激光焊接应用-工装夹具设计的重要性
激光焊接应用-工装夹具的设计至关重要，激光焊接已经彻底改变了制造业的格局，实现了医疗器械、汽车、航空航天以及不断增长的电池和电动汽车等不同行业所需要的复杂组件的精确高效连接。虽然激光对实现顶级焊接至关重要，但是焊接过程中使用的夹具设计的重要性，再怎么强调也不为过。精心制作的夹具堪称焊接过程的支柱，能够确保焊接的稳定性、可重复性，并最终保障焊接操作的成功。
在夹具设计中，必须精心实现以下几种基本功能，以便充分发挥激光焊接的全部潜力：易于装载/卸载；确保焊接零件之间的紧密接触；保持一致的夹具配准和部件公差；通过工业相机为激光焊接和对准验证提供清晰的视线。
在夹具设计中，忽视上述这些功能很可能导致焊接质量不合格、出现早期故障甚至是重大生产问题。图1中显示了工件间隙将会影响焊接效果。
图2：托盘化夹具放置在激光焊接工具中。
例如，在医疗器械制造场景中，微小而复杂的部件必须使用激光进行焊接。在这种情况下，夹具设计不当会使操作员难以准确定位这些精密零件。在许多情况下，夹具选择可能涉及机器人操作，以便一次将组件组装在一起。从某种程度上讲，这会延长组装过程并增加损坏部件的风险。相比之下，能够实现快速精确加载/卸载（手动或自动）零部件的夹具，可以确保焊接过程保持高效，从而最大限度地减少操作员错误，并最大限度地提高生产率。
确保最佳的零件接触
实现高质量的焊接需要待连接工件之间保持最佳接触。工件之间的间隙或错位可能导致焊接质量不合格，从而影响最终产品的结构完整性和可靠性。这一要求在安全和性能至关重要的航空航天和电动汽车行业尤为重要。
在图1中，显示了两个航空航天领域的两个关键部件之间，由于夹具设计不足，导致部件之间存在微小间隙。当这些部件暴露在严格的飞行条件下时，这些间隙可能引发应力集中，导致部件过早失效。在电动汽车行业，电池组是使用激光焊接组装的，部件中的任何间隙或错位都会影响电池的整体性能和寿命，可能导致成本高昂的召回。这些间隙也会导致失效模式，即焊缝会承受应力，并随着时间的推移最终导致焊缝失效。此外，这种间隙也很容易积聚氧化物和污染物，导致焊缝从背面进一步氧化。
一致的配准和公差
保持部件之间的一致配准和紧密公差，是设计良好夹具的另一个关键功能。在医疗器械和汽车等关键的精密行业，即使是微小的对准变化也会导致不可接受的产品偏差，进而增加废品率。夹具必须确保零部件在整个焊接过程中牢牢地固定在其预期位置。公差在夹具和零部件中都起着至关重要的作用。
不可接受的部件公差叠加，可能导致部件错位、零件间隙、夹具内元件夹紧过度或不足，以及激光焊接过程的整体效率问题。值得注意的是，可能需要各种夹具，并且这些夹具的设置变得至关重要；不需要沉重的夹紧，只需要轻微的预加载即可将零部件保持在固定位置，并将整个夹具固定到位。图3显示了托盘化夹具的典型夹紧情况。
图3：一种典型的杠杆夹具，用于将托盘夹具固定到位；托盘夹具上预装有待焊部件并在外部组装
无障碍视线和相机对准验证
在基于激光的焊接应用中，必须保持激光束的无障碍路径，这也是实现精密焊接的关键。对于各种现成的光学焊接头，制造工程师需要了解聚焦头内透镜的激光束输出特性。聚焦透镜处接收的准直光束直径、锥角输出、聚焦透镜的工作距离以及目标上的光斑尺寸，都在焊接过程中的激光与材料的相互作用中起着至关重要的作用。
一旦建立了焊接参数，就可以将初始测试参数带到激光机床上。夹具的设计必须考虑适当激光焊接的几个因素，包括喷嘴气体压力、喷嘴端部尺寸、被焊接材料的反射率、激光束焊接的角度以消除背反射，以及观察到的视觉对准验证以确保焊接过程的准确性。
固定装置必须为激光束到达焊接区提供清晰的通道，并使操作员能够通过工业相机或其他机器视觉光学系统验证部件的对准情况。还必须要有能够确保焊接飞溅物喷出的开口，并且能够容易地清洁这些开口。图4中显示了一个典型窗口的图像，以及随着时间的推移，它可能会受到污染，需要进行维护和清洁。
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例如，在汽车行业，在车辆底盘的有限空间内焊接复杂的部件需要固定装置，使激光束能够无障碍地到达每个焊接接头。此外，使用工业相机或视觉系统对于验证部件的对准和确保焊接过程正常进行至关重要。由焊接角度和定位引起的狭窄焊接区或障碍物，可能会导致部分激光束堵塞，导致焊接性能不佳，并可能因这种阴影而无法焊接。
忽视激光焊接夹具设计的后果
在夹具设计中忽略上述这些关键功能中的任何一个，都可能产生重大后果。零件公差不匹配、夹紧不良导致的零件之间的间隙、部件配准松动、视觉照明不足或激光束阻碍，都可能导致焊接质量不佳和产品故障。这些故障不仅会导致昂贵的返工和潜在的召回，而且会影响制造商的安全和财务状况。
小结
夹具设计是医疗器械、汽车、航空航天和电动汽车等行业的激光焊接应用中不可或缺的一部分。为了实现精确焊接所需要的稳定性和可重复性，夹具必须具备以下基本功能：易于加载/卸载、确保最佳零件接触、保持一致的夹具配准和部件公差，以及为激光焊接和对准验证提供畅通无阻的路径。忽略这些功能可能导致焊接质量不合格和高昂的生产成本。
随着这些行业不断突破创新边界，夹具设计在激光焊接中的作用仍然不可或缺。制造商必须认识到精心设计的固定装置的重要性，并对其开发进行投资，以确保其产品在竞争日益激烈的市场中，以优异的质量和可靠性取得成功。
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