汽車(chē)制造中的遙控激光焊接技術(shù)概述

1、汽車(chē)制造中的遙控焊接技術(shù)本文主要是對(duì)遙控激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用情況 各方面的介紹，同時(shí)也簡(jiǎn)單介紹了遙控激光焊接的原理。一套遙控激光焊接系統(tǒng)（RWS在墨西哥柏布拉市Magna-Autotek投入滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)。 這套R(shí)WS采用了高功率 CQ 激光器和可動(dòng)反射鏡， 用激光束的能量焊接板金件。 大功率、 光束質(zhì)量極好的CQ激光器的問(wèn)世，使該技術(shù)能夠應(yīng)用于1mx 1m或更大的加工面積。這種方法同傳統(tǒng)工藝相比具有周期 快、占地小等優(yōu)點(diǎn)。 Magna-Autotek 是“一級(jí)”汽車(chē)供應(yīng)商， 在供給一家汽車(chē)總裝廠的一種零件上他們采用了遙控激光 焊接技術(shù)。該零件是 2005 大眾捷達(dá) A5 車(chē)門(mén)防側(cè)撞桿，

2、由三個(gè) 沖壓件焊接而成。在這個(gè)鍍鋅低碳鋼組件上有12條搭接焊縫。滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)始于去年十月， 預(yù)計(jì) 5年內(nèi)年產(chǎn) 317,000 輛。因?yàn)橛凶箝T(mén)和右門(mén)之分， 防側(cè)撞桿年產(chǎn) 634,000 件。 Autotek 廠實(shí)行每周 5 天的兩班工作制，相當(dāng)于每小時(shí)生產(chǎn) 235 件， 即每個(gè)零件耗時(shí)大約 15.3 s 。用戶(hù)零件圖上規(guī)定了激光焊接，因?yàn)樵摿慵呀?jīng)以 這種方式在德國(guó)生產(chǎn)，且墨西哥的工廠也采用同樣的零件裝 配汽車(chē)。 為了確定最適合于該用途的激光焊接工藝，Autotek對(duì)工業(yè)機(jī)器人用 Nd:YAG光器和遙控焊接 CO激光器進(jìn)行了 評(píng)價(jià)。如上所述，該零件在德國(guó)采用Nd:YAG激光器和工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)。 A

3、utotek 為這兩種焊接方式分別制定了方案， 并向一些潛在的“集成系統(tǒng)供應(yīng)商”詢(xún)價(jià)而獲得投資成本。 針對(duì)這一應(yīng)用的結(jié)論概括如下：兩套系統(tǒng)的投資費(fèi)用大致相同，一套R(shí)WSC作站和2臺(tái)Nd:YAG激光器的成本相當(dāng)?，F(xiàn)有 Nd:YAG系統(tǒng)焊接一 個(gè)零件需要24秒。循環(huán)時(shí)間分析顯示，RW阿在26秒內(nèi)焊2 件（幾乎是上述結(jié)果的兩倍）。因此，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中， RWSJ以達(dá)到每15.3秒一件的滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)率。 RWS系統(tǒng)的維護(hù)成本低得多。Rofin “板條式” CO2 激光器不需要更換任何光學(xué)器件，只須每 8 個(gè)月更換一次預(yù)混氣瓶。而Nd:YAG激光器需要頻繁更換泵浦燈，耗電較大， 而且必須經(jīng)常更換聚焦鏡的保

4、護(hù)蓋。 RWS易于程控實(shí)現(xiàn)不同的焊縫形狀和擺焊功能， 這一特性為按照零件結(jié)構(gòu)“定制”焊縫模式、改進(jìn)總體焊接 強(qiáng)度和零件剛度提供了較大的靈活性。 RWS提供更高的激光功率和從一個(gè)焊接位置快速 （50ms） “跳”到另一個(gè)焊接位置的能力。這大大加快了生 產(chǎn)周期，為今后使用該系統(tǒng)焊接其它零件提供了靈活性。根據(jù)這一分析， Autotek 斷定， 就焊接防側(cè)撞桿的用 途而言，RWS1具有成本優(yōu)勢(shì)和較高靈活性的解決方案。遙控激光焊接原理上世紀(jì)九十年代后期，大功率（最小3kW） CQ激光器 已經(jīng)可以提供很高的光束質(zhì)量。如圖 2所示，標(biāo)準(zhǔn)RWS包括 大功率（可達(dá)6 kW） CO2激光器和“遙控”長(zhǎng)焦距 （通常

5、 1000mm-1600mm）掃描系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以 象機(jī)器人或CNC控制器那樣執(zhí)行編程路徑，完成鈑金組件的 激光焊接。光束掃描運(yùn)動(dòng)依賴(lài)于高速直線(xiàn)電機(jī)或"檢流計(jì)"電機(jī)，這些可由制造商設(shè)定。這使光束能夠從一個(gè)焊接位置迅 速移動(dòng)到另一個(gè)焊接位置， 所需時(shí)間少于50ms掃描器還提 供定制式可編程序焊縫形狀 （針腳形、環(huán)形、魚(yú)鱗形等模式） 使用戶(hù)對(duì)于特殊的焊接處能夠采用最合適的焊道輪廓。焊接特征對(duì)比以下是遙控激光焊接與傳統(tǒng)工藝的對(duì)比概要，以進(jìn)一步說(shuō)明RWSE藝在循環(huán)時(shí)間和占地面積方面的優(yōu)勢(shì)。電阻焊：電阻焊或點(diǎn)焊具有以下典型參數(shù)：-焊接時(shí)間+機(jī)器人移動(dòng)焊槍的時(shí)間 34

6、s ;*可焊接23層，標(biāo)準(zhǔn)母材總厚度2-4mm；-可焊接鍍鋅和裸鋼板；-焊接時(shí)，焊槍起“夾鉗”的作用，將母材拉在一起。電弧焊：電弧焊（GMA）般具有如下典型參數(shù)：焊接速度 1m/min;-利用送絲機(jī)構(gòu)焊接不同的焊縫 （角焊縫、對(duì)接焊縫等）可焊2層;.母材厚度通常為 13 mm,總厚度26mm.可焊接鍍鋅和裸鋼板；.容許1/2焊絲直徑左右的裝配間隙。激光焊接：遙控 CQ激光焊機(jī)具有如下典型參數(shù)：焊接速度 36 m/min ;焊接時(shí)間約0.20.3 s ，假定一個(gè)點(diǎn)焊焊縫 15mm可焊接23層，標(biāo)準(zhǔn)母材總厚度2-4mm；.可焊接鍍鋅或裸鋼板，但是必須解決鋅的揮發(fā)物排放問(wèn)題；*要求焊接點(diǎn)最大裝配間隙

7、在0.10.2mm左右。循環(huán)時(shí)間對(duì)比：如上所述，激光焊速快于傳統(tǒng)工藝， 無(wú)論如何，循環(huán)時(shí)間的顯著增益還來(lái)自于激光束在焊縫之間 的“快速移動(dòng)”，即迅速改變焊接位置。機(jī)器人通常需要 0.53s移動(dòng)到下一個(gè)焊接位置，而遙控焊機(jī)小于50mso如果把焊接時(shí)間和“快速移動(dòng)”時(shí)間相加，可以斷定遙控焊接 的循環(huán)時(shí)間比機(jī)器人型 Nd:YAG丿快2倍左右，比電阻焊或電 弧焊快610倍 占地面積對(duì)比：遙控焊接法比其它焊接法快 26 倍， 因此一般需要較小的占地面積。事實(shí)的確是這樣，因?yàn)楹附?電源的數(shù)量以及焊接臺(tái)和傳輸設(shè)備的數(shù)量明顯減少了。同其 它焊接方法相比，RWS裝置可能只占2550%勺空間，因用途 而異。靈活性

8、對(duì)比：焊槍與零件沒(méi)有實(shí)際勺接觸，因此可 以隨時(shí)調(diào)整焊接臺(tái)使之適應(yīng)別勺零件，只須更換工裝和調(diào)用 不同勺程序。這樣使其具備了一站式處理一系列由低到中批 量沖壓鈑金裝配件勺能力。如果產(chǎn)品包含許多需要進(jìn)出小面 積工作區(qū)勺零件，則將需要智能化勺物流解決方案。系統(tǒng)布局和說(shuō)明Magna-Autotek 決心使自己成為“集成供應(yīng)商”，以 便更好地控制工裝設(shè)計(jì)和更好地理解整個(gè)工藝。系統(tǒng)布局和 工裝設(shè)計(jì)始于 2003 年 3 月。到 2003 年 12 月，系統(tǒng)裝配完 畢并焊接首個(gè)零件。激光器、掃描器和冷卻器全部裝在夾層 勺頂部，以節(jié)省空間。在掃描器箱勺下面是一個(gè)回轉(zhuǎn)式工作 臺(tái)，工作臺(tái)裝有兩套夾具，因此可以在一套

9、夾具焊接零件勺 同時(shí)另一套夾具進(jìn)行上料。樓梯是到夾層進(jìn)行日常系統(tǒng)維護(hù) 的通道。整個(gè)激光單元必須坐落在專(zhuān)門(mén)的底座上，以吸收距 離激光單元不足 25 米之遠(yuǎn)的沖壓車(chē)間的振動(dòng)。為了避免發(fā) 生大的意外，在安裝之前進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量是絕對(duì)必要的。地面 振動(dòng)必須小于激光器廠商規(guī)定的極限。而且，必須考慮安裝 排氣系統(tǒng)，因?yàn)闊焿m能夠吸收激光。實(shí)際系統(tǒng)其設(shè)計(jì)思想是一個(gè)回轉(zhuǎn)式雙工位手動(dòng)上下 料工作臺(tái)，裝于一個(gè)工位的兩個(gè)夾具用于左側(cè)門(mén)裝配件的焊 接，裝于另一個(gè)工位的兩個(gè)夾具用于右側(cè)門(mén)裝配件的焊接。 操作員把焊接好的組件卸下來(lái)，把它們放入箱子，然后裝載 一組新的沖壓件，按“循環(huán)開(kāi)始”鍵。于是，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)， 啟動(dòng)焊接程序，過(guò)

10、程重復(fù)進(jìn)行。為了保護(hù)眼睛，有一面半墻 隨轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，為焊接過(guò)程提供一個(gè)不透光的密封環(huán)境。為了 工廠人員的安全，系統(tǒng)全部用薄金屬板進(jìn)行封閉，形成一個(gè) “ I 級(jí)”安全焊接系統(tǒng)。工裝與等離子體抑制：盡管遙控激光焊接法速度快 且極大地節(jié)省空間，但是在工裝和零件裝配方面確實(shí)有一些 必須予以考慮的難題。激光光束沒(méi)有作用力，不像在點(diǎn)焊方 式下，電極裝在焊槍或液壓油缸驅(qū)動(dòng)的夾鉗上。如上所述，電弧焊接利用送絲機(jī)構(gòu)，而且考慮到了焊縫間隙。因此，為 了定位和固定待焊部位，激光焊接需要工裝夾具。此外，激光焊接鍍鋅材料時(shí)，需要設(shè)法排放鋅的揮 發(fā)物。否則，鋅在焊接過(guò)程會(huì)揮發(fā)，使焊縫產(chǎn)生額外的孔隙 和氣孔。如果焊接鍍鋅材料

11、，工裝必須同專(zhuān)用的零件夾具相 結(jié)合，共同提供揮發(fā)物排出的方法。不管金屬鍍層如何（鍍鋅或無(wú)鍍層），CO2 焊接通常需要抑制和 / 或驅(qū)散在激光焊接過(guò)程產(chǎn)生的等離子體，因?yàn)?等離子體干擾激光束，可能引起焊接過(guò)程不穩(wěn)定或者完全無(wú) 法焊接?！暗入x子體抑制氣體”或“保護(hù)氣體”可以是氦、 氮、空氣或某種混合氣體， 因具體用途和激光功率大小而定。 為了成功應(yīng)用遙控焊接技術(shù)，氣體噴嘴的位置和打開(kāi)順序也 是一個(gè)值得考慮的重要因素。Autotek 自行設(shè)計(jì)和制造了工裝夾具， 滿(mǎn)足了對(duì)零件 的適當(dāng)裝夾及定位保護(hù)氣體噴嘴的需求。第一套原型工裝于 2003年1月完成，并在安大略省布蘭普敦 Magna的Promatek

12、R&D中心進(jìn)行試焊。作為其不斷過(guò)程改進(jìn)的一部分，現(xiàn)在Autotek 正在對(duì)零件夾具進(jìn)行第三次改進(jìn) 零件設(shè)計(jì)：采用激光焊接技術(shù)的沖壓件供應(yīng)商已經(jīng) 解決了揮發(fā)物排放問(wèn)題，方法是在待焊區(qū)域壓印一個(gè)凹坑或 圓窩，這個(gè)特征可以直接做到?jīng)_壓模上，也可以在沖壓工序 以后添加。最終結(jié)果是形成 0.10.2 mm 的間隙，為鋅的揮 發(fā)留出一條通道。與點(diǎn)焊不同，激光焊縫非常窄，而且只須進(jìn)行單面 焊接。遙控焊機(jī)的掃描鏡可以在程序控制下生成不同的焊縫 形狀或樣式。此外，激光焊接的零件比點(diǎn)焊零件剛性好，不 易彎曲。在零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中就必須牢記這些概念，以便充 分利用激光焊接的優(yōu)點(diǎn)。焊縫寬度比較小，有可能減輕零件

13、 重量。對(duì)激光焊接來(lái)說(shuō)，許多點(diǎn)焊應(yīng)用所需要的余隙孔是不 必要的。Autotek 針對(duì)這個(gè)防側(cè)撞桿焊接項(xiàng)目對(duì)上述問(wèn)題進(jìn) 行了考慮。從圖 5 可見(jiàn)，待焊部位沖有小圓坑，為鋅的揮發(fā) 提供方便。零件上有 12 條焊縫，形成結(jié)實(shí)剛性的組件。遙控焊接工裝和零件的開(kāi)發(fā)工作還是比較新的工作，盡管制造夾具使用了標(biāo)準(zhǔn)件，但在專(zhuān)用零件夾具、保護(hù) 氣體排放和沖壓工藝的開(kāi)發(fā)上需要耗費(fèi)許多時(shí)間和精力。在考慮進(jìn)行遙控焊接的新用途時(shí)，必須留出時(shí)間進(jìn)行這些工藝 研究。例如，目前雖然將空氣作為保護(hù)氣體，但是Autotek為了改進(jìn)生產(chǎn)率正在考慮其它氣體。結(jié)語(yǔ)Autotek是北美首批安裝遙控激光焊接設(shè)備的廠商之一。這樣的系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：-與傳統(tǒng)方法相比，生產(chǎn)能力最多可提高10倍；系統(tǒng)布局可以比傳統(tǒng)布局面積小34倍；給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提供較大的靈活性；-零件能被設(shè)計(jì)用于適應(yīng)激光焊接的需要，焊接出來(lái)的零件更輕、更結(jié)實(shí)。Autotek采取了合適的手段以實(shí)施這一工藝：在初始實(shí)施階段，仔細(xì)評(píng)估各種選擇，選擇最有成本效益的方式。-認(rèn)真處理過(guò)程的每個(gè)細(xì)節(jié)，確保成功的結(jié)果;*審核零件設(shè)計(jì)的激光可焊性，包括附加有助于鋅揮發(fā)的“酒窩”；.設(shè)計(jì)和制造適應(yīng)于遙控激光焊接的零件夾具；.留出足夠的時(shí)間進(jìn)行投產(chǎn)前的開(kāi)發(fā)；早日確定并培訓(xùn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施和操作負(fù)責(zé)的小組成員。今天,在實(shí)際生產(chǎn)中RWS勺安裝數(shù)量愈來(lái)愈多。盡管 激光與電阻焊或電