具有優(yōu)異光速質(zhì)量的高功率光纖激光器經(jīng)常被用于汽車白車身的遠程焊接。其焊接速度和生產(chǎn)效率是電阻點焊或傳統(tǒng)激光焊接等任何其它焊接技術無法比擬的。但是過高夾具加工成本、龐大的激光安全房 ，都限制著遠程激光焊接的應用。 

    隨著汽車工業(yè)規(guī)模日益增大，電阻點焊和激光遠程焊接的應用已頗具規(guī)模。有人贊成，也有人反對這種應用。激光遠程焊接的主要優(yōu)點是高效的焊接效率，及具有激光焊縫的各種優(yōu)點，使焊接周期顯著縮短。電阻點焊的優(yōu)點是自身帶有低沉本的夾緊技術，IPG光子有限公司已經(jīng)在新型激光線焊槍LSS中結合了這些優(yōu)點。 

    激光線焊機能夠在焊接前像電阻點焊一樣夾緊焊接件，然后以振蕩模式，開始數(shù)個10mm長度的激光縫焊。激光焊接和激光器光束路徑在夾具的空心結構內(nèi)，因此無需外部安全房屏蔽激光焊接。該焊接機集成有排氣系統(tǒng)，用于排放焊接煙霧和煙塵。 

    激光線焊機采用一個縫焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)電阻點焊的兩個焊點，扭轉(zhuǎn)鋼度明顯增加。以同樣的節(jié)拍工作時，激光線焊的效率是電阻點焊的兩倍。 

    激光遠程焊接的速度比電阻點焊高5-8倍，在焊接小型零件時具有無與倫比的經(jīng)濟效益，可在車身焊接中多處應用。激光線焊機能夠替代車身焊接中使用的電阻點焊槍，可以集成于車身生產(chǎn)線中與點焊混線生產(chǎn)。 

    而新開發(fā)的激光線焊槍，帶有自夾緊系統(tǒng)，安全的激光封閉系統(tǒng)，無需額外的激光安全房。激光線焊槍的使用及操作方式與傳統(tǒng)電阻點焊槍一樣，但焊接速度是電阻點焊的2倍。激光線焊的焊接速度比點焊的高，但比遠程焊接低。激光線焊幾乎具有所有激光焊接的優(yōu)點：完成窄邊焊接、高強鋼板的焊接、3層板焊接、鋁材焊接等等。低能耗低成本的IPG光纖激光器是車身組裝的新型利器。 

    激光遠程焊接 

    激光遠程焊接是指焦距大并通過傾斜光束（而不是以焊接速度移動激光光纖或零件）來實現(xiàn)激光光束和工件之間相對運動的焊接。 

    遠程焊接時需要高光束質(zhì)量。用于白車身焊接的首臺激光器為設有固定式掃描儀的CO2激光器。隨著光纖激光器等固態(tài)激光器光束質(zhì)量的提高，還可以與更小的掃描儀一起使用，掃描儀安裝在標準的6軸機器人上。 

    在實際的生產(chǎn)中使用兩套系統(tǒng)，均具有非常高的生產(chǎn)率。典型激光功率為4-6kW，焊接速度為4-10m/分鐘。固定式掃描儀能夠掃描最大尺寸為1.4m x 3m的工作區(qū)域，掃描儀的焦距為1.6m（圖1）。 

    采用寬幅掃描儀掃描到的CO2-激光器和光纖激光器的典型焊點熔核，如圖2所示。圖片表明，光纖激光器的最大可能焊接速度高許多。這種運行情況的原因是10.600μm（CO2-激光器）和1070nm（摻鐿光纖激光器）激光輻射的吸收機制不相同。由于波長更長，CO2-激光器具有等離子屏蔽效應，使得焊縫上部更寬，從而降低了穿透能力。 

    在實際的零件焊接中，摻鐿光纖激光器的加工時間比CO2-激光器焊接零件所需的時間短30%（圖3）。

    已經(jīng)有人開始通過引進光束質(zhì)量等于或高于8mm毫拉的大功率固態(tài)激光器開發(fā)基于機器人的激光點焊機。這些激光器的光束質(zhì)量足夠用于0.5m或更長工作距離，以及通過靈活的光纖光束引導系統(tǒng)，標準工業(yè)機器人能夠用于將掃描儀移動到不同位置。 

    還可以利用機器人以恒定速度在焊接件上方移動掃描儀，當掃描儀工作區(qū)域出現(xiàn)焊縫時，可以利用機器人安裝式掃描儀使焊縫下降。這種焊接被稱為空中焊接，彌補了機器人安裝式掃描儀工作區(qū)域更小的缺點，并在整個機器人工作區(qū)域增加了工作空間。軟件包支持對這些系統(tǒng)的編程，有助于優(yōu)化機器人軌道以及同步機器人和掃描儀的運動。 

    不過，由于必須處理兩臺不同的控制器：一臺機器人控制器和一臺掃描儀控制器，只能由熟練的操作員對新部件編程和操作這些裝置。只有一臺控制器的工作解決方案如圖4所示。這是設有集成傾斜反射鏡的機器人，傾斜反射鏡能夠在機械臂內(nèi)快速做橫向和Z字形移動。該機器人的控制器用于控制機器人的機械軸以及光學部件的運動。

    進行激光遠程焊接時，主要焊接搭接接頭。對于高質(zhì)量的焊接，在夾緊連接件時，夾緊方式應確保焊接件之間無空氣間隙或?qū)⒖諝忾g隙降到最小。必須使用相同方式，以便能夠在所有焊接部位確保無縫隙（cero gap）的夾具。該應用領域中打開狀態(tài)下的標準液壓夾具如圖5所示。關閉蓋子既可夾緊，激光光束通過蓋子上的各孔進入。

    出于安全考慮，激光遠程焊接需要完全密閉焊接區(qū)域，需要將零件往復移動到外殼內(nèi)。只有當完全關閉激光器外殼以及重新關閉電氣安全電路時才能啟動焊接循環(huán)。根據(jù)掃描儀技術和激光功率，必須使用具有雙壁結構和集成光學傳感器的激光外殼。這造成激光遠程焊接方案的費用增加以及使用的靈活性下降。 

    激光線焊機LSS 

    激光線焊機或激光點焊槍，能夠直接替代電阻點焊技術。激光線焊機可用作只能從單側(cè)進入的零件的焊槍或C型槍，是翻邊焊接的理想解決方案（圖6）。

    激光線焊機可替代電阻點焊工藝，具有夾具和生產(chǎn)設備簡單的特點以及激光焊接的優(yōu)點。 

    激光焊接應用于白車身生產(chǎn)，具有下述優(yōu)點： 

    1.加工速度更快（循環(huán)時間更短） 

    2.焊縫更長，使得部件強度增加，扭轉(zhuǎn)剛度更高 

    3.翻邊尺寸更短 

    4.可單側(cè)進入 

    5.成本與電阻點焊焊接系統(tǒng)相差無幾 

    6.高質(zhì)量的穩(wěn)定的焊接質(zhì)量 

    7.在部分焊穿的焊接中，背部無縮溝。

    光纖激光器與合適的焊接工具結合將會實現(xiàn)以上所有目標。如圖7所示。激光線焊機（LSS）通過疊加振蕩方式使激光光束做線性運動。為安全起見，通過矩形的空心壓力元件引導激光光束，壓力元件將各零件壓在一起，還用于確保激光安全。利用來自壓力元件底部的傳感器信號也能夠釋放激光光束。適用的最小曲率取決于壓力元件的長度。40mm焊接的曲率不應小于2m。 

    在通過外殼確定的范圍（標準= 40 mm）內(nèi)能夠進行有或無振蕩（+ /- 1 mm）的激光焊接。例如，最容易的應用是安裝在工業(yè)機器人第6軸上的模塊（30 kg輸送能力）。機器人將模塊移動到要求的焊接位置。在這個位置，只能通過機器人的力量將它放置在部件上。在焊縫范圍內(nèi)，部件下方的固定式工具用作反作用力或支撐（如圖6左所示）。 

    在典型步進作業(yè)（40 mm焊縫、50 mm自由空間、40 mm焊縫等）時，能夠以大約30 mm / 秒的焊接速度每1.3~1.5秒進行一次激光焊接（見圖7）。在2.5s內(nèi)完成更換兩個焊接點的焊接循環(huán)，包括LSS移動。

     具有C-槍的激光線焊機（LSS）安裝在伺服電機驅(qū)動的橫移裝置上。這與設有補償模塊的電阻焊接槍類似（見圖6右）。這種型號工業(yè)機器人（80kg輸送能力）將LLS移入焊接位置，并以可編程的力關閉。 

    系統(tǒng)的模塊補償各部件位置和幾何結構的誤差。只利用激光焊接工具施加作用在系統(tǒng)上的連接力（0.5–3kN），這些連接力無需機器人。在典型步進作業(yè)時，能夠每1.7–2秒進行一次激光焊接。 

    設有小型IPG 光纖激光器的激光焊接工具的特點： 

    1.步進焊線焊機只需有效負荷為30kg的機器人。 

    2.基本型號能夠使系統(tǒng)焊接最大長度為40 mm的線性焊縫。 

    3.為了展開焊縫（2mm），能夠視需要打開橫擺功能。 

    4.激光器采用非結構非常緊湊的光纖激光器，功率為1-4kW，總效率超過30%。白色車身應用的典型激光功率為2kW。 

    5.免維護。 

    6. LSS是節(jié)約成本的激光系統(tǒng)，能夠在無復雜的激光保護外殼情況下使用。 

    7. LSS能夠以規(guī)定的力在焊縫區(qū)域連接將要焊接的鈑金件。該過程在激光焊接期間減少了通常很高的夾緊力。 

    8.利用軟件可以配置且通過現(xiàn)場總線接口能夠控制焊縫長度及所有其它焊接參數(shù)。 

    該系統(tǒng)的典型應用為現(xiàn)在仍配備有許多電阻焊接槍的白色車身組裝線（見圖8）。

    目的是通過一條大約30-40 mm的激光步進焊縫兩個大約30 mm典型距離的焊接點。例如，如果是30個電阻焊接點，循環(huán)時間大約為75秒。如果以所述方式用激光焊接代替點焊，只需要15條激光焊縫。循環(huán)時間能夠減少，總共只需要37秒。意味著生產(chǎn)率和大幅精簡所需生產(chǎn)系統(tǒng)兩個因素。即使單臺LSS的成本比單臺點焊槍的高，也能夠達到節(jié)約占地面積和減少投資的目的。

    設有IPG激光器的LSS步進線焊機系統(tǒng)是結構非常緊湊的高集成系統(tǒng)，以理想方式擁有IPG 光纖激光器各項特點。它表明，現(xiàn)在車間比以前任何時候都更容易使用激光器。本激光焊接系統(tǒng)已經(jīng)集成有激光器、安全控制器、運動控制器以及水冷卻器，只需大約1m2面積，大約2m高的空間。 

    結論 

    遠程焊接時間非常短，節(jié)約5-8倍焊接時間，可代替點焊。由于非常迅速地從一個焊接跳到下一個焊接，線焊機幾乎無空閑時間。因此，激光光源和線焊機的工作周期達80%。即使單臺遠程焊接設備的投資成本非常高，由于生產(chǎn)率高和經(jīng)營成本少，與點焊相比，成本也大幅下降。遠程焊接是以至少20-40個焊接點焊接小型零件的經(jīng)濟型工具。 

    與CO2-激光器遠程激光線焊機相比，在引進高亮度固態(tài)激光器，如光纖激光器后，能夠?qū)嵤└吆芏嗟暮附铀俣?。機器人安裝式掃描儀系統(tǒng)增加了使用的靈活性。激光跳焊機或激光線焊機比點焊快2倍，如果兩個能夠用一個振蕩的線性焊縫代替兩個靠在一起的焊接點，能夠使用此類焊線焊機。 

    LSS系統(tǒng)是白色車身焊接的額外工具。它能夠替代在彎曲部件具有局限性的所有電阻點焊應用。LSS所需環(huán)境與受限制的點焊相同，因此可以用于各種設備。 

    光纖激光器不僅可以代替現(xiàn)有應用中的其它激光器，如遠程焊接。由于光束質(zhì)量高以及結構緊湊，它還是連接和替代傳統(tǒng)技術的新型工具。LSS是根據(jù)生產(chǎn)需要使用的新一代激光工具，由于能耗低，總購置成本低，它是現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的經(jīng)濟解決方案。

作者：IPG光子有限公司 Berthold Kessler