光纤激光机器人焊接系统在高尔夫球杆制造中的应用

随着高尔夫运动爱好者的不断增加，高尔夫球具制造商客户发现：有些新的高尔夫运动爱好者球龄有限，但希望通过一套合适的高尔夫球具，获得更好的击球体验。比如：①想打出高弹道的球友。②可以流畅挥杆的女性球友。③想通过杆身简单将球击远的球友。④会向右弯，想打出稍微直一点的球友。

同时还发现一批高尔夫球赛竞技者们对高性能球具的渴望，他们追求卓越的运动体验。比如：①挥杆更精准、距离更远。②挥打更轻松，超爽击球声音。

想要实现这些球友的需求，除了在制造高尔夫球头的过程中采用更好的材料，高尔夫球头焊接的质量也非常重要。如果高尔夫球头的焊接质量不理想，那么无论裂纹或不规则有多小，都会有以下影响：①焊缝一致性和高尔夫球杆的反弹系数。②击球时会产生不正常的声音或振动。③产品在市场上的失败。

反弹系数，指的是杆头的反弹值，是高尔夫球杆的重要衡量标准。国际高尔夫赛事中对反弹系数有标准要求，参赛者的高尔夫球杆的反弹系数必须在允许的范围之内，系数大，击球距离就远，系数小，击球的距离就近。

球手对自己打的球好坏的判断，很大程度上受到了击球声音的影响。好的球杆球头击球的声音产生的是一种响亮的、爆炸性的、人人侧目的声效。球手会觉得自己狠狠地把球击了出去，绝对是极好的精神鼓励。击球声音实际上与高尔夫球杆球头使用的材料有关。同等大小、杆头壁同样厚的钢制杆头和钛合金杆头相比较，钢制杆头的声音要更脆更响。然而钛合金强度大、重量轻，使杆头壁更薄、杆头更大，声音也随之更响。实际上，击球声音与球头的反弹系数有很大的相关性。

高端高尔夫球具制造商客户为了保持其在行业中的领先地位和提高知名球手，以及高尔夫发烧友等终端消费者的忠诚度，在不断改进球杆设计的同时，对合作伙伴科盈提出了更高的制造工艺水平要求。为了给客户提供最合适的解决方案，科盈对其常用的TIG、等离子焊接工艺，与新采用的激光焊接工艺进行了比较。

传统的手工TIG焊接工艺

TIG焊接速度较慢，且热输入比其他焊接方式大很多，热影响区大，易产生变形，一般焊缝宽度在6～8mm，焊接前的装备间隙不高，有2～3mm甚至是4mm，完全靠手工焊接起来。这样的焊接工艺使得球头的反弹系数较小，所以球头打击的准确性、声音清脆程度、打击的距离都较为一般，而且产品的一致性差，品质不稳定。

Plasma等离子焊接工艺

等离子焊接工艺与TIG焊接类似，但其焊枪内部会产生压缩电弧，以提高弧温和能量密度，它比TIG焊接速度快、熔深大，但与激光焊接相比速度慢、熔深小，热影响区比TIG焊接小、比激光焊接大。焊缝宽度5～6 mm，焊接前的装备间隙可以控制在1 mm以内。由于使用Plasma等离子焊接工艺制造的球头的反弹系数比TIG高，所以球头打击的准确性、声音清脆程度、打击的距离属于中等，而且产品的一致性较好，品质稳定。

光纤激光焊接工艺

光纤激光具有极好的光束质量，在全功率范围内光束质量一致，而且具有极高的电光转换率，能够满足焊缝全熔透，且焊缝表面保护良好。相对于其他激光焊接，由于光纤激光焊接工艺光束集中，焊接热影响区非常小，所以变形最小，熔深好、焊接速度快。对于不同的球头，材料不同焊接要求也不同，但光纤激光焊接却能完全满足对球头焊接质量和焊接效率的要求，如图1、图2所示。

光纤激光焊接的速度比Plasma等离子焊接工艺快2～3倍，能焊接0.2mm以上薄板，焊缝宽度在2～3mm。此外，光纤激光焊接工艺的前道制程工序也非常高，装备间隙更小（0.5 mm以内）。这就使球头不仅品质会更高，一致性更好，而且使用光纤激光焊接，可以使整个球头的制造工艺发挥到极致。例如，球头的铸造或锻造毛坯本体局部可以使用0.5～0.6 mm的材料，使球头更轻，从而提高高尔夫球杆的性能。

图1 使用光纤激光焊接，不容易烧到轮廓边缘，焊缝更窄

图2 使用光纤激光焊接钛合金高尔夫球杆球头

通过测试比较，光纤激光焊接的球头的反弹系数，不仅能保证符合国际高尔夫球赛事对反弹系数范围的要求，而且在几种焊接工艺中是最高的，因此可以获得更好的准确性、击球声音和距离。虽然光纤激光的光斑在0.4～0.6 mm，相对的焊缝装配要求更高，但是增加了送丝补偿功能。同时，光纤激光可以更好地满足多种材料焊接，特别适合高尔夫球杆球头上这种需要将钛合金和其他材料焊接在一起的情况。

高尔夫球杆杆面激光焊接处理

另外在高尔夫球杆杆面的处理上，也采用光纤激光焊接。

首先，与上一代产品相比，杆面的反弹区域扩大了25%。这就可以将高尔夫球杆的杆面设计为C杯形结构，通过去除杆面的焊接部分，扩大了杆面的面积，提高了杆面整体的反弹性能，因此提高了球距性能且提高误击时的容错性。

其次，因为结构的变化，使杆头尺寸扩大，更进一步地提高了高尔夫球杆的易打性。高尔夫球杆面的高度和宽度都扩大1mm，正是这1mm成为给予球友安全感的关键。

采用光纤激光焊接高尔夫球头，已经产生了显著的成本优势，例如：①对于气体使用成本，由于光纤激光焊接效率与Plasma等离子焊接相比提升了3倍，因此单支球头的保护气成本降低了约1/2。②对于研磨成本，由于采用了光纤激光焊接，焊缝宽度更窄，焊道余高比Plasma等离子焊接减低了1/2，大大减少了焊后打磨的需要，在减少了人工工时的同时，所使用的磨料也大大减少。

通过与IPG Photonics的多次交流，科盈开发出了这套用于高尔夫球杆焊接的光纤激光器机器人焊接系统。这套系统采用了YLS—3000，整套光纤激光机器人焊接系统，采用一分二的光路，可以自动切换双工位的激光提供，提高激光发生器的使用率，大幅提高效率；系统PLC控制系统采用西门子、倍福最前沿的总线协议技术，高度集成控制，系统运行稳定，如图3所示。

光纤激光器通过一根柔性集成的光纤传输能量，结构紧凑、全固态、全光纤的设计，不需要通过任何镜片或光学器件进行对准和调整，在以激光为基础的系统中更易于集成和操作。与传统的激光器相比，光纤激光器小巧轻便，节省了占地面积。此外，由于传统激光器是通过镜片实现精密准直的，因此应用时必须非常小心，而光纤激光器的结构更加稳固，完全不需要担心这些问题。另外，在使用中，发现光纤激光器的效率确实非常高，会节约很多电费成本。

图3 应用于高尔夫球制造中的光纤激光机器人焊接系统

作者简介：李健，科盈焊接自动化事业部经理；刘祁芳，科盈焊接市场部经理；王伟，IPG Photonics中国区大客户销售经理；王文娟，IPG Photonics中国区市场部。