福特新型野馬車

 

激光材料加工技術已被公認為是適用于極為重視生產效率的汽車行業(yè)的現代自動化生產方式。就該領域而言，遠程激光焊接（remote laser welding）技術尤其能夠滿足這一需求。當把激光束設置為動態(tài)飛行焊接（Weldingon-Fly）模式時，便可以獲得最高的生產率。在這種工藝中，基于掃描振鏡的遠程激光焊接頭與機器頭一起連續(xù)運動，進行極為快速的三維激光束定位（圖1），從而最大程度縮短了不同焊縫之間的時間間隔，提高了激光器利用效率，使之遠高于傳統(tǒng)激光焊接。

 

圖1：在動態(tài)焊接模式中，焊接頭與機器人一起持續(xù)運動，進行極為快速的三維激光定位。

 

本文中，我們主要展示遠程激光焊接技術在生產福特新型野馬車（Ford Mustang）這類大規(guī)模制造環(huán)境中彰顯的優(yōu)勢。

 

 

福特的目標是為新野馬車型開發(fā)適用于大規(guī)模生產的單面焊接方法。為了不斷提高汽車的防撞性能、改善安全標準，車體結構中的先進高強鋼的應用不斷增加。許多先進的車體結構設計在包括車頂縱梁和A 柱（左前方和右前方連接車頂和前艙的連接柱 ）等區(qū)域中使用了液壓成形管。這些設計的應用推動了對單面焊接技術進一步發(fā)展的需求，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

 

傳統(tǒng)的點焊技術需要在接頭的兩面焊接，但是，如果在液壓成形管上切割進入的孔，以便實施這種焊接手段，容易造成結構強度降低，從而損害了利用液壓成形管的設計意圖。相較之下，這種單面焊接技術則提供了一種最大程度改善和優(yōu)化結構完整性的方法，有利于消費者的健康和安全。

 

圖2 ： I I - V I HIGHYAG 推出的基于振鏡結構的3D 遠程激光焊接頭RLSK（a），以及其剖面圖和作用原理(b)

 

因此福特摒棄了傳統(tǒng)的點焊工藝，繼而選擇了遠程激光焊接技術。新的單面遠程激光焊接方法使用了美國貳陸II-VI全資子公司HIGHYAG 的3D遠程激光焊接頭RLSK（圖2），作為大功率激光遠程飛行焊接的完美解決方案，其先進的3D振鏡結構，使其在應對凹凸不平的工件表面時更加得心應手，對于加工焊點較多的零部件，真正體現出激光遠程飛行焊接的優(yōu)勢和效率。該焊接頭可以防止結構強度降低，并提高生產率。

 

 

這個項目于2012年提出。2015年，福特野馬車型采用的遠程激光焊接工藝轉化成系列化、規(guī)模化生產。在密歇根州底特律市的野馬工廠內安裝了四個遠程激光焊接單元。在其中的兩個單元中，有四個RLSK焊接頭負責對車側內部組件進行預加工。在目標位置有小凹穴，方便焊接定位。在另外兩個激光單元中，有八個焊接頭用于焊接車體側身內部和外部組件。

 

 

圖3：福特野馬車體側身內部組件(a) 和車體側身外部組件(b) 的結構焊接

 

RLSK焊接頭連接起車體側身內組件上34處遠程激光結構焊點，其中包括層疊厚度達2 毫米（圖3a）的結構焊點。它們采用縫焊及擺動C焊從而在厚層疊焊點上達到出色的熔深值。此外，車體側身外組件也采用遠程激光焊接：Coupe車型有79個焊點，Convertible車型則有61個焊點（圖3b）。0.7毫米厚低碳熱鍍鋅鋼（HDGI）車體側身外組件與各種不同厚度、材質的車體側身內組件相焊接，并采用G 型焊接設計以提高其質量的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。

 

當激光焊接涂層材料時，壓窩預處理工藝是另一個成功確保焊接質量和強度的關鍵要點。使用鍍鋅鋼時，在焊接過程中會因材料涂層燃燒而排放出鋅氣體。焊接板材之間如果沒有間隔，就會在焊接點形成微氣孔，因為氣體唯一的逃逸通道是通過焊接熔池。這種失效模式要求把兩塊焊接板材之間的間歇控制得非常小，以便為兩塊金屬板材之間排出的鋅氣體制造一個逃逸通道。壓窩處理技術的開發(fā)為福特提供了保持控制板材間隔穩(wěn)定的能力。通過激光的快速脈沖作用，使金屬表層提升約0.1-0.15mm，從而在車體側身內部組件上形成壓窩。壓窩和焊點之間的位置對準，對于成功排出氣體和防止微孔形成至關重要。

 

抑制羽流是另一個質量控制至關重要的因素。羽流是從穿透孔上方的熔池中釋放出來的等離子體云。這種等離子體云吸收焊接過程中大量的激光能量，使作用在工件上的功率和焊透度降低。每次焊接過程中的等離子體云都會發(fā)生變化，從而造成能量吸收不均，增加了質量的波動性，降低了加工的可靠性。這些結果促使福特開發(fā)出可以控制等離子云的解決方案，使激光束充分而穩(wěn)定地發(fā)揮功率。這一解決方案旨在通過調節(jié)等離子云，讓氣流使等離子偏離激光束通道，從而達到抑制羽流的目的。通過在夾具中內置復雜的管道系統(tǒng)，為每個焊點上方輸送25mm 的氣流即可成功抑制羽流，最終達到高品質、深度焊接的目的。

 

與傳統(tǒng)點焊工藝相比，福特野馬生產過程中采用的遠程激光焊接技術極大提高了時間、空間、生產效率等方面的制造效能，從而進一步促進了精益生產。這些優(yōu)勢具體體現在：

 

● 車側身外部組件的焊接實際所耗時間縮短了5倍，79個焊點從原來耗時111秒下降至22秒；

 

● 單面進入方式，只需一個工位循環(huán)而非三個工位循環(huán)即可完成；

 

● 只需4款焊接機器人，而不是原來的12款；

 

● 材料處理機器人從原來的4個降至2個；

 

●工廠占地面積下降。

 

為了方便遠程激光焊接工藝的控制，福特充分發(fā)揮了專為RLSK遠程激光焊接頭配置的 Studio軟件的功能，以幫助RLSK焊接頭的對焦運動與機器人的運動順序保持同步。在該軟件的圖形用戶界面，可以視覺觀察到激光對焦定位和加工特征。此外，也可以下載和上載工件數據，編輯加工參數，如焊接速度、激光功率等。整個工藝設置簡單、用戶友好（圖4）。

 

圖4：使用RLSK Studio 軟件可以按照時間表(b)，視覺觀察對焦定位(a) 和焊接加工，實現用戶友好的工藝控制。該時間表顯示，各次施焊之間只存在最低程度的時間間隔損失( 藍色部分) 從而最大程度提高了生產效率。

 

 

由此可見，焊接頭是激光和工件之間的重要界面，必須滿足大規(guī)模生產環(huán)境的關鍵要求，即生產率要求。通過采用帶RLSK焊接頭的遠程激光焊接技術，新福特野馬的生產率得到了顯著提升。同時，其它優(yōu)勢還包括生產周期更短、消除了結構薄弱的弊端、節(jié)約了占地空間、可以控制激光焊縫的形狀、并且通過RLSK Studio軟件實現用戶友好的工藝控制等。