文/朱磊·通快（中國）有限公司
環網柜激光焊接實際上是精密鈑金制造，環網柜焊接的問題實際上是精密鈑金的問題，理解了這一點，就可以從鈑金工藝、焊接設備兩個切入點去解決問題。
六氟化硫（以下簡稱“SF6”）環網柜以其優異的電氣性能得到廣泛應用，但因其顯著的環境影響，正面臨越來越嚴格的限制。環保氣體柜則是針對這些環保挑戰的一種應對方案，盡管目前技術尚在不斷完善，但其低環境影響、高安全性和符合未來法規趨勢的特點，使其成為環網柜發展的重要方向。
不管是SF6 環網柜，還是最新的環保氣體柜，都需要通過可靠的焊接技術來保證柜體在各種嚴苛工況下的密封性。目前主要有兩種焊接技術：氣保焊和激光焊。相對氣保焊，激光焊接的優勢和劣勢都很明顯。相對于傳統的氣保焊技術，激光焊的技術優勢在于：焊接效率高，焊接強度高（穿透性更好）。
當然通快也關注到，自動化激光焊接設備在環網柜生產中能否良好應用是一個系統問題，是對精密鈑金的苛刻考驗，這個問題主要包括幾個方面：
⑴激光焊接對柜體的拼縫間隙要求更高（0.1mm 最佳）；⑵激光焊接工藝穩定性波動（熔深、飛濺、拐角過燒）；⑶焊縫位置檢測（焊縫跟蹤）的有效性邊界；
⑷設備的操作難度（產品換型需要更多的編程示教時間）；⑸工裝是否具有柔性（多品種小批量的生產模式需要）。
想要解決這些問題，就需要首先對問題有正確理解，沒有正確的理解就沒有準確的控制措施，采用激光焊接設備就很難體現出效率和品質的優越性。
在環網柜生產領域，通快為激光切割和焊接應用提供設備、夾具和應用技術。從多種焊接設備（TruLaser Cell 7000 系列五軸機床/TruLaser Weld 5000 智能激光焊接系統，以下簡稱“TLW5000”），再到不同的柜體組裝方式（折彎件組裝/平板拼裝），通快向全球客戶提供全面且靈活的激光焊接環網柜解決方案。
激光焊接對柜體的拼縫間隙要求更高（0.1mm 最佳）
充氣柜箱體在激光焊接之前，必須用氬弧點焊的方式把各個不銹鋼側板拼接起來，然后再用激光焊保證氣密性和焊接強度。
板材之間的搭接方式推薦采用外角“I”型的拼接方式。采用這樣的拼接方式，板材之間的焊接橫截面最大，焊接強度最大。需要注意的是要盡量保證焊縫間隙 在0.1mm 內，這是因為激光光斑直徑在焦點處大約為0.4mm，且是自熔焊沒有焊絲，如果板材之間的縫隙太大則會產生焊接缺陷導致強度不足和漏氣風險，如圖1所示。
圖1 當拼縫間隙達到0.5mm 時，焊縫會有輕微塌陷并向內收縮
（功率：3800W，速度：3m/min，設備：TLW5000）
激光焊接工藝穩定性波動（熔深、飛濺、拐角過燒）
目前，采用激光焊接工藝加工環網柜最大問題在于品質的穩定性。當穩定性發生問題時，客戶的第一訴求是集成焊縫跟蹤或者焊縫檢測功能——這是一個值得探討的問題，焊縫跟蹤或者焊縫位置檢測是解決激光焊接工藝穩定性的必要選項，但非充分選項。如上文所述，環網柜激光焊接工藝穩定性是一個精密鈑金生產的系統問題。在這其中，焊接設備能否保證精確穩定的示教定位是關鍵之一。
一些集成設備采用簡易的線光尋焦，并且通過調節機器臂來調整離焦量，粗糙的解決方案帶來了粗糙的焊接質量——飛濺、氣孔、裂紋、拐角過燒等焊接缺陷（圖2），極大地影響了良品率，并且增加了額外的補焊工時。
圖2 焊接缺陷
采用TLW5000 智能焊接系統（圖3）可以顯著提升環網柜焊接工藝穩定性。這主要得益于系統內置了一整套先進的功能模塊，如焊接頭上搭載的視覺輔助對焦系統、電動調焦模塊、BrightLine Scan 亮面掃面焊接模塊等等，以及系統內建了焊接參數庫，生產計劃管理功能等。
圖3 TLW5000 智能焊接系統
為了追求極致的精準和穩定，TLW5000 放棄了通過調節機械手臂來調整焦點位置的傳統做法，取而代之的是在焊接頭內集成了高精馬達驅動的電動調焦鏡片，最小調焦單位精確到了0.1mm，配合視覺輔助對焦系統快速精準完成焦點定位，這從根本上保證了穩定的良品率，極大地減少了編程時間，降低了焊接過程中產生飛濺和裂紋的可能性，如圖4 所示。
圖4 使用TLW5000 生產的氣箱飛濺少，熔深穩定，拐角不過燒（無需補焊）
焊縫位置檢測（焊縫跟蹤）的有效性邊界
焊縫位置檢測（焊縫跟蹤）的有效性邊界僅限于環網柜箱體的定位偏差。對這個問題的準確理解，能讓我們在生產中更高效地找到原因和解決措施。大量案例證明，焊縫位置檢測（焊縫跟蹤）功能并不能解決激光焊接工藝穩定性問題。我們可以明確的是環網柜密封箱體的生產場景屬于精密鈑金范疇，通快的經驗是：焊縫位置檢測（焊縫跟蹤）功能的有效性邊界在精密鈑金生產中僅限于解決定位偏差。
在焊前切割、折彎、點拼的每一個鈑金加工環節以及焊中的熱輸入所累積的鈑金變形（熱變形和鈑金加工物理變形）都可能導致焊縫扭曲和焊縫間隙波動，而這些問題是很難用焊縫位置檢測（焊縫跟蹤）完美解決的。環網柜焊接工藝穩定性波動成因分類和解決措施如圖5 所示。
圖5 環網柜焊接工藝穩定性波動成因分類和解決措施
為了彌補定位誤差，通常會采用傳感器對產品位置進行檢測和再定位。常見的焊縫檢測方式有在線跟蹤和離線檢測兩種。在焊縫檢測的技術路線上，通快的TLC 三維五軸機床和TLW5000 設備都采用了離線檢測的方式。相對于在線跟蹤，離線檢測不受焊接過程的高強度弧光影響，檢測穩定性更好，并且不會在焊接過程中增加算力負載，焊接速度更快。不同的是實現離線檢測的物理手段。TLC 三維五軸機床采用了探針測量，而TLW5000 采用TeachLine 視覺測量系統。
TeachLine 視覺測量系統是TLW5000 設備上的專利功能，搭載該功能可以簡單快速地設置焊縫檢測程序，結合TruTops Weld 離線編程軟件（TLW500 專利功能），甚至可以在離線編程時就實現焊縫檢測程序設置（圖6）。
圖6 TeachLine 離線檢測功能設置步驟
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設備的操作難度（產品換型需要更多的編程示教時間）
有激光焊接設備使用經驗的用戶一定有類似體會：生產中最怕的就是換型，一個新箱型一次編程和示教的時間需要幾個小時到一天的時間，加上參數的調試和反復的示教，新箱型投產往往需要兩天以上才能勉強保證工藝穩定。
這很好理解，激光焊接設備就像一個功能復雜的玩具，每一個功能的熟練掌握都需要技術專家持續的現場支持。而使用TLW5000 就不需要擔心這些問題，因為TLW5000 本身就是專家，內置的多項功能（TeachLine、視覺輔助對焦、電動調焦、BrighLine Scan 等）已經深度集成入通快專利的Touchpoint HMI界面，普通工人只需5 天標準培訓即可掌握操作，投產一個新箱型只需要2 小時。
如果想要進一步簡化操作，通快還針對TLW5000 系統開發了專用的離線編程軟件TruTops Weld，可以在電腦上直接生成焊接程序（注意是焊接程序，不只是機器人運動軌跡），導入TLW5000 后，人工示教或者通過TeachLine 進行位置糾偏，即可快速投入生產（圖7）。
圖7 TruTops Weld 離線編程軟件設置步驟
簡而言之，TLW5000 是一套持續開發了超過20 年的智能激光焊接系統，這套系統的特點是：能夠實施靈活柔性且高質量的鈑金生產。
工裝是否具有柔性（多品種小批量的生產模式需要）
柔性工裝的基礎建立在變位機上。在環網柜激光焊接應用中，有兩種形式的變位機（圖8）：頭尾架式垂直翻轉變位機和水平旋轉變位機。
圖8 兩種形式的變位機
相對于頭尾架式變位機，水平旋轉變位機可以更方便地兼容環網柜和充氣柜多種產品；也可以集成多種上料形式如手推車、傳送軌道、吊裝等。此外也是最重要的，水平旋轉變位機既可以兼容通快設計的專用柔性工裝，也可以兼容通用工裝。
通快設計的專用柔性工裝是一套可以適應多種產品規格的靈活方案，工裝以產品底座的形式與產品連接并跟隨產品一起流轉。這樣的好處是工裝的成本低，可復制性強。柔性工裝底座實物圖見圖9，設計圖見圖10。
圖9 柔性工裝底座實物圖
圖10 柔性工裝底座設計圖
以某客戶案例為例，針對環網柜和充氣柜兩大類產品，通快提供了兩套合計四件柔性工裝底座，可以兼容約10 種尺寸規格。環網柜激光焊接的核心是精密鈑金制造，通快提供從設備到工藝的完整解決方案。
