汽车制造中的遥控焊接技术(1)

汽车制造中的远控焊接技术
本文要紧是对远控激光焊接技术在汽车制造中的应用情况各方面
的介绍，同时也简单介绍了远控激光焊接的原理。

一套远控激光焊接系统〔RWS〕在墨西哥柏布拉市Magna-Autotek 投进满负荷生产。

这套RWS采纳了高功率CO2激光器和可动反射镜，用激光束的能量焊接板金件。

大功率、光束质量极好的CO2激光器的咨询世，使该技术能够应用于1m×1m或更大的加工面积。

这种方法同传统工艺相比具有周期快、占地小等优点。

Magna-Autotek 是“一级〞汽车需求商，在需求一家汽车总装厂的一种零件上他们采纳了远控激光焊接技术。

该零件是2005群众捷达A5车门防侧撞杆，由三个冲压件焊接而成。

在那个镀锌低碳钢组件上有12条搭接焊缝。

满负荷生产始于往年十月，估量5年内年产317,000辆。

因为有左门和右门之分，防侧撞杆年产634,000件。

Autotek厂实行每周5天的两班工作制，相当于每小时生产235件，即每个零件耗时大约15.3s。

用户零件图上规定了激光焊接，因为该零件差不多以这种方式在德国生产，且墨西哥的工厂也采纳同样的零件装配汽车。

为了
确定最适合于该用途的激光焊接工艺，Autotek对工业机器人用Nd:YAG激光器和远控焊接CO2激光器进行了评价。

如上所述，该零件在德国采纳Nd:YAG激光器和工业机器人一辈子产。

Autotek为这两种焊接方式分不制定了方案，并向一些潜在的“集成系统需求商〞询价而获得投资本钞票。

针对这一应用的结论概括如下：
◆两套系统的投资费用大致相同，一套RWS工作站和2台Nd:YAG激光器的本钞票相当。

现有Nd:YAG系统焊接一个零件需要24秒。

循环时刻分析显示，RWS可在26秒内焊2件〔几乎是上述结果的两倍〕。

因此，在实际生产当中，RWS能够到达每15.3秒一件的满负荷生产率。

◆RWS系统的维护本钞票低得多。

Rofin“板条式〞CO2激光器不需要更换任何光学器件，只须每8个月更换一次预混气瓶。

而Nd:YAG激光器需要频繁更换泵浦灯，耗电较大，而且必须经常更换聚焦镜的保卫盖。

◆RWS易于程控实现不同的焊缝外形和摆焊功能，这一特性为按照零件结构“定制〞焊缝模式、革新总体焊接强度和零件刚度提供了较大的灵活性。

◆RWS提供更高的激光功率和从一个焊接位置快速(50ms)“跳〞到另一个焊接位置的能力。

这大大加快了生产周期，为今后使用该系统焊接其它零件提供了灵活性。

依据这一分析，Autotek判定，就焊接防侧撞杆的用途而言，RWS是具有本钞票优势和较高灵活性的解决方案。

远控激光焊接原理
上世纪九十年代后期，大功率(最小3kW)CO2激光器差不多能够提供特殊高的光束质量。

如图2所示，标准RWS包括大功率(可达6kW)CO2激光器和“远控〞长焦距(通常1000mm-1600mm)扫描系统。

由计算机驱动的运动系统能够象机器人或CNC操纵器那样执行编程路径，完成钣金组件的激光焊接。

光束扫描运动依靠于高速直线电机或"检流计"电机，这些可由制造商设定。

这使光束能够从一个焊接位置迅速移动到另一个焊接位置，所需时刻少于50ms。

扫描器还提供定制式可编程序焊缝外形〔针足形、环形、鱼鳞形等模式〕，使用户关于特不的焊接处能够采纳最适宜的焊道轮廓。

焊接特征比照
以下是远控激光焊接与传统工艺的比照概要，以进一步讲明RWS工艺在循环时刻和占地面积方面的优势。

电阻焊：电阻焊或点焊具有以下典型参数：
•焊接时刻+机器人移动焊枪的时刻≈3~4s；
•可焊接2~3层，标准母材总厚度≈2-4mm；
•可焊接镀锌和裸钢板；
•焊接时，焊枪起“夹钳〞的作用，将母材拉在一起。

电弧焊：电弧焊〔GMAW〕一般具有如下典型参数：
•焊接速度≈1m/min；
•利用送丝机构焊接不同的焊缝〔角焊缝、对接焊缝等〕，可焊2层；
•母材厚度通常为1~3mm，总厚度2~6mm；
•可焊接镀锌和裸钢板；
•容许1/2焊丝直径左右的装配间隙。

激光焊接：远控CO2激光焊机具有如下典型参数：
•焊接速度≈3~6m/min；
•焊接时刻约0.2~0.3s，假定一个点焊焊缝≈15mm；
•可焊接2~3层，标准母材总厚度≈2-4mm；
•可焊接镀锌或裸钢板，然而必须解决锌的挥发物排放咨询题；
•要求焊接点最大装配间隙在0.1~0.2mm左右。

循环时刻比照：如上所述，激光焊速快于传统工艺，不管如何，循环时刻的显著增益还来自于激光束在焊缝之间的“快速移动〞，即迅速改变焊接位置。

机器人通常需要0.5~3s移动到下一个焊接位置，而远控焊机小于50ms。

要是把焊接时刻和“快速移动〞时刻相加，能够判定远控焊接的循环时刻比机器人型Nd:YAG 快2倍左右，比电阻焊或电弧焊快6~10倍。

占地面积比照：远控焊接法比其它焊接法快2~6倍，因此一般需要较小的占地面积。

事实确实是如此，因为焊接电源的数量以及焊接台和传输设备的数量明显减少了。

同其它焊接方法相比，RWS 装置可能只占25~50%的空间，因用途而异。

灵活性比照：焊枪与零件没有实际的接触，因此能够随时调整焊接台使之习惯不的零件，只须更换工装和调用不同的程序。

如此使其具备了一站式处理一系列由低到中批量冲压钣金装配件的
能力。

要是产品包含许多需要进出小面积工作区的零件，那么将需要智能化的物流解决方案。

系统布局和讲明
Magna-Autotek决心使自己成为“集成需求商〞，以便更好地操纵工装设计和更好地理解整个工艺。

系统布局和工装设计始于2003年3月。

到2003年12月，系统装配完毕并焊接首个零件。

激光器、扫描器和冷却器全部装在夹层的顶部，以节约空间。

在扫描器箱的下面是一个回转式工作台，工作台装有两套夹具，因此能够在一套夹具焊接零件的同时另一套夹具进行上料。

楼梯是到夹层进行日常系统维护的通道。

整个激光单元必须坐落在专门的底座上，以汲取距离激光单元缺乏25米之远的冲压车间的振动。

为了防止发生大的意外，在安装之前进行振动测量是尽对必要的。

地面振动必须小于激光器厂商规定的极限。

而且，必须考虑安装排气系统，因为烟尘能够汲取激光。

实际系统其设计思想是一个回转式双工位手动上下料工作台，装于一个工位的两个夹具用于左侧门装配件的焊接，装于另一个工位的两个夹具用于右侧门装配件的焊接。

操作员把焊接好的组件卸下来，把它们放进箱子，然后装载一组新的冲压件，按“循环开始〞键。

因此，工作台旋转，启动焊接程序，过程重复进行。

为了保卫眼睛，有一面半墙随转盘旋转，为焊接过程提供一个不透光的密封环境。

为了工厂人员的平安，系统全部用薄金属板进行封闭，形成一个“I级〞平安焊接系统。

工装与等离子体抑制：尽管远控激光焊接法速度快且极大地节约空间，然而在工装和零件装配方面确实有一些必须予以考虑的难题。

激光光束没有作用力，不像在点焊方式下，电极装在焊枪或液压油缸驱动的夹钳上。

如上所述，电弧焊接利用送丝机构，而且考虑到了焊缝间隙。

因此，为了定位和固定待焊部位，激光焊接需要工装夹具。

此外，激光焊接镀锌材料时，需要设法排放锌的挥发物。

否那么，锌在焊接过程会挥发，使焊缝产生额外的孔隙和气孔。

要是焊接镀锌材料，工装必须同专用的零件夹具相结合，共同提供挥发物排出的方法。

不管金属镀层如何〔镀锌或无镀层〕，CO2焊接通常需要抑制和/或驱散在激光焊接过程产生的等离子体，因为等离子体干扰激光束，可能引起焊接过程不稳定或者完全无法焊接。

“等离子体抑制气体〞或“保卫气体〞能够是氦、氮、空气或某种混合气体，因具体用途和激光功率大小而定。

为了成功应用远控焊接技术，气体喷嘴的位置和翻开顺序也是一个值得考虑的重要因素。

Autotek自行设计和制造了工装夹具，满足了对零件的适当装夹及定位保卫气体喷嘴的需求。

第一套原型工装于2003年1月完成，并在安大概省布兰普敦Magna的PromatekR&D中心进行试焊。

作为其不断过程革新的一局部，现在Autotek正在对零件夹具进行第三次革新。

零件设计：采纳激光焊接技术的冲压件需求商差不多解决了挥发物排放咨询题，方法是在待焊区域压印一个凹坑或圆窝，那个特征能够直截了当做到冲压模上，也能够在冲压工序以后添加。

最终结果是形成0.1~0.2mm的间隙，为锌的挥发留出一条通道。

与点焊不同，激光焊缝特不窄，而且只须进行单面焊接。

远控焊机的扫描镜能够在程序操纵下生成不同的焊缝外形或样式。

此外，激光焊接的零件比点焊零件刚性好，不易弯曲曲折折曲曲折折折折曲曲折折曲曲折折折折折折。

在零件的设计过程中就必须牢记这些概念，以便充分利用激光焊接的优点。

焊缝宽度比立小，有可能减轻零件重量。

对激光焊接来讲，许多点焊应用所需要的余隙孔是不必要的。

Autotek针对那个防侧撞杆焊接工程对上述咨询题进行了考虑。

从图5可见，待焊部位冲有小圆坑，为锌的挥发提供方便。

零件上有12条焊缝，形成稳定刚性的组件。

远控焊接工装和零件的开发工作依旧比立新的工作，尽管制造夹具使用了标准件，但在专用零件夹具、保卫气体排放和冲压工
艺的开发上需要消耗许多时刻和精力。

在考虑进行远控焊接的新用途时，必须留出时刻进行这些工艺研究。

例如，目前尽管将空气作为保卫气体，然而Autotek为了革新生产率正在考虑其它气体。

结语
Autotek是北美首批安装远控激光焊接设备的厂商之一。

如此的系统具有如下优点：
•与传统方法相比，生产能力最多可提高10倍；
•系统布局能够比传统布局面积小3~4倍；
•给生产现场提供较大的灵活性；
•零件能被设计用于习惯激光焊接的需要，焊接出来的零件更轻、更稳定。

Autotek采取了适宜的手段以实施这一工艺：
在初始实施时期，认真评估各种选择，选择最有本钞票效益的方式。

•认真处理过程的每个细节，确保成功的结果；
•审核零件设计的激光可焊性，包括附加有助于锌挥发的“酒窝〞；
•设计和制造习惯于远控激光焊接的零件夹具；
•留出足够的时刻进行投产前的开发；
•早日确定并培训对系统实施和操作负责的小组成员。

今天,在实际生产中RWS的安装数量愈来愈多。

尽管激光与电阻焊或电弧焊(GMAW)相比是比立贵重的焊接能源，但系统总本钞票依旧差不多的，而且RWS技术具有许多优点。

因此，该技术并非适合于每个零件，但本例的研究显示了它是一种成功且有益的选择，能够用来替代传统的焊接技术。

为了判定远控激光焊接法是否适用，应在零件设计和生产循环的初试时期进行适当的分析。

此外，汽车设计者应该考虑零件设计和装配的解决方案，使生产变得更轻易、更快速、更廉价。

RWS 是一个极好的焊接解决方案，因此应该纳进这一设计过程当中。