2004年，一個以激光為基礎的遠距離焊接系統(RWS)在墨西哥Puebla的 Magna-Autotek全面投入生產了。這臺RWS采用高功率CO2激光光束和一個可動的鏡子，引導激光來焊接金屬薄板零件。具有良好光束質量的高功率CO2激光器的出現，使該技術能在1米x1米或更大的工作區域運行。與傳統技術相比，這一技術的優點包括周期較快和占地面積（生產面積）較? agna-Autotek是“Tier 1”汽車供應商，該公司已經用遠距離激光焊接技術為其它汽車裝配廠，生產了一個零件。 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，預計在5年期間，年生產量為317,000輛。因為有左門、右門之分,這就要求每年生產634,000個門梁沖壓裝配件。因為Autotek是分二班運轉的，每周工作5天，這表明：該系統的生產率為每小時可生產235個零件，生產一個零件平均僅需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在德國用于生產，所以在客戶的圖紙中規定要用激光焊接，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公司對裝在機械手上的Nd:YAG激光器和具有遠距離焊接功能的CO2激光器進行了評估，以便為它選擇一個最好的加工技術。如已經注意到的那樣，這個零件已在德國用Nd:YAG激光器和工業機械手進行生產。 Autotek想通過從潛在的系統供應商那里，能得到有關加工和投資成本方面的信息。下面是同這項應用有關的幾個結論的摘要： * 這兩個系統的投資成本類似，因為Nd:YAG激光器需要兩個，而RWS工作站只需一個。 現有的Nd:YAG系統加工一個零件需要24秒。 周期分析表明：RWS在26秒內可生產二個零件(差不多是2倍產量)。因此，用一個RWS，可達到的全面生產能力為：15.3秒生產一個零件。 * RWS具有低得多的系統維修成本。Rofin“平板”CO2激光器不需要更換任何光學元件，只需要每8個月更換一只預混合氣體瓶。Nd:YAG激光器需要經常更換燈，電費成本較高，聚焦光學系統要求經常更換保護“蓋”。 * RWS容易為各種焊縫形狀和編織功能編程。這為創造各種焊縫圖樣提供了較大的靈活性，更能滿足客戶為達到更高整體焊縫強度和零件硬度的設計要求。 * RWS具有較高的激光功率，能快速從一個焊點位置移到下一個焊點位置，跳躍時間僅為50ms。這使生產周期大大加快，為未來使用該系統裝配其它零件提供了方便。 在這一分析的基礎上,Autotek確認：對它的門梁沖壓裝配件應用來說，RWS是成本較低和靈活性更高的解決方案。 遠距離激光焊接要點 在上世紀90年代后期，高功率(3千瓦和3千瓦以上)CO2激光器已經出現，而且光束質量很好。 圖2顯示的典型RWS包括一臺高功率(高達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“遠距離”掃描系統。計算機驅動的運動系統按程序行走一段路程，就像機械手或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. 典型的遠距離焊接系統光束的掃描運動可根據生產者的要求，或采用高速、線性馬達，或采用“檢流計”來實現。這使從一個焊點到下一個焊點的移動速度加快，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 為進一步說明RWS在加工周期和占地面積方面的優勢，現將遠距離激光焊接與傳統焊接方法進行比較，結果如下： 電阻焊—電阻焊或“點”焊具有如下典型參數： * 焊接時間 + 機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)的典型參數如下： * 焊接速度≈ 1米/分鐘 * 使用送線裝置可焊接2層，連接結構可以是各種各樣的(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遠距離激光焊接機具有如下典型參數: * 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方法快得多。但周期時間優勢還與快速移動或在不同焊點間的快速替換有關。機械手從一個點移到下一個點所需要的時間約為0.5-3秒，用遠距離焊接機這個時間小于50ms。將焊接時間和“快速移動”時間結合在一起，我們就可得出如下結論：遠距離焊接的周期時間比Nd: YAG加機械手焊接快2倍，比電阻焊和電弧焊快6-10倍。 占地面積比較--因為遠距離焊接過程比其他焊接程序快2-6倍,它要求的生產空間應該較? Ｏ衷冢庖丫涑閃聳率擔蛭附幽茉礎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（因此采用了術語“遠距離”），因此在加工不同零件時，焊接站就很容易應付，只需簡單地改變夾具和調用不同的程序。這樣，一個焊接站就可以加工小批量、中批量金屬零件配件。具有多個零件的產品從一個較小生產空間搬進、搬出，要求有一個智能的物流解決方案。 系統布局和描述 Magna-Autotek決定自己來進行系統整合，使之能更好地控制夾具設計，能更深地理解加工過程。2003年6月，開始系統布局和夾具設計。到2003年12月，系統已經安裝完畢，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行常規維修。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米內的振動。為避免出現大的問題，在安裝之前進行振動測量是絕對必要的。地板振動必須小于激光供應商所規定的界限。因為灰塵和煙霧將吸收激光，所以還必須考慮排氣系統。 圖3.在組裝期間的遠距離焊接系統,含有一張可用人工方式進行裝卸的二站式旋轉臺實際系統如圖3所示。 關鍵是一個可用人工方式進行裝卸的二站式旋轉臺。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“循環開始”，轉盤轉動，焊接程序開始，過程重復。局部的墻壁隨轉盤轉動，可以在焊接期間提供“遮攔”，以保護眼睛。整個系統再用金屬薄板保護起來，以創造一個確保職工安全的“1級”焊接系統。 夾具和等離子體抑制--遠距離激光解決方案，一方面具有加工速度快、占地面積小等優點，但在夾具與零件的配合方面還面臨著挑戰。激光是沒有力的，不像點焊那樣，電極附在槍上，或附在圓筒驅動的定位機構上。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、并固定在被焊區域。 此外，激光焊接鍍鋅材料時，要求設法將鋅的揮發物排出。否則，鋅將會通過焊縫爆出，導致多孔和多處爆裂。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焊接一般要求設法抑制在焊接過程中產生的等離子體或將它吹走。 這是因為等離子體干擾激光束，使焊接過程變得不穩定或使焊接徹底失敗。等離子體抑壓或“保護氣體”可以是氦、氮、空氣或一些組合氣體，這要看應用情況和所用功率而定。為成功進行遠距離焊接，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.能滿足適當夾住零件和屏蔽氣體噴嘴位置需要的零件夾具Autotek設計和建造了它自己的夾具。該夾具能同時滿足適當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 設備上完成的。 現在，Autotek對它的零件夾具正在進行第三次反復，以不斷改善激光焊接的質量。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。 零件設計—激光焊接用的沖壓件供應商已經通過壓花或在被焊區形成酒窩的方法解決了排氣問題。這一特征可被結合到沖壓模中，或在沖壓后加上。最終的結果是：產生了一個0.1-0.2毫米的縫隙，允許鋅從該縫隙排出。 與點焊接不一樣的是：激光焊縫很窄，并且只需要從一邊接近零件。遠距離焊接機的掃描鏡可通過編程，來產生各種不同的焊縫形狀或圖樣。此外，激光焊接的零件很硬，剛性比點焊的零件好。這些概念在零件設計的早期，就必須記住，以充分利用激光焊接的優點。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，已經考慮了這些問題。如圖5所示，在被焊區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，允許進行牢固的剛性裝配。 圖5.靠近激光焊接區，可以看出：在被焊區有便于鋅排出的浮雕酒窩，以及12個“針型”焊縫對遠距離焊接來說，夾具和零件的開發都比較新。盡管可用標準零件來構成夾具，但在固定零件、使用屏蔽氣體和沖壓技術的發展方面，還是化了不少時間和精力。在考慮為遠距離焊接尋找新的應用時，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，以提高生產率。 小結 Autotek是北美首批安裝遠距離焊接設備的廠商之一。這個系統的優點如下： * 與傳統技術相比，生產能力提高了10倍 * 系統占地面積比傳統技術小3-4倍 * 允許生產車間有更大的靈活性 * 零件的設計允許進行激光焊接, 加工出來的零件更輕、更堅硬。 Autotek已經采取了適當的措施來實行這一技術: * 在加工的早期，仔細評估焊接技術，選擇最有成本效益的方式。 * 對加工細節詳細研究，以確保最后成功 * 回顧零件設計，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 * 設計和加工了適合于遠距離激光焊接的零件夾具 * 在開始生產之前，給發展留有充份的時間 * 早日確定和教育執行和操作該系統的人員。 今天,在實際生產中，RWS的安裝數量愈來愈多。 盡管，與電阻焊或電弧(GMAW)焊相比，激光器是相當昂貴的焊接能源,但整個系統的成本還是差不多的，RWS技術的優點更多。 盡管，不是每個零件都適合用該技術進行加工的，但該實例的研究表明：用遠距離激光焊接代替傳統焊接技術是有益的、成功的。 在零件設計和生產循環的早期階段，就應該進行適當的分析，以確定采用遠距離激光焊接技術是否適當。此外，汽車設計者應該考慮零件設計和裝配的解決方案，以便使生產變得更容易、更快和更廉價。 RWS是一個極為優秀的焊接解決方案，應該將它結合到這個設計過程之中。