遥控焊接技术在汽车中的应用

　　该零件是2005大众捷达A5车门防侧撞杆，由三个冲压件焊接而成。在这个镀锌低碳钢组件上有12条搭接焊缝。满负荷生产始于去年十月，预计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15.3 s。

　　用户零件图上规定了激光焊接，因为该零件已经以这种方式在德国生产，且墨西哥的工厂也采用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激光器和遥控焊接CO2激光器进行了评价。如上所述，该零件在德国采用Nd:YAG激光器和工业机器人生产。Autotek为这两种焊接方式分别制定了方案，并向一些潜在的“集成系统供应商”询价而获得投资成本。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激光器的成本相当。现有Nd:YAG系统焊接一个零件需要24 秒。循环时间分析显示，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可以达到每15.3 秒一件的满负荷生产率。

　　◆ RWS系统的维护成本低得多。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护盖。

　　◆ RWS易于程控实现不同的焊缝形状和摆焊功能，这一特性为按照零件结构“定制”焊缝模式、改进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。

　　根据这一分析，Autotek断定，就焊接防侧撞杆的用途而言，RWS是具有成本优势和较高灵活性的解决方案。

　　遥控激光焊接原理

　　上世纪九十年代后期，大功率(最小3kW) CO2激光器已经可以提供很高的光束质量。如图2所示，标准RWS包括大功率 (可达6 kW) CO2激光器和“遥控”长焦距 (通常1000mm-1600mm) 扫描系统。由计算机驱动的运动系统可以象机器人或CNC控制器那样执行编程路径，完成钣金组件的激光焊接。

　　光束扫描运动依赖于高速直线电机或"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，所需时间少于50ms。扫描器还提供定制式可编程序焊缝形状（针脚形、环形、鱼鳞形等模式），使用户对于特殊的焊接处能够采用最合适的焊道轮廓。

　　焊接特征对比

　　以下是遥控激光焊接与传统工艺的对比概要，以进一步说明RWS工艺在循环时间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：

　　焊接时间+机器人移动焊枪的时间≈3~4 s；

　　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1~3 mm，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：遥控CO2激光焊机具有如下典型参数：

　　焊接速度≈3~6 m/min；

　　焊接时间约0.2~0.3 s，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，但是必须解决锌的挥发物排放问题；

　　要求焊接点最大装配间隙在0.1~0.2mm左右。

　　循环时间对比：如上所述，激光焊速快于传统工艺，无论如何，循环时间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，而遥控焊机小于50ms。如果把焊接时间和“快速移动”时间相加，可以断定遥控焊接的循环时间比机器人型Nd:YAG快2倍左右，比电阻焊或电弧焊快6~10倍。

　　占地面积对比：遥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。事实的确是这样，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。

　　灵活性对比：焊枪与零件没有实际的接触，因此可以随时调整焊接台使之适应别的零件，只须更换工装和调用不同的程序。这样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。如果产品包含许多需要进出小面积工作区的零件，则将需要智能化的物流解决方案。

　　系统布局和说明

　　Magna-Autotek决心使自己成为“集成供应商”，以便更好地控制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，以节省空间。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，因此可以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，以吸收距离激光单元不足25米之远的冲压车间的振动。为了避免发生大的意外，在安装之前进行振动测量是绝对必要的。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，因为烟尘能够吸收激光。

　　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，把它们放入箱子，然后装载一组新的冲压件，按“循环开始”键。于是，工作台旋转，启动焊接程序，过程重复进行。为了保护眼睛，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。为了工厂人员的安全，系统全部用薄金属板进行封闭，形成一个“I级”安全焊接系统。

　　工装与等离子体抑制：尽管遥控激光焊接法速度快且极大地节省空间，但是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。否则，锌在焊接过程会挥发，使焊缝产生额外的孔隙和气孔。如果焊接镀锌材料，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“保护气体”可以是氦、氮、空气或某种混合气体，因具体用途和激光功率大小而定。为了成功应用遥控焊接技术，气体喷嘴的位置和打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护气体喷嘴的需求。第一套原型工装于2003年1月完成，并在安大略省布兰普敦Magna的Promatek R&D中心进行试焊。作为其不断过程改进的一部分，现在Autotek正在对零件夹具进行第三次改进。

　　零件设计：采用激光焊接技术的冲压件供应商已经解决了挥发物排放问题，方法是在待焊区域压印一个凹坑或圆窝，这个特征可以直接做到冲压模上，也可以在冲压工序以后添加。最终结果是形成0.1~0.2 mm的间隙，为锌的挥发留出一条通道。

　　与点焊不同，激光焊缝非常窄，而且只须进行单面焊接。遥控焊机的扫描镜可以在程序控制下生成不同的焊缝形状或样式。此外，激光焊接的零件比点焊零件刚性好，不易弯曲。

　　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。焊缝宽度比较小，有可能减轻零件重量。对激光焊接来说，许多点焊应用所需要的余隙孔是不必要的。

　　Autotek针对这个防侧撞杆焊接项目对上述问题进行了考虑。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，形成结实刚性的组件。

　　遥控焊接工装和零件的开发工作还是比较新的工作，尽管制造夹具使用了标准件，但在专用零件夹具、保护气体排放和冲压工艺的开发上需要耗费许多时间和精力。在考虑进行遥控焊接的新用途时，必须留出时间进行这些工艺研究。例如，目前虽然将空气作为保护气体，但是Autotek 为了改进生产率正在考虑其它气体。

　　结语

　　Autotek是北美首批安装遥控激光焊接设备的厂商之一。这样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；

　　系统布局可以比传统布局面积小3~4 倍；

　　给生产现场提供较大的灵活性；

　　零件能被设计用于适应激光焊接的需要，焊接出来的零件更轻、更结实。

　　Autotek采取了合适的手段以实施这一工艺：

　　在初始实施阶段，仔细评估各种选择，选择最有成本效益的方式。

　　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”；

　　设计和制造适应于遥控激光焊接的零件夹具；

　　留出足够的时间进行投产前的开发；

　　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)相比是比较昂贵的焊接能源，但系统总成本还是差不多的，而且RWS技术具有许多优点。

　　当然，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，可以用来替代传统的焊接技术。

　　为了判断遥控激光焊接法是否适用，应在零件设计和生产循环的初试阶段进行适当的分析。此外，汽车设计者应该考虑零件设计和装配的解决方案，使生产变得更容易、更快速、更便宜。RWS是一个极好的焊接解决方案，所以应该纳入这一设计过程当中。