具有優(you) 異光速質量的高功率光纖激光器經常被用於(yu) 汽車白車身的遠程焊接。其焊接速度和生產(chan) 效率是電阻點焊或傳(chuan) 統激光焊接等任何其它焊接技術無法比擬的。但是過高夾具加工成本、龐大的激光安全房 ，都限製著遠程激光焊接的應用。 

    隨著汽車工業(ye) 規模日益增大，電阻點焊和激光遠程焊接的應用已頗具規模。有人讚成，也有人反對這種應用。激光遠程焊接的主要優(you) 點是高效的焊接效率，及具有激光焊縫的各種優(you) 點，使焊接周期顯著縮短。電阻點焊的優(you) 點是自身帶有低沉本的夾緊技術，IPG光子有限公司已經在新型激光線焊槍LSS中結合了這些優(you) 點。 

    激光線焊機能夠在焊接前像電阻點焊一樣夾緊焊接件，然後以振蕩模式，開始數個(ge) 10mm長度的激光縫焊。激光焊接和激光器光束路徑在夾具的空心結構內(nei) ，因此無需外部安全房屏蔽激光焊接。該焊接機集成有排氣係統，用於(yu) 排放焊接煙霧和煙塵。 

    激光線焊機采用一個(ge) 縫焊代替傳(chuan) 統電阻點焊的兩(liang) 個(ge) 焊點，扭轉鋼度明顯增加。以同樣的節拍工作時，激光線焊的效率是電阻點焊的兩(liang) 倍。 

    激光遠程焊接的速度比電阻點焊高5-8倍，在焊接小型零件時具有無與(yu) 倫(lun) 比的經濟效益，可在車身焊接中多處應用。激光線焊機能夠替代車身焊接中使用的電阻點焊槍，可以集成於(yu) 車身生產(chan) 線中與(yu) 點焊混線生產(chan) 。 

    而新開發的激光線焊槍，帶有自夾緊係統，安全的激光封閉係統，無需額外的激光安全房。激光線焊槍的使用及操作方式與(yu) 傳(chuan) 統電阻點焊槍一樣，但焊接速度是電阻點焊的2倍。激光線焊的焊接速度比點焊的高，但比遠程焊接低。激光線焊幾乎具有所有激光焊接的優(you) 點：完成窄邊焊接、高強鋼板的焊接、3層板焊接、鋁材焊接等等。低能耗低成本的IPG光纖激光器是車身組裝的新型利器。 

    激光遠程焊接 

    激光遠程焊接是指焦距大並通過傾(qing) 斜光束（而不是以焊接速度移動激光光纖或零件）來實現激光光束和工件之間相對運動的焊接。 

    遠程焊接時需要高光束質量。用於(yu) 白車身焊接的首台激光器為(wei) 設有固定式掃描儀(yi) 的CO2激光器。隨著光纖激光器等固態激光器光束質量的提高，還可以與(yu) 更小的掃描儀(yi) 一起使用，掃描儀(yi) 安裝在標準的6軸機器人上。 

    在實際的生產(chan) 中使用兩(liang) 套係統，均具有非常高的生產(chan) 率。典型激光功率為(wei) 4-6kW，焊接速度為(wei) 4-10m/分鍾。固定式掃描儀(yi) 能夠掃描最大尺寸為(wei) 1.4m x 3m的工作區域，掃描儀(yi) 的焦距為(wei) 1.6m（圖1）。 

    采用寬幅掃描儀(yi) 掃描到的CO2-激光器和光纖激光器的典型焊點熔核，如圖2所示。圖片表明，光纖激光器的最大可能焊接速度高許多。這種運行情況的原因是10.600μm（CO2-激光器）和1070nm（摻鐿光纖激光器）激光輻射的吸收機製不相同。由於(yu) 波長更長，CO2-激光器具有等離子屏蔽效應，使得焊縫上部更寬，從(cong) 而降低了穿透能力。 

    在實際的零件焊接中，摻鐿光纖激光器的加工時間比CO2-激光器焊接零件所需的時間短30%（圖3）。

    已經有人開始通過引進光束質量等於(yu) 或高於(yu) 8mm毫拉的大功率固態激光器開發基於(yu) 機器人的激光點焊機。這些激光器的光束質量足夠用於(yu) 0.5m或更長工作距離，以及通過靈活的光纖光束引導係統，標準工業(ye) 機器人能夠用於(yu) 將掃描儀(yi) 移動到不同位置。 

    還可以利用機器人以恒定速度在焊接件上方移動掃描儀(yi) ，當掃描儀(yi) 工作區域出現焊縫時，可以利用機器人安裝式掃描儀(yi) 使焊縫下降。這種焊接被稱為(wei) 空中焊接，彌補了機器人安裝式掃描儀(yi) 工作區域更小的缺點，並在整個(ge) 機器人工作區域增加了工作空間。軟件包支持對這些係統的編程，有助於(yu) 優(you) 化機器人軌道以及同步機器人和掃描儀(yi) 的運動。 

    不過，由於(yu) 必須處理兩(liang) 台不同的控製器：一台機器人控製器和一台掃描儀(yi) 控製器，隻能由熟練的操作員對新部件編程和操作這些裝置。隻有一台控製器的工作解決(jue) 方案如圖4所示。這是設有集成傾(qing) 斜反射鏡的機器人，傾(qing) 斜反射鏡能夠在機械臂內(nei) 快速做橫向和Z字形移動。該機器人的控製器用於(yu) 控製機器人的機械軸以及光學部件的運動。

    進行激光遠程焊接時，主要焊接搭接接頭。對於(yu) 高質量的焊接，在夾緊連接件時，夾緊方式應確保焊接件之間無空氣間隙或將空氣間隙降到最小。必須使用相同方式，以便能夠在所有焊接部位確保無縫隙（cero gap）的夾具。該應用領域中打開狀態下的標準液壓夾具如圖5所示。關(guan) 閉蓋子既可夾緊，激光光束通過蓋子上的各孔進入。

    出於(yu) 安全考慮，激光遠程焊接需要完全密閉焊接區域，需要將零件往複移動到外殼內(nei) 。隻有當完全關(guan) 閉激光器外殼以及重新關(guan) 閉電氣安全電路時才能啟動焊接循環。根據掃描儀(yi) 技術和激光功率，必須使用具有雙壁結構和集成光學傳(chuan) 感器的激光外殼。這造成激光遠程焊接方案的費用增加以及使用的靈活性下降。 

    激光線焊機LSS 

    激光線焊機或激光點焊槍，能夠直接替代電阻點焊技術。激光線焊機可用作隻能從(cong) 單側(ce) 進入的零件的焊槍或C型槍，是翻邊焊接的理想解決(jue) 方案（圖6）。

    激光線焊機可替代電阻點焊工藝，具有夾具和生產(chan) 設備簡單的特點以及激光焊接的優(you) 點。 

    激光焊接應用於(yu) 白車身生產(chan) ，具有下述優(you) 點： 

    1.加工速度更快（循環時間更短） 

    2.焊縫更長，使得部件強度增加，扭轉剛度更高 

    3.翻邊尺寸更短 

    4.可單側(ce) 進入 

    5.成本與(yu) 電阻點焊焊接係統相差無幾 

    6.高質量的穩定的焊接質量 

    7.在部分焊穿的焊接中，背部無縮溝。

    光纖激光器與(yu) 合適的焊接工具結合將會(hui) 實現以上所有目標。如圖7所示。激光線焊機（LSS）通過疊加振蕩方式使激光光束做線性運動。為(wei) 安全起見，通過矩形的空心壓力元件引導激光光束，壓力元件將各零件壓在一起，還用於(yu) 確保激光安全。利用來自壓力元件底部的傳(chuan) 感器信號也能夠釋放激光光束。適用的最小曲率取決(jue) 於(yu) 壓力元件的長度。40mm焊接的曲率不應小於(yu) 2m。 

    在通過外殼確定的範圍（標準= 40 mm）內(nei) 能夠進行有或無振蕩（+ /- 1 mm）的激光焊接。例如，最容易的應用是安裝在工業(ye) 機器人第6軸上的模塊（30 kg輸送能力）。機器人將模塊移動到要求的焊接位置。在這個(ge) 位置，隻能通過機器人的力量將它放置在部件上。在焊縫範圍內(nei) ，部件下方的固定式工具用作反作用力或支撐（如圖6左所示）。 

    在典型步進作業(ye) （40 mm焊縫、50 mm自由空間、40 mm焊縫等）時，能夠以大約30 mm / 秒的焊接速度每1.3~1.5秒進行一次激光焊接（見圖7）。在2.5s內(nei) 完成更換兩(liang) 個(ge) 焊接點的焊接循環，包括LSS移動。

     具有C-槍的激光線焊機（LSS）安裝在伺服電機驅動的橫移裝置上。這與(yu) 設有補償(chang) 模塊的電阻焊接槍類似（見圖6右）。這種型號工業(ye) 機器人（80kg輸送能力）將LLS移入焊接位置，並以可編程的力關(guan) 閉。 

    係統的模塊補償(chang) 各部件位置和幾何結構的誤差。隻利用激光焊接工具施加作用在係統上的連接力（0.5–3kN），這些連接力無需機器人。在典型步進作業(ye) 時，能夠每1.7–2秒進行一次激光焊接。 

    設有小型IPG 光纖激光器的激光焊接工具的特點： 

    1.步進焊線焊機隻需有效負荷為(wei) 30kg的機器人。 

    2.基本型號能夠使係統焊接最大長度為(wei) 40 mm的線性焊縫。 

    3.為(wei) 了展開焊縫（2mm），能夠視需要打開橫擺功能。 

    4.激光器采用非結構非常緊湊的光纖激光器，功率為(wei) 1-4kW，總效率超過30%。白色車身應用的典型激光功率為(wei) 2kW。 

    5.免維護。 

    6. LSS是節約成本的激光係統，能夠在無複雜的激光保護外殼情況下使用。 

    7. LSS能夠以規定的力在焊縫區域連接將要焊接的鈑金件。該過程在激光焊接期間減少了通常很高的夾緊力。 

    8.利用軟件可以配置且通過現場總線接口能夠控製焊縫長度及所有其它焊接參數。 

    該係統的典型應用為(wei) 現在仍配備有許多電阻焊接槍的白色車身組裝線（見圖8）。

    目的是通過一條大約30-40 mm的激光步進焊縫兩(liang) 個(ge) 大約30 mm典型距離的焊接點。例如，如果是30個(ge) 電阻焊接點，循環時間大約為(wei) 75秒。如果以所述方式用激光焊接代替點焊，隻需要15條激光焊縫。循環時間能夠減少，總共隻需要37秒。意味著生產(chan) 率和大幅精簡所需生產(chan) 係統兩(liang) 個(ge) 因素。即使單台LSS的成本比單台點焊槍的高，也能夠達到節約占地麵積和減少投資的目的。

    設有IPG激光器的LSS步進線焊機係統是結構非常緊湊的高集成係統，以理想方式擁有IPG 光纖激光器各項特點。它表明，現在車間比以前任何時候都更容易使用激光器。本激光焊接係統已經集成有激光器、安全控製器、運動控製器以及水冷卻器，隻需大約1m2麵積，大約2m高的空間。 

    結論 

    遠程焊接時間非常短，節約5-8倍焊接時間，可代替點焊。由於(yu) 非常迅速地從(cong) 一個(ge) 焊接跳到下一個(ge) 焊接，線焊機幾乎無空閑時間。因此，激光光源和線焊機的工作周期達80%。即使單台遠程焊接設備的投資成本非常高，由於(yu) 生產(chan) 率高和經營成本少，與(yu) 點焊相比，成本也大幅下降。遠程焊接是以至少20-40個(ge) 焊接點焊接小型零件的經濟型工具。 

    與(yu) CO2-激光器遠程激光線焊機相比，在引進高亮度固態激光器，如光纖激光器後，能夠實施高很多的焊接速度。機器人安裝式掃描儀(yi) 係統增加了使用的靈活性。激光跳焊機或激光線焊機比點焊快2倍，如果兩(liang) 個(ge) 能夠用一個(ge) 振蕩的線性焊縫代替兩(liang) 個(ge) 靠在一起的焊接點，能夠使用此類焊線焊機。 

    LSS係統是白色車身焊接的額外工具。它能夠替代在彎曲部件具有局限性的所有電阻點焊應用。LSS所需環境與(yu) 受限製的點焊相同，因此可以用於(yu) 各種設備。 

    光纖激光器不僅(jin) 可以代替現有應用中的其它激光器，如遠程焊接。由於(yu) 光束質量高以及結構緊湊，它還是連接和替代傳(chuan) 統技術的新型工具。LSS是根據生產(chan) 需要使用的新一代激光工具，由於(yu) 能耗低，總購置成本低，它是現代汽車生產(chan) 中的經濟解決(jue) 方案。

作者：IPG光子有限公司 Berthold Kessler