2004年，一個以激光為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng)(RWS)在墨西哥Puebla的 Magna-Autotek全面投入生產(chǎn)了。這臺RWS采用高功率CO2激光光束和一個可動的鏡子，引導(dǎo)激光來焊接金屬薄板零件。具有良好光束質(zhì)量的高功率CO2激光器的出現(xiàn)，使該技術(shù)能在1米x1米或更大的工作區(qū)域運(yùn)行。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括周期較快和占地面積（生產(chǎn)面積）較? agna-Autotek是“Tier 1”汽車供應(yīng)商，該公司已經(jīng)用遠(yuǎn)距離激光焊接技術(shù)為其它汽車裝配廠，生產(chǎn)了一個零件。 該零件用于2005大眾汽車Jetta A5型汽車，是一個門梁沖壓裝配件（door beam impact member assembly），它由三個焊接在一起的單個沖壓件組成。在鍍鋅低碳鋼上，有12個重疊的焊縫(見圖1)。去年10月開始全面生產(chǎn)，預(yù)計在5年期間，年生產(chǎn)量為317,000輛。因為有左門、右門之分,這就要求每年生產(chǎn)634,000個門梁沖壓裝配件。因為Autotek是分二班運(yùn)轉(zhuǎn)的，每周工作5天，這表明：該系統(tǒng)的生產(chǎn)率為每小時可生產(chǎn)235個零件，生產(chǎn)一個零件平均僅需15.3秒。 圖1.沖壓裝配件：在鍍鋅低碳鋼上有12個重疊的焊縫因為激光焊接已經(jīng)在德國用于生產(chǎn)，所以在客戶的圖紙中規(guī)定要用激光焊接，因此，在墨西哥的這家工廠將會用同樣的零件來組裝車輛。Autotek公司對裝在機(jī)械手上的Nd:YAG激光器和具有遠(yuǎn)距離焊接功能的CO2激光器進(jìn)行了評估，以便為它選擇一個最好的加工技術(shù)。如已經(jīng)注意到的那樣，這個零件已在德國用Nd:YAG激光器和工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行生產(chǎn)。 Autotek想通過從潛在的系統(tǒng)供應(yīng)商那里，能得到有關(guān)加工和投資成本方面的信息。下面是同這項應(yīng)用有關(guān)的幾個結(jié)論的摘要： * 這兩個系統(tǒng)的投資成本類似，因為Nd:YAG激光器需要兩個，而RWS工作站只需一個。 現(xiàn)有的Nd:YAG系統(tǒng)加工一個零件需要24秒。 周期分析表明：RWS在26秒內(nèi)可生產(chǎn)二個零件(差不多是2倍產(chǎn)量)。因此，用一個RWS，可達(dá)到的全面生產(chǎn)能力為：15.3秒生產(chǎn)一個零件。 * RWS具有低得多的系統(tǒng)維修成本。Rofin“平板”CO2激光器不需要更換任何光學(xué)元件，只需要每8個月更換一只預(yù)混合氣體瓶。Nd:YAG激光器需要經(jīng)常更換燈，電費(fèi)成本較高，聚焦光學(xué)系統(tǒng)要求經(jīng)常更換保護(hù)“蓋”。 * RWS容易為各種焊縫形狀和編織功能編程。這為創(chuàng)造各種焊縫圖樣提供了較大的靈活性，更能滿足客戶為達(dá)到更高整體焊縫強(qiáng)度和零件硬度的設(shè)計要求。 * RWS具有較高的激光功率，能快速從一個焊點(diǎn)位置移到下一個焊點(diǎn)位置，跳躍時間僅為50ms。這使生產(chǎn)周期大大加快，為未來使用該系統(tǒng)裝配其它零件提供了方便。 在這一分析的基礎(chǔ)上,Autotek確認(rèn)：對它的門梁沖壓裝配件應(yīng)用來說，RWS是成本較低和靈活性更高的解決方案。 遠(yuǎn)距離激光焊接要點(diǎn) 在上世紀(jì)90年代后期，高功率(3千瓦和3千瓦以上)CO2激光器已經(jīng)出現(xiàn)，而且光束質(zhì)量很好。 圖2顯示的典型RWS包括一臺高功率(高達(dá)6千瓦)CO2激光器和一個具有長焦距(典型為1000毫米-1600毫米)的“遠(yuǎn)距離”掃描系統(tǒng)。計算機(jī)驅(qū)動的運(yùn)動系統(tǒng)按程序行走一段路程，就像機(jī)械手或CNC控制器那樣，便可完成對待焊金屬薄板組件的激光焊接。 圖2. 典型的遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng)光束的掃描運(yùn)動可根據(jù)生產(chǎn)者的要求，或采用高速、線性馬達(dá)，或采用“檢流計”來實現(xiàn)。這使從一個焊點(diǎn)到下一個焊點(diǎn)的移動速度加快，移動時間小于50ms。掃描器還可以為客戶提供可編程的焊縫形狀（縫線、圓、編織和其它圖樣），允許用戶為特殊焊接采用最好的路徑。 比較焊接特性 為進(jìn)一步說明RWS在加工周期和占地面積方面的優(yōu)勢，現(xiàn)將遠(yuǎn)距離激光焊接與傳統(tǒng)焊接方法進(jìn)行比較，結(jié)果如下： 電阻焊—電阻焊或“點(diǎn)”焊具有如下典型參數(shù)： * 焊接時間 + 機(jī)械手移動焊槍的時間≈ 3-4秒 * 可焊2-3層，總材料厚度≈ 2-4毫米 * 可焊鍍膜或不鍍膜的鋼板 * 焊槍起“夾子”的作用，在焊接時，將材料拉到一起 電弧焊--電弧焊(GMAW)的典型參數(shù)如下： * 焊接速度≈ 1米/分鐘 * 使用送線裝置可焊接2層，連接結(jié)構(gòu)可以是各種各樣的(帶狀、對接等) * 材料厚度典型的為1-3毫米，總厚度為2-6毫米 * 可焊鍍膜或不鍍膜的鋼板 * 允許被焊零件間的“縫隙”約為焊絲直徑的1/2。 激光焊接--CO2遠(yuǎn)距離激光焊接機(jī)具有如下典型參數(shù): * 焊接速度≈ 3-6米/分鐘 * 焊接時間約0.2-0.3秒，焊縫長15毫米≈一個點(diǎn)焊縫 * 可焊接2-3層，總材料厚度≈ 2-4毫米 * 可焊鍍膜或不鍍膜的鋼板, 但必須考慮鋅的排出問題 * 要求被焊零件盡量靠近，允許的最大縫隙為0.1-0.2毫米。 周期時間比較--如上所說，激光焊接時間比傳統(tǒng)方法快得多。但周期時間優(yōu)勢還與快速移動或在不同焊點(diǎn)間的快速替換有關(guān)。機(jī)械手從一個點(diǎn)移到下一個點(diǎn)所需要的時間約為0.5-3秒，用遠(yuǎn)距離焊接機(jī)這個時間小于50ms。將焊接時間和“快速移動”時間結(jié)合在一起，我們就可得出如下結(jié)論：遠(yuǎn)距離焊接的周期時間比Nd: YAG加機(jī)械手焊接快2倍，比電阻焊和電弧焊快6-10倍。 占地面積比較--因為遠(yuǎn)距離焊接過程比其他焊接程序快2-6倍,它要求的生產(chǎn)空間應(yīng)該較? Ｏ衷冢庖丫涑閃聳率擔(dān)蛭附幽茉礎(chǔ)⒑附誘競痛瀋璞傅淖蓯馴淮蟠蠹跎佟Ｔ誆煌τ們榭魷攏滄癛WS所需的廠房面積只有其它焊接工藝所需面積的25-50%。 靈活性比較-- 因為在激光焊接時，焊槍實際上沒有與零件接觸（因此采用了術(shù)語“遠(yuǎn)距離”），因此在加工不同零件時，焊接站就很容易應(yīng)付，只需簡單地改變夾具和調(diào)用不同的程序。這樣，一個焊接站就可以加工小批量、中批量金屬零件配件。具有多個零件的產(chǎn)品從一個較小生產(chǎn)空間搬進(jìn)、搬出，要求有一個智能的物流解決方案。 系統(tǒng)布局和描述 Magna-Autotek決定自己來進(jìn)行系統(tǒng)整合，使之能更好地控制夾具設(shè)計，能更深地理解加工過程。2003年6月，開始系統(tǒng)布局和夾具設(shè)計。到2003年12月，系統(tǒng)已經(jīng)安裝完畢，并焊接了第一零件。激光掃描盒、制冷器都裝在中層頂端，以減小占地面積。在掃描盒的下面有一個轉(zhuǎn)盤，上面固定著二個夾具。在其中一個夾具上的零件被焊接的時候，可在另一個夾具上裝卸零件。借助于扶梯可到中層進(jìn)行常規(guī)維修。整個激光焊接房間必須放在一個特殊的地基上面，以吸收焊接房間周圍25米內(nèi)的振動。為避免出現(xiàn)大的問題，在安裝之前進(jìn)行振動測量是絕對必要的。地板振動必須小于激光供應(yīng)商所規(guī)定的界限。因為灰塵和煙霧將吸收激光，所以還必須考慮排氣系統(tǒng)。 圖3.在組裝期間的遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng),含有一張可用人工方式進(jìn)行裝卸的二站式旋轉(zhuǎn)臺實際系統(tǒng)如圖3所示。 關(guān)鍵是一個可用人工方式進(jìn)行裝卸的二站式旋轉(zhuǎn)臺。一個站有二個夾具，用于右手裝配；另一個站也有二個夾具，用于左手裝配。操作人員將焊好的組件卸下后,把它們放到柳騰箱中,再將一組新的沖壓件裝上去，推一下“循環(huán)開始”，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，焊接程序開始，過程重復(fù)。局部的墻壁隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，可以在焊接期間提供“遮攔”，以保護(hù)眼睛。整個系統(tǒng)再用金屬薄板保護(hù)起來，以創(chuàng)造一個確保職工安全的“1級”焊接系統(tǒng)。 夾具和等離子體抑制--遠(yuǎn)距離激光解決方案，一方面具有加工速度快、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，但在夾具與零件的配合方面還面臨著挑戰(zhàn)。激光是沒有力的，不像點(diǎn)焊那樣，電極附在槍上，或附在圓筒驅(qū)動的定位機(jī)構(gòu)上。如前面指出的那樣,電弧焊使用焊條，因此允許焊縫有一定的空隙。激光焊接是自己完成的，即不采用任何填料。因此,激光焊接要求將夾具放到、并固定在被焊區(qū)域。 此外，激光焊接鍍鋅材料時，要求設(shè)法將鋅的揮發(fā)物排出。否則，鋅將會通過焊縫爆出，導(dǎo)致多孔和多處爆裂。對鍍鋅材料，夾具必須與特殊的零件特征結(jié)合起來工作，以提供一個排泄氣體方法。 不管金屬鍍膜的情況如何(鍍鋅或赤裸)，CO2焊接一般要求設(shè)法抑制在焊接過程中產(chǎn)生的等離子體或?qū)⑺底摺? 這是因為等離子體干擾激光束，使焊接過程變得不穩(wěn)定或使焊接徹底失敗。等離子體抑壓或“保護(hù)氣體”可以是氦、氮、空氣或一些組合氣體，這要看應(yīng)用情況和所用功率而定。為成功進(jìn)行遠(yuǎn)距離焊接，安排好氣體噴嘴的位置，以及確定打開它們的時間也是非常重要的。 圖4.能滿足適當(dāng)夾住零件和屏蔽氣體噴嘴位置需要的零件夾具Autotek設(shè)計和建造了它自己的夾具。該夾具能同時滿足適當(dāng)夾住零件和最佳屏蔽氣體噴嘴位置的需要。第一個原型夾具是在2003年6月完成的，焊接工作則是在安大略省Brampton的Magna的Promatek R&D 設(shè)備上完成的。 現(xiàn)在，Autotek對它的零件夾具正在進(jìn)行第三次反復(fù)，以不斷改善激光焊接的質(zhì)量。所用夾具如圖4所示，注意定位方法和位于焊縫附近的屏蔽氣體噴嘴位置。 零件設(shè)計—激光焊接用的沖壓件供應(yīng)商已經(jīng)通過壓花或在被焊區(qū)形成酒窩的方法解決了排氣問題。這一特征可被結(jié)合到?jīng)_壓模中，或在沖壓后加上。最終的結(jié)果是：產(chǎn)生了一個0.1-0.2毫米的縫隙，允許鋅從該縫隙排出。 與點(diǎn)焊接不一樣的是：激光焊縫很窄，并且只需要從一邊接近零件。遠(yuǎn)距離焊接機(jī)的掃描鏡可通過編程，來產(chǎn)生各種不同的焊縫形狀或圖樣。此外，激光焊接的零件很硬，剛性比點(diǎn)焊的零件好。這些概念在零件設(shè)計的早期，就必須記住，以充分利用激光焊接的優(yōu)點(diǎn)。如果減輕重量，焊縫邊緣可以做得更? Ｔ諦磯嗟愫傅那榭魷攏３Ｒ蠹觳榭祝す夂附郵遣恍枰摹? Autotek在加工該沖壓件的計劃中，已經(jīng)考慮了這些問題。如圖5所示，在被焊區(qū)浮雕了一些小的圓形“酒窩”，以便將鋅排出。在零件上，有12個“針型”焊縫，允許進(jìn)行牢固的剛性裝配。 圖5.靠近激光焊接區(qū)，可以看出：在被焊區(qū)有便于鋅排出的浮雕酒窩，以及12個“針型”焊縫對遠(yuǎn)距離焊接來說，夾具和零件的開發(fā)都比較新。盡管可用標(biāo)準(zhǔn)零件來構(gòu)成夾具，但在固定零件、使用屏蔽氣體和沖壓技術(shù)的發(fā)展方面，還是化了不少時間和精力。在考慮為遠(yuǎn)距離焊接尋找新的應(yīng)用時，要有足夠的時間。例如，這一次用空氣來作為屏蔽氣體，但Autotek還在考慮其它氣體，以提高生產(chǎn)率。 小結(jié) Autotek是北美首批安裝遠(yuǎn)距離焊接設(shè)備的廠商之一。這個系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下： * 與傳統(tǒng)技術(shù)相比，生產(chǎn)能力提高了10倍 * 系統(tǒng)占地面積比傳統(tǒng)技術(shù)小3-4倍 * 允許生產(chǎn)車間有更大的靈活性 * 零件的設(shè)計允許進(jìn)行激光焊接, 加工出來的零件更輕、更堅硬。 Autotek已經(jīng)采取了適當(dāng)?shù)拇胧﹣韺嵭羞@一技術(shù): * 在加工的早期，仔細(xì)評估焊接技術(shù)，選擇最有成本效益的方式。 * 對加工細(xì)節(jié)詳細(xì)研究，以確保最后成功 * 回顧零件設(shè)計，研討了零件的激光可焊性, 包括增加“酒窩”，允許鋅從縫隙中排出 * 設(shè)計和加工了適合于遠(yuǎn)距離激光焊接的零件夾具 * 在開始生產(chǎn)之前，給發(fā)展留有充份的時間 * 早日確定和教育執(zhí)行和操作該系統(tǒng)的人員。 今天,在實際生產(chǎn)中，RWS的安裝數(shù)量愈來愈多。 盡管，與電阻焊或電弧(GMAW)焊相比，激光器是相當(dāng)昂貴的焊接能源,但整個系統(tǒng)的成本還是差不多的，RWS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更多。 盡管，不是每個零件都適合用該技術(shù)進(jìn)行加工的，但該實例的研究表明：用遠(yuǎn)距離激光焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接技術(shù)是有益的、成功的。 在零件設(shè)計和生產(chǎn)循環(huán)的早期階段，就應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觯源_定采用遠(yuǎn)距離激光焊接技術(shù)是否適當(dāng)。此外，汽車設(shè)計者應(yīng)該考慮零件設(shè)計和裝配的解決方案，以便使生產(chǎn)變得更容易、更快和更廉價。 RWS是一個極為優(yōu)秀的焊接解決方案，應(yīng)該將它結(jié)合到這個設(shè)計過程之中。