒后會在焊接處一直產生大量的煙塵，煙塵為顆粒狀，會發(fā)生散射，從而導致光束偏離焦點，產生較大焊縫熔寬并降低熔透。 

    當采用周期性峰值正弦波或方波波形時，超級調制激光器的激光能可在煙塵量達到一定散射影響之前幾毫秒內發(fā)出。在調制低能量循環(huán)階段，煙塵量會快速降到接近零，而后激光源再通過Super ModulatedTM 輸出開始下一工作循環(huán)。不管激光功率大小或光束質量如何，都會產生該效果。CW、正弦波及方形波調制的截面圖清晰顯示了熔透的改善情況。 

    為此，Oberg選擇了最平穩(wěn)的500W CW焊接法，焊接速度為每秒50毫米，熔透達100%，采用100毫米的調焦鏡頭，焦點直徑為300m。將這些初始部件放入簡單的虎鉗中，夾到縫隙密閉，保護性氬氣體通過側噴嘴排出。 

    2006年間，隨著部件設計的進展與制造工具的推出，又進行了更多焊接測試。在所有情況下，部件都手動放入固定裝置中，再用虎鉗將其夾到縫隙密閉，激光工藝過程非常一致。 

    激光系統抵達Oberg而系統開始進行激光焊接后，在原型焊接轉型為自動化制造焊接過程中出現了一些問題。對接焊縫的縫隙由于部件位置與彈力問題出現了某些不一致性。制造固定情況下的保護氣體排放設計未經過檢測，此外焊接部件也沒有通過客戶的機械測試。為了實現適當的焊接強度，焊接速度降至每秒23毫米。 

    GSI集團應用工程設計中心對焊接結果進行了檢查，并派工程師與Oberg公司相關人員一道解決了工藝問題。結果他們發(fā)現，某些固定部件中存在縫隙，而且焊接位置的差異導致焊縫與中央定位不佳的激光焊接中能量損耗。提高調焦鏡頭的焦距可擴大焦點尺寸，從而可避免相關縫隙問題。 

    為將焊接速度提升至每秒50毫米并確保系統的經濟實用性，激光參數改為方波Super ModulationTM。這就加快了焊接速度，而且能滿足焦點尺寸擴大20%的要求。 

    為了實現足夠的焊接強度與韌度，必須優(yōu)化焊接固定設備給的保護性氬氣體排放，確保工藝過程中與冷卻過程中焊料中的含氧量極低。 

    最后為實現每秒50毫米的焊接速度，可采用方波超級調制技術，頻率為300Hz，峰值功率900W，焦點尺寸為360um，并排出保護性氬氣。使用平均功率為500W的Super ModulationTM技術使系統可彌補項目原型開發(fā)階段難以預計的縫隙差異問題，同時還能通過低成本、功耗適中的YAG激光技術同步設計部件與工藝。 

    成功實現工藝設計后，Oberg的焊接部件達到了所需強度，而功耗則比預估的還低。通過使用具有超級調制功能的500W持續(xù)波形激光器，Oberg不僅以低成本實現了必需的速度要求，而且還能確保制造工藝中的焊接速度與質量，解決所有工藝容限問題。通過采用該系統，估計 Oberg可節(jié)約約10萬美元的機械成本。 

    Oberg對上述結果非常滿意，這不僅有助于贏得新的商機，而且還能使它為新老客戶推出全新的制造工藝。