光纤激光焊接在白车身生产中的应用

【编者按】具有优异光速质量的高功率光纤激光器经常被用于汽车白车身的远程焊接。其焊接速度和生产效率是电阻点焊或传统激光焊接等任何其它焊接技术无法比拟的。但是过高夹具加工成本、庞大的激光安全房 ，都限制着远程激光焊接的应用。

随着汽车工业规模日益增大，电阻点焊和激光远程焊接的应用已颇具规模。有人赞成，也有人反对这种应用。激光远程焊接的主要优点是高效的焊接效率，及具有激光焊缝的各种优点，使焊接周期显著缩短。电阻点焊的优点是自身带有低沉本的夹紧技术，IPG光子有限公司已经在新型激光线焊枪LSS中结合了这些优点。

激光线焊机能够在焊接前像电阻点焊一样夹紧焊接件，然后以振荡模式，开始数个10mm长度的激光缝焊。激光焊接和激光器光束路径在夹具的空心结构内，因此无需外部安全房屏蔽激光焊接。该焊接机集成有排气系统，用于排放焊接烟雾和烟尘。

激光线焊机采用一个缝焊代替传统电阻点焊的两个焊点，扭转钢度明显增加。以同样的节拍工作时，激光线焊的效率是电阻点焊的两倍。

激光远程焊接的速度比电阻点焊高5-8倍，在焊接小型零件时具有无与伦比的经济效益，可在车身焊接中多处应用。激光线焊机能够替代车身焊接中使用的电阻点焊枪，可以集成于车身生产线中与点焊混线生产。

而新开发的激光线焊枪，带有自夹紧系统，安全的激光封闭系统，无需额外的激光安全房。激光线焊枪的使用及操作方式与传统电阻点焊枪一样，但焊接速度是电阻点焊的2倍。激光线焊的焊接速度比点焊的高，但比远程焊接低。激光线焊几乎具有所有激光焊接的优点：完成窄边焊接、高强钢板的焊接、3层板焊接、铝材焊接等等。低能耗低成本的IPG光纤激光器是车身组装的新型利器。

激光远程焊接

激光远程焊接是指焦距大并通过倾斜光束（而不是以焊接速度移动激光光纤或零件）来实现激光光束和工件之间相对运动的焊接。

远程焊接时需要高光束质量。用于白车身焊接的首台激光器为设有固定式扫描仪的CO2激光器。随着光纤激光器等固态激光器光束质量的提高，还可以与更小的扫描仪一起使用，扫描仪安装在标准的6轴机器人上。

在实际的生产中使用两套系统，均具有非常高的生产率。典型激光功率为4-6kW，焊接速度为4-10m/分钟。固定式扫描仪能够扫描最大尺寸为1.4m x 3m的工作区域，扫描仪的焦距为1.6m（图1）。

采用宽幅扫描仪扫描到的CO2-激光器和光纤激光器的典型焊点熔核，如图2所示。图片表明，光纤激光器的最大可能焊接速度高许多。这种运行情况的原因是10.600μm（CO2-激光器）和1070nm（掺镱光纤激光器）激光辐射的吸收机制不相同。由于波长更长，CO2-激光器具有等离子屏蔽效应，使得焊缝上部更宽，从而降低了穿透能力。

在实际的零件焊接中，掺镱光纤激光器的加工时间比CO2-激光器焊接零件所需的时间短30%（图3）。

已经有人开始通过引进光束质量等于或高于8mm毫拉的大功率固态激光器开发基于机器人的激光点焊机。这些激光器的光束质量足够用于0.5m或更长工作距离，以及通过灵活的光纤光束引导系统，标准工业机器人能够用于将扫描仪移动到不同位置。

还可以利用机器人以恒定速度在焊接件上方移动扫描仪，当扫描仪工作区域出现焊缝时，可以利用机器人安装式扫描仪使焊缝下降。这种焊接被称为空中焊接，弥补了机器人安装式扫描仪工作区域更小的缺点，并在整个机器人工作区域增加了工作空间。软件包支持对这些系统的编程，有助于优化机器人轨道以及同步机器人和扫描仪的运动。

不过，由于必须处理两台不同的控制器：一台机器人控制器和一台扫描仪控制器，只能由熟练的操作员对新部件编程和操作这些装置。只有一台控制器的工作解决方案如图4所示。这是设有集成倾斜反射镜的机器人，倾斜反射镜能够在机械臂内快速做横向和Z字形移动。该机器人的控制器用于控制机器人的机械轴以及光学部件的运动。

进行激光远程焊接时，主要焊接搭接接头。对于高质量的焊接，在夹紧连接件时，夹紧方式应确保焊接件之间无空气间隙或将空气间隙降到最小。必须使用相同方式，以便能够在所有焊接部位确保无缝隙（cero gap）的夹具。该应用领域中打开状态下的标准液压夹具如图5所示。关闭盖子既可夹紧，激光光束通过盖子上的各孔进入。

出于安全考虑，激光远程焊接需要完全密闭焊接区域，需要将零件往复移动到外壳内。只有当完全关闭激光器外壳以及重新关闭电气安全电路时才能启动焊接循环。根据扫描仪技术和激光功率，必须使用具有双壁结构和集成光学传感器的激光外壳。这造成激光远程焊接方案的费用增加以及使用的灵活性下降。

激光线焊机LSS

激光线焊机或激光点焊枪，能够直接替代电阻点焊技术。激光线焊机可用作只能从单侧进入的零件的焊枪或C型枪，是翻边焊接的理想解决方案（图6）。

激光线焊机可替代电阻点焊工艺，具有夹具和生产设备简单的特点以及激光焊接的优点。

激光焊接应用于白车身生产，具有下述优点：

1.加工速度更快（循环时间更短）

2.焊缝更长，使得部件强度增加，扭转刚度更高

3.翻边尺寸更短

4.可单侧进入

5.成本与电阻点焊焊接系统相差无几

6.高质量的稳定的焊接质量

7.在部分焊穿的焊接中，背部无缩沟。

光纤激光器与合适的焊接工具结合将会实现以上所有目标。如图7所示。激光线焊机（LSS）通过叠加振荡方式使激光光束做线性运动。为安全起见，通过矩形的空心压力元件引导激光光束，压力元件将各零件压在一起，还用于确保激光安全。利用来自压力元件底部的传感器信号也能够释放激光光束。适用的最小曲率取决于压力元件的长度。40mm焊接的曲率不应小于2m。

在通过外壳确定的范围（标准= 40 mm）内能够进行有或无振荡（+ /- 1 mm）的激光焊接。例如，最容易的应用是安装在工业机器人第6轴上的模块（30 kg输送能力）。机器人将模块移动到要求的焊接位置。在这个位置，只能通过机器人的力量将它放置在部件上。在焊缝范围内，部件下方的固定式工具用作反作用力或支撑（如图6左所示）。

在典型步进作业（40 mm焊缝、50 mm自由空间、40 mm焊缝等）时，能够以大约30 mm / 秒的焊接速度每1.3~1.5秒进行一次激光焊接（见图7）。在2.5s内完成更换两个焊接点的焊接循环，包括LSS移动。

具有C-枪的激光线焊机（LSS）安装在伺服电机驱动的横移装置上。这与设有补偿模块的电阻焊接枪类似（见图6右）。这种型号工业机器人（80kg输送能力）将LLS移入焊接位置，并以可编程的力关闭。

系统的模块补偿各部件位置和几何结构的误差。只利用激光焊接工具施加作用在系统上的连接力（0.5–3kN），这些连接力无需机器人。在典型步进作业时，能够每1.7–2秒进行一次激光焊接。

设有小型IPG 光纤激光器的激光焊接工具的特点：

1.步进焊线焊机只需有效负荷为30kg的机器人。

2.基本型号能够使系统焊接最大长度为40 mm的线性焊缝。

3.为了展开焊缝（2mm），能够视需要打开横摆功能。

4.激光器采用非结构非常紧凑的光纤激光器，功率为1-4kW，总效率超过30%。白色车身应用的典型激光功率为2kW。

5.免维护。

6. LSS是节约成本的激光系统，能够在无复杂的激光保护外壳情况下使用。

7. LSS能够以规定的力在焊缝区域连接将要焊接的钣金件。该过程在激光焊接期间减少了通常很高的夹紧力。

8.利用软件可以配置且通过现场总线接口能够控制焊缝长度及所有其它焊接参数。

该系统的典型应用为现在仍配备有许多电阻焊接枪的白色车身组装线（见图8）。

目的是通过一条大约30-40 mm的激光步进焊缝两个大约30 mm典型距离的焊接点。例如，如果是30个电阻焊接点，循环时间大约为75秒。如果以所述方式用激光焊接代替点焊，只需要15条激光焊缝。循环时间能够减少，总共只需要37秒。意味着生产率和大幅精简所需生产系统两个因素。即使单台LSS的成本比单台点焊枪的高，也能够达到节约占地面积和减少投资的目的。

设有IPG激光器的LSS步进线焊机系统是结构非常紧凑的高集成系统，以理想方式拥有IPG 光纤激光器各项特点。它表明，现在车间比以前任何时候都更容易使用激光器。本激光焊接系统已经集成有激光器、安全控制器、运动控制器以及水冷却器，只需大约1m2面积，大约2m高的空间。

结论

远程焊接时间非常短，节约5-8倍焊接时间，可代替点焊。由于非常迅速地从一个焊接跳到下一个焊接，线焊机几乎无空闲时间。因此，激光光源和线焊机的工作周期达80%。即使单台远程焊接设备的投资成本非常高，由于生产率高和经营成本少，与点焊相比，成本也大幅下降。远程焊接是以至少20-40个焊接点焊接小型零件的经济型工具。

与CO2-激光器远程激光线焊机相比，在引进高亮度固态激光器，如光纤激光器后，能够实施高很多的焊接速度。机器人安装式扫描仪系统增加了使用的灵活性。激光跳焊机或激光线焊机比点焊快2倍，如果两个能够用一个振荡的线性焊缝代替两个靠在一起的焊接点，能够使用此类焊线焊机。

LSS系统是白色车身焊接的额外工具。它能够替代在弯曲部件具有局限性的所有电阻点焊应用。LSS所需环境与受限制的点焊相同，因此可以用于各种设备。

光纤激光器不仅可以代替现有应用中的其它激光器，如远程焊接。由于光束质量高以及结构紧凑，它还是连接和替代传统技术的新型工具。LSS是根据生产需要使用的新一代激光工具，由于能耗低，总购置成本低，它是现代汽车生产中的经济解决方案。

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