文稿：大族光子/焊接产品线/应用部 邓时累

1 项目背景

交流高压气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称“开关柜”），具有结构紧凑、操作灵活、联锁可靠等特点，广泛应用于电力系统小型二次 变电所、开闭所、箱式变电站、住宅小区、工矿企业、大型商场，特别适用于机场、地铁、铁路等对用电要求较高的场合。激光焊接技术属于高能束焊接新技术，与传统焊接相比，激光焊接的优势在于热变形小、焊缝深宽比大、精度高、易于实现自动焊接，在开关柜箱体的制造加工中得到了广泛应用。开关柜制造常用板材为3 mm及以下的不锈钢，焊接的关键是保证其气密性和强度，激光焊接此类产品时应注意避免漏焊、焊穿、未焊透、未熔合等焊接缺陷，激光焊开关柜如图1.1所示，接头形式为角接和T型接头，如图1.2所示。

图1.1 开关柜

图1.2 开关柜接头形式

大族光子激光器已在开关柜行业实现批量焊接应用，在焊接质量提升上积累了丰富经验，本文针对开关柜光纤激光焊接工艺提升进行总结分析。

2 焊接设备简介

针对开关柜焊接，大族光子提供6000W单模块激光器，该激光器具有光电转换效率高、调制频率范围宽、抗高反能力强、稳定可靠性高、加工效果好和免维护运行等突出优势，广泛应用于切割、焊接等工业加工领域，激光器如图2.1所示，激光器参数见表2.1。

图2.1 大族光子6000W激光器

表2.1 大族光子6000W激光器技术参数

开关柜焊接整机系统可采取机器人焊接形式，针对大尺寸开关柜，可采取三维五轴机床焊接形式，实现一次装夹多面焊接，设备如图2.2所示。 

图2.2三维五轴焊接机床

3 常见问题及分析

3.1开关柜焊接常见问题

开关柜焊接常见问题包括：

(1) 焊接飞溅过大，焊缝光洁度差，影响焊接质量，如图3.1(a)所示。

(2) 工件表面焊后烟尘污染严重，焊缝周边存在较多的黑色物质，如图3.1(b)所示，烟尘附着于板面影响焊缝外观且不易完全清除。

(3) 长缝连续焊接后段易出现熔不透现像, 如图3.1(c)所示，影响焊缝强度及气密性。

图3.1开关柜焊接常见问题

3.2 问题分析

（1）飞溅的产生与焊接光斑大小、焊接速度匹配相关，为减少焊接飞溅产生，可适当增大光斑并降低焊接速度，以便提高激光小孔的稳定性，从而减小焊接飞溅；焊缝光洁度与焊接气体保护密切相关，开关柜焊接为减少干涉及简化编程方式，一般采取同轴吹气保护方式，常规的同轴吹气方式保护效果不佳，造成焊缝氧化过重，影响光洁度，同时带来飞溅。

（2）光纤激光焊接不锈钢吸收率高，在焊接过程中会产生大量的烟尘（金属蒸气），如图3.2所示，大量的烟尘不仅对入射激光产生干扰形成飞溅，还极易附着于工件板面形成黑烟污染，要解决此问题，必须使烟尘得到良好的扩散，在兼顾焊接气体保护的同时，如何有效实现烟尘扩散是获得良好焊接质量的关键。

图3.2 光纤激光焊接金属蒸气及飞溅

（3）大尺寸开关柜长焊缝后段熔不透的现象与焊接头镜片的热变形有关，在进行长缝连续焊接时，焊接时间较长，焊接头内部的镜片会有一定的受热变形，镜片变形会导致焦点产生漂移使光斑变大，光斑变大后能量密度变低造成熔深变浅，焊接离焦量设置越大，焦点漂移的影响越敏感。

4 改进措施

对于上述开关柜焊接遇到的问题，问题（3）改进措施包括：一是选择抗焦漂能力好的焊接头，二是做好焊接头的防污染，三是避免采用大离焦焊接；问题（1）和问题（2）通过工艺参数优化匹配可在一定程度上进行改善，但不能从根本上解决，必须结合气流保护控制才能彻底解决，本文对此作重点阐述。

4.1 同轴保护装置优化设计

气体保护是影响焊接质量的一个重要因素，良好的气体保护不仅可以减少焊接飞溅，还可提高焊缝光洁度。常规同轴吹气保护方式如图4.1所示，焊接头最下端安装有一个单层或双层铜喷嘴，上方设置有横吹模块进行飞溅防护，喷嘴通过外接保护气向焊接熔池施加保护，该方式不足之处在于保护气易卷入空气，无法起到很好的气体保护效果。

 图4.1 常规同轴吹气保护喷嘴

针对开关柜焊接开发的同轴保护装置如图4.2所示，装置结构主要包括连接环、气腔环、上进气口（两侧对称设置）、下进气口（两侧对称设置）、环形气罩、喷嘴等，其中，喷嘴距工件板面的高度可调，环形气罩距工件板面的高度可调。

图4.2同轴保护装置

上进气口和下进气口均通入焊接保护气，气体通入后可形成多路气流，分别为排空气流、喷嘴气流和气罩气流。装置的应用原理如图4.3所示，喷嘴气流向下方喷射，对从小孔中喷射出来的蒸气羽烟在中心区域进行压制，通过抑制蒸气羽烟在激光束入射路径上的喷射高度，可减少其对激光束的干扰，提高焊缝成形的均匀性并保证焊缝熔深，同时，喷嘴气流还可对熔池局部进行气体保护，喷嘴气流压力需适中，压力过小则无法抑制蒸气羽烟的高度，入射激光束受蒸气羽烟的干扰大，熔池及小孔稳定性差；压力过大则会将蒸气羽烟压制于工件表面，造成工件表面黑色烟尘附着，影响工件清洁度，甚至造成焊缝凹陷；气罩气流从较高处喷出，具有较大的喷气面积，可较好的排除熔池周围的空气，但需要注意的是，气罩气流压力需适中，既要保证排空效果避免焊缝氧化过大，又要利于蒸气羽烟向上扩散不附着于工件。

图4.3同轴保护装置应用原理示意图

4.2 同轴保护装置气流分析

采用ansys软件对装置进行气流分析，输入较优参数进行计算，得到如图4.4所示的气流速度云图，气罩气流圆周对称，喷嘴气流速度较高，气罩气流速度较低，通过内外高低流速的配合应用，可兼顾焊接蒸气羽烟的抑制与扩散调节，避免工件板面黑色烟尘附着。

图4.4气流速度云图

图4.5所示为保护气摩尔分数云图，装置内部和气罩下方保护气均处于高浓度，无外部空气卷入，在实际应用过程中，良好的熔池气体保护，可有效提高稳定性，减少飞溅和氧化，保证焊缝光洁度。

图4.5保护气摩尔分数云图

5 焊接应用测试

采用上述焊接设备和同轴保护装置进行开关柜焊接测试，焊接效果显著提升，焊接飞溅小，焊缝表面光洁度好，工件板面无明显烟尘污染，焊接效果对比如图5.1~5.4所示。通过对中部喷嘴及环形气罩的进一步匹配调节，包括高度匹配（喷嘴距工件板面的高度以及环形气罩距工件板面的高度）和保护气流量匹配（喷嘴流量以及环形气罩流量），焊缝保护效果可达到金黄色，如图5.5所示。

图5.1焊接飞溅控制

图5.2工件表面烟尘附着控制

图5.3长焊缝正反面成形

图5.4整体焊接效果

图5.5无氧化焊接效果

 6 总结

(1) 大族光子6000W激光器可满足开关柜的高质量焊接；

(2) 良好的气体保护对焊接具有重要影响，可减少焊接飞溅和氧化，提高焊缝成形的均匀性和光洁度；

(3) 通过对蒸气羽烟进行良好的抑制和扩散，可避免工件表面焊后烟尘附着污染；

(4) 本文所述同轴保护装置，通过多路气流共同作用，可满足开关柜的高品质焊接需求。