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

激光線焊機(jī)能夠在焊接前像電阻點(diǎn)焊一樣夾緊焊接件，然后以振蕩模式，開始數(shù)個(gè)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(jié)構(gòu)內(nèi)，因此無需外部安全房屏蔽激光焊接。該焊接機(jī)集成有排氣系統(tǒng)，用于排放焊接煙霧和煙塵。

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

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

激光遠(yuǎn)程焊接

激光遠(yuǎn)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(dòng)激光光纖或零件）來實(shí)現(xiàn)激光光束和工件之間相對運(yùn)動(dòng)的焊接。

遠(yuǎn)程焊接時(shí)需要高光束質(zhì)量。用于白車身焊接的首臺激光器為設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人上。

在實(shí)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）。

圖1.： 寬幅掃描儀（線性電機(jī)側(cè)安裝一臺反射鏡掃描儀）

         固定式大型掃描儀[1]的工作區(qū)域（3m x 1.4m x 0.4m /x、y、z）

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(diǎn)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(yùn)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(jī)制不相同。由于波長更長，CO2-激光器具有等離子屏蔽效應(yīng)，使得焊縫上部更寬，從而降低了穿透能力。

圖2： 搭接焊的焊點(diǎn)熔核。材料：低碳鋼DC04鋼板厚度：1mm

激光功率： 4.5kW

左：光纖激光器：速度：7m/分鐘 右：CO2-激光器：3.6m/分鐘  

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

圖3： 用CO2- 和摻鐿光纖激光器焊接的后座椅靠背，兩種情況下的激光功率均為4.5kW

圖4：集成有掃描解決方案的機(jī)器人[2]                    機(jī)器人安裝式掃描儀（x、y、z 工作面積： 100、200、+/-100mm）

已經(jīng)有人開始通過引進(jìn)光束質(zhì)量等于或高于8mm毫拉德的大功率固態(tài)激光器開發(fā)基于機(jī)器人的激光點(diǎn)焊機(jī)。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(dǎo)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人能夠用于將掃描儀移動(dòng)到不同位置。

還可以利用機(jī)器人以恒定速度在焊接件上方移動(dòng)掃描儀，當(dāng)掃描儀工作區(qū)域出現(xiàn)焊縫時(shí)，可以利用機(jī)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(bǔ)了機(jī)器人安裝式掃描儀工作區(qū)域更小的缺點(diǎn)，并在整個(gè)機(jī)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(jī)器人軌道以及同步機(jī)器人和掃描儀的運(yùn)動(dòng)。

不過，由于必須處理兩臺不同的控制器：一臺機(jī)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(shè)有集成傾斜反射鏡的機(jī)器人，傾斜反射鏡能夠在機(jī)械臂內(nèi)快速做橫向和Z字形移動(dòng)。該機(jī)器人的控制器用于控制機(jī)器人的機(jī)械軸以及光學(xué)部件的運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)行激光遠(yuǎn)程焊接時(shí)，主要焊接搭接接頭。對于高質(zhì)量的焊接，在夾緊連接件時(shí)，夾緊方式應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域中打開狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)液壓夾具如圖5所示。關(guān)閉蓋子既可夾緊，激光光束通過蓋子上的各孔進(jìn)入。

圖5：激光遠(yuǎn)程焊接用夾具，設(shè)有用于同時(shí)無間隙地準(zhǔn)確夾緊所有焊接點(diǎn)的液壓支撐柱。

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

激光線焊機(jī)LSS

激光線焊機(jī)或激光點(diǎn)焊槍，能夠直接替代電阻點(diǎn)焊技術(shù)。激光線焊機(jī)可用作只能從單側(cè)進(jìn)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）。

圖6： 激光線焊機(jī)（左：步進(jìn)焊接機(jī)，右：步進(jìn)焊接C-槍）

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

激光焊接應(yīng)用于白車身生產(chǎn)，具有下述優(yōu)點(diǎn)：

• 加工速度更快（循環(huán)時(shí)間更短）

• 焊縫更長，使得部件強(qiáng)度增加，扭轉(zhuǎn)剛度更高

• 翻邊尺寸更短

• 可單側(cè)進(jìn)入

• 成本與電阻點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)相差無幾

• 高質(zhì)量的穩(wěn)定的焊接質(zhì)量

• 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(jié)合將會(huì)實(shí)現(xiàn)以上所有目標(biāo)。

如圖7所示。激光線焊機(jī)（LSS）通過疊加振蕩方式使激光光束做線性運(yùn)動(dòng)。為安全起見，通過矩形的空心壓力元件引導(dǎo)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(yīng)小于2m。

在通過外殼確定的范圍（標(biāo)準(zhǔn)= 40 mm）內(nèi)能夠進(jìn)行有或無振蕩（+ / - 1 mm）的激光焊接。例如，最容易的應(yīng)用是安裝在工業(yè)機(jī)器人第6軸上的模塊（30 kg輸送能力）。機(jī)器人將模塊移動(dòng)到要求的焊接位置。在這個(gè)位置，只能通過機(jī)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(jìn)作業(yè)（40 mm焊縫、50 mm自由空間、40 mm焊縫等）時(shí)，能夠以大約30 mm / 秒的焊接速度每1.3 –1.5秒進(jìn)行一次激光焊接（見圖7）。在2.5s內(nèi)完成更換兩個(gè)焊接點(diǎn)的焊接循環(huán)，包括LSS移動(dòng)。

圖7：電阻點(diǎn)焊與應(yīng)用LSS-C-槍的激光焊接（對于相同連接強(qiáng)度：4個(gè)焊點(diǎn)相當(dāng)于2個(gè)針步。利用 LSS后，只需一半的時(shí)間）

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

系統(tǒng)的模塊補(bǔ)償各部件位置和幾何結(jié)構(gòu)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(jī)器人。在典型步進(jìn)作業(yè)時(shí)，能夠每1.7–2秒進(jìn)行一次激光焊接。

設(shè)有小型IPG 光纖激光器的激光焊接工具的特點(diǎn)：

• 步進(jìn)焊線焊機(jī)只需有效負(fù)荷為30kg的機(jī)器人。

• 基本型號能夠使系統(tǒng)焊接最大長度為40 mm的線性焊縫。

• 為了展開焊縫（2mm），能夠視需要打開橫擺功能。

• 激光器采用非結(jié)構(gòu)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(yīng)用的典型激光功率為2kW。

• 免維護(hù)。

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

• 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。

• 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(yīng)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）。

圖8：4個(gè) LSS1-C-槍和2臺IPG激光器能夠替代具有相同工作負(fù)荷的8支電阻點(diǎn)焊槍

目的是通過一條大約30-40 mm的激光步進(jìn)焊縫兩個(gè)大約30 mm典型距離的焊接點(diǎn)。例如，如果是30個(gè)電阻焊接點(diǎn)，循環(huán)時(shí)間大約為75秒。如果以所述方式用激光焊接代替點(diǎn)焊，只需要15條激光焊縫。循環(huán)時(shí)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(gè)因素 。即使單臺LSS的成本比單臺點(diǎn)焊槍的高，也能夠達(dá)到節(jié)約占地面積和減少投資的目的。

設(shè)有IPG激光器的LSS步進(jìn)線焊機(jī)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)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(xiàng)特點(diǎn)。它表明，現(xiàn)在車間比以前任何時(shí)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(yùn)動(dòng)控制器以及水冷卻器，只需大約1m2面積，大約2m高的空間。

圖9：LSS 系統(tǒng)由焊接工具和集成的激光控制器柜構(gòu)成

（占用面積不到1m2）

摘要

白車身激光焊接技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)電阻點(diǎn)焊技術(shù)對比。

遠(yuǎn)程焊接時(shí)間非常短，節(jié)約5-8倍焊接時(shí)間，可代替點(diǎn)焊。由于非常迅速地從一個(gè)焊接跳到下一個(gè)焊接，線焊機(jī)幾乎無空閑時(shí)間。因此，激光光源和線焊機(jī)的工作周期達(dá)80%。即使單臺遠(yuǎn)程焊接設(shè)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(diǎn)焊相比，成本也大幅下降。

遠(yuǎn)程焊接是以至少20-40個(gè)焊接點(diǎn)焊接小型零件的經(jīng)濟(jì)型工具。

與CO2-激光器遠(yuǎn)程激光線焊機(jī)相比，在引進(jìn)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(jī)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(jī)或激光線焊機(jī)比點(diǎn)焊快2倍，如果兩個(gè)能夠用一個(gè)振蕩的線性焊縫代替兩個(gè)靠在一起的焊接點(diǎn)，能夠使用此類焊線焊機(jī)。LSS系統(tǒng)

• 采用小型光纖激光器（1-3kW）

• 能夠直接替代電阻點(diǎn)焊

• 無需激光安全罩或特別夾具

• 與受限制的點(diǎn)焊相比，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

• 中級技術(shù) （容易操作）

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(diǎn)焊應(yīng)用。LSS所需環(huán)境與受限制的點(diǎn)焊相同，因此可以用于各種設(shè)備

光纖激光器不僅可以代替現(xiàn)有應(yīng)用中的其它激光器，如遠(yuǎn)程焊接。由于光束質(zhì)量高以及結(jié)構(gòu)緊湊，它還是連接和替代傳統(tǒng)技術(shù)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(jì)解決方案。