远距离激光焊接对汽车制造的影响

　　2004年，一个以激光为基础的远距离焊接系统(RWS)在墨西哥Puebla的 Magna-Autotek全面投入生产了。这台RWS采用高功率CO2激光光束和一个可动的镜子，引导激光来焊接金属薄板零件。具有良好光束质量的高功率CO2激光器的出现，使该技术能在1米x1米或更大的工作区域运行。与传统技术相比，这一技术的优点包括周期较快和占地面积（生产面积）较小。Magna-Autotek是“Tier 1”汽车供应商，该公司已经用远距离激光焊接技术为其它汽车装配厂，生产了一个零件。

　　该零件用于2005大众汽车Jetta A5型汽车，是一个门梁冲压装配件（door beam impact member assembly），它由三个焊接在一起的单个冲压件组成。在镀锌低碳钢上，有12个重叠的焊缝(见图1)。去年10　月开始全面生产，预计在5年期间，年生产量为317,000辆。因为有左门、右门之分,这就要求每年生产634,000个门梁冲压装配件。因为Autotek是分二班运转的，每周工作5天，这表明：该系统的生产率为每小时可生产235个零件，生产一个零件平均仅需15.3秒。
 　　　　
　　　　图1.冲压装配件：在镀锌低碳钢上有12个重叠的焊缝

　　因为激光焊接已经在德国用于生产，所以在客户的图纸中规定要用激光焊接，因此，在墨西哥的这家工厂将会用同样的零件来组装车辆。Autotek公司对装在机械手上的Nd:YAG激光器和具有远距离焊接功能的CO2激光器进行了评估，以便为它选择一个最好的加工技术。如已经注意到的那样，这个零件已在德国用Nd:YAG激光器和工业机械手进行生产。 Autotek想通过从潜在的系统供应商那里，能得到有关加工和投资成本方面的信息。下面是同这项应用有关的几个结论的摘要：

　　 这两个系统的投资成本类似，因为Nd:YAG激光器需要两个，而RWS工作站只需一个。 现有的Nd:YAG系统加工一个零件需要24秒。 周期分析表明：RWS在26秒内可生产二个零件(差不多是2倍产量)。因此，用一个RWS，可达到的全面生产能力为：15.3秒生产一个零件。

　　RWS具有低得多的系统维修成本。Rofin“平板”CO2激光器不需要更换任何光学元件，只需要每8个月更换一只预混合气体瓶。Nd:YAG激光器需要经常更换灯，电费成本较高，聚焦光学系统要求经常更换保护“盖”。

　　RWS容易为各种焊缝形状和编织功能编程。这为创造各种焊缝图样提供了较大的灵活性，更能满足客户为达到更高整体焊缝强度和零件硬度的设计要求。

　　RWS具有较高的激光功率，能快速从一个焊点位置移到下一个焊点位置，跳跃时间仅为50ms。这使生产周期大大加快，为未来使用该系统装配其它零件提供了方便。

　　在这一分析的基础上,Autotek确认：对它的门梁冲压装配件应用来说，RWS是成本较低和灵活性更高的解决方案。

远距离激光焊接要点

　　在上世纪90年代后期，高功率(3千瓦和3千瓦以上)CO2激光器已经出现，而且光束质量很好。 图2显示的典型RWS包括一台高功率(高达6千瓦)CO2激光器和一个具有长焦距(典型为1000毫米-1600毫米)的“远距离”扫描系统。计算机驱动的运动系统按程序行走一段路程，就像机械手或CNC控制器那样，便可完成对待焊金属薄板组件的激光焊接。
 　　　　
　　　　图2. 典型的远距离焊接系统

　　光束的扫描运动可根据生产者的要求，或采用高速、线性马达，或采用“检流计”来实现。这使从一个焊点到下一个焊点的移动速度加快，移动时间小于50ms。扫描器还可以为客户提供可编程的焊缝形状（缝线、圆、编织和其它图样），允许用户为特殊焊接采用最好的路径。

比较焊接特性

　　为进一步说明RWS在加工周期和占地面积方面的优势，现将远距离激光焊接与传统焊接方法进行比较，结果如下：

　　电阻焊—电阻焊或“点”焊具有如下典型参数：

　　* 焊接时间 + 机械手移动焊枪的时间≈ 3-4秒
　　* 可焊2-3层，总材料厚度≈ 2-4毫米
　　* 可焊镀膜或不镀膜的钢板
　　* 焊枪起“夹子”的作用，在焊接时，将材料拉到一起

　　电弧焊--电弧焊(GMAW)的典型参数如下：

　　* 焊接速度≈ 1米/分钟
　　* 使用送线装置可焊接2层，连接结构可以是各种各样的(带状、对接等)
　　* 材料厚度典型的为1-3毫米，总厚度为2-6毫米
　　* 可焊镀膜或不镀膜的钢板
　　* 允许被焊零件间的“缝隙”约为焊丝直径的1/2。

　　激光焊接--CO2远距离激光焊接机具有如下典型参数:

　　* 焊接速度≈ 3-6米/分钟
　　* 焊接时间约0.2-0.3秒，焊缝长15毫米≈一个点焊缝
　　* 可焊接2-3层，总材料厚度≈ 2-4毫米
　　* 可焊镀膜或不镀膜的钢板, 但必须考虑锌的排出问题
　　* 要求被焊零件尽量靠近，允许的最大缝隙为0.1-0.2毫米。

　　周期时间比较--如上所说，激光焊接时间比传统方法快得多。但周期时间优势还与快速移动或在不同焊点间的快速替换有关。机械手从一个点移到下一个点所需要的时间约为0.5-3秒，用远距离焊接机这个时间小于50ms。将焊接时间和“快速移动”时间结合在一起，我们就可得出如下结论：远距离焊接的周期时间比Nd: YAG加机械手焊接快2倍，比电阻焊和电弧焊快6-10倍。

　　占地面积比较--因为远距离焊接过程比其他焊接程序快2-6倍,它要求的生产空间应该较小。现在，这已经变成了事实，因为焊接能源、焊接站和传输设备的总数已被大大减少。在不同应用情况下，安装RWS所需的厂房面积只有其它焊接工艺所需面积的25-50%。

　　灵活性比较-- 因为在激光焊接时，焊枪实际上没有与零件接触（因此采用了术语“远距离”），因此在加工不同零件时，焊接站就很容易应付，只需简单地改变夹具和调用不同的程序。这样，一个焊接站就可以加工小批量、中批量金属零件配件。具有多个零件的产品从一个较小生产空间搬进、搬出，要求有一个智能的物流解决方案。

系统布局和描述

　　Magna-Autotek决定自己来进行系统整合，使之能更好地控制夹具设计，能更深地理解加工过程。2003年6月，开始系统布局和夹具设计。到2003年12月，系统已经安装完毕，并焊接了第一零件。激光扫描盒、制冷器都装在中层顶端，以减小占地面积。在扫描盒的下面有一个转盘，上面固定着二个夹具。在其中一个夹具上的零件被焊接的时候，可在另一个夹具上装卸零件。借助于扶梯可到中层进行常规维修。整个激光焊接房间必须放在一个特殊的地基上面，以吸收焊接房间周围25米内的振动。为避免出现大的问题，在安装之前进行振动测量是绝对必要的。地板振动必须小于激光供应商所规定的界限。因为灰尘和烟雾将吸收激光，所以还必须考虑排气系统。
 　　　　
　　　　图3.在组装期间的远距离焊接系统,含有一张可用人工方式进行装卸的二站式旋转台

　　实际系统如图3所示。 关键是一个可用人工方式进行装卸的二站式旋转台。一个站有二个夹具，用于右手装配；另一个站也有二个夹具，用于左手装配。操作人员将焊好的组件卸下后,把它们放到柳腾箱中,再将一组新的冲压件装上去，推一下“循环开始”，转盘转动，焊接程序开始，过程重复。局部的墙壁随转盘转动，可以在焊接期间提供“遮拦”，以保护眼睛。整个系统再用金属薄板保护起来，以创造一个确保职工安全的“1级”焊接系统。

　　夹具和等离子体抑制--远距离激光解决方案，一方面具有加工速度快、占地面积小等优点，但在夹具与零件的配合方面还面临着挑战。激光是没有力的，不像点焊那样，电极附在枪上，或附在圆筒驱动的定位机构上。如前面指出的那样,电弧焊使用焊条，因此允许焊缝有一定的空隙。激光焊接是自己完成的，即不采用任何填料。因此,激光焊接要求将夹具放到、并固定在被焊区域。

　　此外，激光焊接镀锌材料时，要求设法将锌的挥发物排出。否则，锌将会通过焊缝爆出，导致多孔和多处爆裂。对镀锌材料，夹具必须与特殊的零件特征结合起来工作，以提供一个排泄气体方法。

　　不管金属镀膜的情况如何(镀锌或赤裸)，CO2焊接一般要求设法抑制在焊接过程中产生的等离子体或将它吹走。 这是因为等离子体干扰激光束，使焊接过程变得不稳定或使焊接彻底失败。等离子体抑压或“保护气体”可以是氦、氮、空气或一些组合气体，这要看应用情况和所用功率而定。为成功进行远距离焊接，安排好气体喷嘴的位置，以及确定打开它们的时间也是非常重要的。
 　　　　
　　　　图4.能满足适当夹住零件和屏蔽气体喷嘴位置需要的零件夹具

　　Autotek设计和建造了它自己的夹具。该夹具能同时满足适当夹住零件和最佳屏蔽气体喷嘴位置的需要。第一个原型夹具是在2003年6月完成的，焊接工作则是在安大略省Brampton的Magna的Promatek R&D 设备上完成的。 现在，Autotek对它的零件夹具正在进行第三次反复，以不断改善激光焊接的质量。所用夹具如图4所示，注意定位方法和位于焊缝附近的屏蔽气体喷嘴位置。

　　零件设计—激光焊接用的冲压件供应商已经通过压花或在被焊区形成酒窝的方法解决了排气问题。这一特征可被结合到冲压模中，或在冲压后加上。最终的结果是：产生了一个0.1-0.2毫米的缝隙，允许锌从该缝隙排出。

　　与点焊接不一样的是：激光焊缝很窄，并且只需要从一边接近零件。远距离焊接机的扫描镜可通过编程，来产生各种不同的焊缝形状或图样。此外，激光焊接的零件很硬，刚性比点焊的零件好。这些概念在零件设计的早期，就必须记住，以充分利用激光焊接的优点。如果减轻重量，焊缝边缘可以做得更小。在许多点焊的情况下，常常要求检查孔，激光焊接是不需要的。

　　Autotek在加工该冲压件的计划中，已经考虑了这些问题。如图5所示，在被焊区浮雕了一些小的圆形“酒窝”，以便将锌排出。在零件上，有12个“针型”焊缝，允许进行牢固的刚性装配。
 　　　　
　　　　图5.靠近激光焊接区，可以看出：在被焊区有便于锌排出的浮雕酒窝，以及12个“针型”焊缝

　　对远距离焊接来说，夹具和零件的开发都比较新。尽管可用标准零件来构成夹具，但在固定零件、使用屏蔽气体和冲压技术的发展方面，还是化了不少时间和精力。在考虑为远距离焊接寻找新的应用时，要有足够的时间。例如，这一次用空气来作为屏蔽气体，但Autotek还在考虑其它气体，以提高生产率。

小结

　　Autotek是北美首批安装远距离焊接设备的厂商之一。这个系统的优点如下：

　　* 与传统技术相比，生产能力提高了10倍
　　* 系统占地面积比传统技术小3-4倍
　　* 允许生产车间有更大的灵活性
　　* 零件的设计允许进行激光焊接, 加工出来的零件更轻、更坚硬。

　　Autotek已经采取了适当的措施来实行这一技术:

　　* 在加工的早期，仔细评估焊接技术，选择最有成本效益的方式。
　　* 对加工细节详细研究，以确保最后成功
　　* 回顾零件设计，研讨了零件的激光可焊性, 包括增加“酒窝”，允许锌从缝隙中排出
　　* 设计和加工了适合于远距离激光焊接的零件夹具
　　* 在开始生产之前，给发展留有充份的时间
　　* 早日确定和教育执行和操作该系统的人员。

　　今天,在实际生产中，RWS的安装数量愈来愈多。 尽管，与电阻焊或电弧(GMAW)焊相比，激光器是相当昂贵的焊接能源,但整个系统的成本还是差不多的，RWS技术的优点更多。

　　尽管，不是每个零件都适合用该技术进行加工的，但该实例的研究表明：用远距离激光焊接代替传统焊接技术是有益的、成功的。 在零件设计和生产循环的早期阶段，就应该进行适当的分析，以确定采用远距离激光焊接技术是否适当。此外，汽车设计者应该考虑零件设计和装配的解决方案，以便使生产变得更容易、更快和更廉价。

　　RWS是一个极为优秀的焊接解决方案，应该将它结合到这个设计过程之中。

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