通快环网柜激光焊接技术

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文/朱磊·通快（中国）有限公司

环网柜激光焊接实际上是精密钣金制造，环网柜焊接的问题实际上是精密钣金的问题，理解了这一点，就可以从钣金工艺、焊接设备两个切入点去解决问题。

六氟化硫（以下简称“SF6”）环网柜以其优异的电气性能得到广泛应用，但因其显著的环境影响，正面临越来越严格的限制。环保气体柜则是针对这些环保挑战的一种应对方案，尽管目前技术尚在不断完善，但其低环境影响、高安全性和符合未来法规趋势的特点，使其成为环网柜发展的重要方向。

不管是SF6 环网柜，还是最新的环保气体柜，都需要通过可靠的焊接技术来保证柜体在各种严苛工况下的密封性。目前主要有两种焊接技术：气保焊和激光焊。相对气保焊，激光焊接的优势和劣势都很明显。相对于传统的气保焊技术，激光焊的技术优势在于：焊接效率高，焊接强度高（穿透性更好）。

当然通快也关注到，自动化激光焊接设备在环网柜生产中能否良好应用是一个系统问题，是对精密钣金的苛刻考验，这个问题主要包括几个方面：

⑴激光焊接对柜体的拼缝间隙要求更高（0.1mm 最佳）；⑵激光焊接工艺稳定性波动（熔深、飞溅、拐角过烧）；⑶焊缝位置检测（焊缝跟踪）的有效性边界；

⑷设备的操作难度（产品换型需要更多的编程示教时间）；⑸工装是否具有柔性（多品种小批量的生产模式需要）。

想要解决这些问题，就需要首先对问题有正确理解，没有正确的理解就没有准确的控制措施，采用激光焊接设备就很难体现出效率和品质的优越性。

在环网柜生产领域，通快为激光切割和焊接应用提供设备、夹具和应用技术。从多种焊接设备（TruLaser Cell 7000 系列五轴机床/TruLaser Weld 5000 智能激光焊接系统，以下简称“TLW5000”），再到不同的柜体组装方式（折弯件组装/平板拼装），通快向全球客户提供全面且灵活的激光焊接环网柜解决方案。

激光焊接对柜体的拼缝间隙要求更高（0.1mm 最佳）

充气柜箱体在激光焊接之前，必须用氩弧点焊的方式把各个不锈钢侧板拼接起来，然后再用激光焊保证气密性和焊接强度。

板材之间的搭接方式推荐采用外角“I”型的拼接方式。采用这样的拼接方式，板材之间的焊接横截面最大，焊接强度最大。需要注意的是要尽量保证焊缝间隙 在0.1mm 内，这是因为激光光斑直径在焦点处大约为0.4mm，且是自熔焊没有焊丝，如果板材之间的缝隙太大则会产生焊接缺陷导致强度不足和漏气风险，如图1所示。

激光焊接工艺稳定性波动（熔深、飞溅、拐角过烧）

目前，采用激光焊接工艺加工环网柜最大问题在于品质的稳定性。当稳定性发生问题时，客户的第一诉求是集成焊缝跟踪或者焊缝检测功能——这是一个值得探讨的问题，焊缝跟踪或者焊缝位置检测是解决激光焊接工艺稳定性的必要选项，但非充分选项。如上文所述，环网柜激光焊接工艺稳定性是一个精密钣金生产的系统问题。在这其中，焊接设备能否保证精确稳定的示教定位是关键之一。

一些集成设备采用简易的线光寻焦，并且通过调节机器臂来调整离焦量，粗糙的解决方案带来了粗糙的焊接质量——飞溅、气孔、裂纹、拐角过烧等焊接缺陷（图2），极大地影响了良品率，并且增加了额外的补焊工时。

采用TLW5000 智能焊接系统（图3）可以显著提升环网柜焊接工艺稳定性。这主要得益于系统内置了一整套先进的功能模块，如焊接头上搭载的视觉辅助对焦系统、电动调焦模块、BrightLine Scan 亮面扫面焊接模块等等，以及系统内建了焊接参数库，生产计划管理功能等。

为了追求极致的精准和稳定，TLW5000 放弃了通过调节机械手臂来调整焦点位置的传统做法，取而代之的是在焊接头内集成了高精马达驱动的电动调焦镜片，最小调焦单位精确到了0.1mm，配合视觉辅助对焦系统快速精准完成焦点定位，这从根本上保证了稳定的良品率，极大地减少了编程时间，降低了焊接过程中产生飞溅和裂纹的可能性，如图4 所示。

焊缝位置检测（焊缝跟踪）的有效性边界

焊缝位置检测（焊缝跟踪）的有效性边界仅限于环网柜箱体的定位偏差。对这个问题的准确理解，能让我们在生产中更高效地找到原因和解决措施。大量案例证明，焊缝位置检测（焊缝跟踪）功能并不能解决激光焊接工艺稳定性问题。我们可以明确的是环网柜密封箱体的生产场景属于精密钣金范畴，通快的经验是：焊缝位置检测（焊缝跟踪）功能的有效性边界在精密钣金生产中仅限于解决定位偏差。

在焊前切割、折弯、点拼的每一个钣金加工环节以及焊中的热输入所累积的钣金变形（热变形和钣金加工物理变形）都可能导致焊缝扭曲和焊缝间隙波动，而这些问题是很难用焊缝位置检测（焊缝跟踪）完美解决的。环网柜焊接工艺稳定性波动成因分类和解决措施如图5 所示。

为了弥补定位误差，通常会采用传感器对产品位置进行检测和再定位。常见的焊缝检测方式有在线跟踪和离线检测两种。在焊缝检测的技术路线上，通快的TLC 三维五轴机床和TLW5000 设备都采用了离线检测的方式。相对于在线跟踪，离线检测不受焊接过程的高强度弧光影响，检测稳定性更好，并且不会在焊接过程中增加算力负载，焊接速度更快。不同的是实现离线检测的物理手段。TLC 三维五轴机床采用了探针测量，而TLW5000 采用TeachLine 视觉测量系统。

TeachLine 视觉测量系统是TLW5000 设备上的专利功能，搭载该功能可以简单快速地设置焊缝检测程序，结合TruTops Weld 离线编程软件（TLW500 专利功能），甚至可以在离线编程时就实现焊缝检测程序设置（图6）。

设备的操作难度（产品换型需要更多的编程示教时间）

有激光焊接设备使用经验的用户一定有类似体会：生产中最怕的就是换型，一个新箱型一次编程和示教的时间需要几个小时到一天的时间，加上参数的调试和反复的示教，新箱型投产往往需要两天以上才能勉强保证工艺稳定。

这很好理解，激光焊接设备就像一个功能复杂的玩具，每一个功能的熟练掌握都需要技术专家持续的现场支持。而使用TLW5000 就不需要担心这些问题，因为TLW5000 本身就是专家，内置的多项功能（TeachLine、视觉辅助对焦、电动调焦、BrighLine Scan 等）已经深度集成入通快专利的Touchpoint HMI界面，普通工人只需5 天标准培训即可掌握操作，投产一个新箱型只需要2 小时。

如果想要进一步简化操作，通快还针对TLW5000 系统开发了专用的离线编程软件TruTops Weld，可以在电脑上直接生成焊接程序（注意是焊接程序，不只是机器人运动轨迹），导入TLW5000 后，人工示教或者通过TeachLine 进行位置纠偏，即可快速投入生产（图7）。

简而言之，TLW5000 是一套持续开发了超过20 年的智能激光焊接系统，这套系统的特点是：能够实施灵活柔性且高质量的钣金生产。

工装是否具有柔性（多品种小批量的生产模式需要）

柔性工装的基础建立在变位机上。在环网柜激光焊接应用中，有两种形式的变位机（图8）：头尾架式垂直翻转变位机和水平旋转变位机。

相对于头尾架式变位机，水平旋转变位机可以更方便地兼容环网柜和充气柜多种产品；也可以集成多种上料形式如手推车、传送轨道、吊装等。此外也是最重要的，水平旋转变位机既可以兼容通快设计的专用柔性工装，也可以兼容通用工装。

通快设计的专用柔性工装是一套可以适应多种产品规格的灵活方案，工装以产品底座的形式与产品连接并跟随产品一起流转。这样的好处是工装的成本低，可复制性强。柔性工装底座实物图见图9，设计图见图10。

以某客户案例为例，针对环网柜和充气柜两大类产品，通快提供了两套合计四件柔性工装底座，可以兼容约10 种尺寸规格。环网柜激光焊接的核心是精密钣金制造，通快提供从设备到工艺的完整解决方案。

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