2004年10月，一套遙控激光焊接系統(tǒng)（RWS）在墨西哥柏布拉市Magna-Autotek投入滿負(fù)荷生產(chǎn)。這套R(shí)WS采用了高功率CO2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CO2 激光器的問世，使該技術(shù)能夠應(yīng)用于1m ×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”汽車供應(yīng)商，在供給一家汽車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車門防側(cè)撞桿，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和右門之分，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)以這種方式在德國生產(chǎn)，且墨西哥的工廠也采用同樣的零件裝配汽車。為了確定最適合于該用途的激光焊接工藝，Autotek對工業(yè)機(jī)器人用Nd:YAG激光器和遙控焊接CO2激光器進(jìn)行了評價(jià)。如上所述，該零件在德國采用Nd:YAG激光器和工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)。Autotek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”詢價(jià)而獲得投資成本。針對這一應(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)WS工作站和2臺(tái)Nd:YAG激光器的成本相當(dāng)。現(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，RWS可在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，RWS可以達(dá)到每15.3 秒一件的滿負(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，RWS是具有成本優(yōu)勢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) CO2 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”長焦距 (通常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)依賴于高速直線電機(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、魚鱗形等模式），使用戶對于特殊的焊接處能夠采用最合適的焊道輪廓。
焊接特征對比
以下是遙控激光焊接與傳統(tǒng)工藝的對比概要，以進(jìn)一步說明RWS工藝在循環(huán)時(shí)間和占地面積方面的優(yōu)勢。
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≈3~4 s 。
◆ 可焊接2~3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（GMAW）一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、對接焊縫等），可焊2層
◆母材厚度通常為1~3 mm，總厚度2~6mm。
◆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CO2激光焊機(jī)具有如下典型參數(shù)：
◆焊接速度≈3~6 m/min 。
◆焊接時(shí)間約0.2~0.3 s，假定一個(gè)點(diǎn)焊焊縫≈15mm 。
◆可焊接2~3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)物排放問題。
◆要求焊接點(diǎn)最大裝配間隙在0.1~0.2mm左右。
循環(huán)時(shí)間對比：如上所述，激光焊速快于傳統(tǒng)工藝，無論如何，循環(huán)時(shí)間的顯著增益還來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0.5~3 s移動(dòng)到下一個(gè)焊接位置，而遙控焊機(jī)小于50ms。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快2倍左右，比電阻焊或電弧焊快6~10倍。
占地面積對比：遙控焊接法比其它焊接法快2~6倍，因此一般需要較小的占地面積。事實(shí)的確是這樣，因?yàn)楹附与娫吹臄?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25~50%的空間，因用途而異。
靈活性對比：焊槍與零件沒有實(shí)際的接觸，因此可以隨時(shí)調(diào)整焊接臺(tái)使之適應(yīng)別的零件，只須更換工裝和調(diào)用不同的程序。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的能力。如果產(chǎn)品包含許多需要進(jìn)出小面積工作區(qū)的零件，則將需要智能化的物流解決方案。
系統(tǒng)布局和說明
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的頂部，以節(jié)省空間。在掃描器箱的下面是一個(gè)回轉(zhuǎn)式工作臺(tái)，工作臺(tái)裝有兩套夾具，因此可以在一套夾具焊接零件的同時(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門的底座上，以吸收距離激光單元不足25米之遠(yuǎn)的沖壓車間的振動(dòng)。為了避免發(fā)生大的意外，在安裝之前進(jìn)行振動(dòng)測量是絕對必要的。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)門裝配件的焊接。操作員把焊接好的組件卸下來，把它們放入箱子，然后裝載一組新的沖壓件，按“循環(huán)開始”鍵。于是，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)焊接程序，過程重復(fù)進(jìn)行。為了保護(hù)眼睛，有一面半墻隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，為焊接過程提供一個(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”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，工裝必須同專用的零件夾具相結(jié)合，共同提供揮發(fā)物排出的方法。
不管金屬鍍層如何（鍍鋅或無鍍層），CO2 焊接通常需要抑制和/或驅(qū)散在激光焊接過程產(chǎn)生的等離子體，因?yàn)榈入x子體干擾激光束，可能引起焊接過程不穩(wěn)定或者完全無法焊接?！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，滿足了對零件的適當(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 R&D中心進(jìn)行試焊。作為其不斷過程改進(jìn)的一部分，現(xiàn)在Autotek正在對零件夾具進(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0.1~0.2 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，有可能減輕零件重量。對激光焊接來說，許多點(diǎn)焊應(yīng)用所需要的余隙孔是不必要的。
Autotek針對這個(gè)防側(cè)撞桿焊接項(xiàng)目對上述問題進(jìn)行了考慮。從圖5可見，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，但在專用零件夾具、保護(hù)氣體排放和沖壓工藝的開發(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：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3~4 倍。
◆給生產(chǎn)現(xiàn)場提供較大的靈活性。
◆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)評估各種選擇，選擇最有
