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(shù)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(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。 

    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(jié)構(gòu)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(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(shè)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(lǐng)域中打開狀態(tài)下的標準液壓夾具如圖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(guān)閉激光器外殼以及重新關(guān)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(shù)和激光功率，必須使用具有雙壁結(jié)構(gòu)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(shù)。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(shè)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(jié)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(shè)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(guān)閉。 

    系統(tǒng)的模塊補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(shè)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(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(shè)有IPG激光器的LSS步進線焊機系統(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(jié)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(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(shè)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(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)濟解決方案。

作者：IPG光子有限公司 Berthold Kessler