遠程激光焊接

單側(cè)，非接觸式的激光焊接同高速掃描鏡片結(jié)合，減少了焊接時間的同時提高了生產(chǎn)率。

遠程激光焊接已經(jīng)正在成為一種替代傳統(tǒng)汽車白車身應(yīng)用中電阻點焊的一種手段。根據(jù)行業(yè)調(diào)查，已安裝的設(shè)備超過60套，主要集中在歐洲和北美地區(qū)。遠程激光焊接技術(shù)發(fā)揮了單側(cè)，非接觸式激光焊接帶來的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，并將其與高速掃描鏡片帶來的優(yōu)勢相結(jié)合，大大縮短了焊接時間，在整個焊接流程中增加了總生產(chǎn)效率。

遠程激光焊接的優(yōu)勢是最為顯著的，如果和傳統(tǒng)激光/機器人焊接的一些工作周期相比：20mm的縫焊能在0.2-0.4秒內(nèi)完成，重復(fù)定位時間最大3秒，而對于遠程焊接來說焊接時間相同，重復(fù)定位時間僅為0.2秒。遠程焊接的關(guān)鍵優(yōu)勢在于降低了定位時間，這是由于裝備了高速的光束掃描裝置（見圖1）。

圖1. 遠程焊接的關(guān)鍵優(yōu)勢是通過高速光束
掃描降低了定位時間

Comau Pico公司很早就曾為推動遠程激光焊接技術(shù)的發(fā)展作出努力，他們曾通過和一些具有前瞻想法的汽車制造商合作，在白車身生產(chǎn)上開辟了新領(lǐng)域。在公司早期獲得的成就當中有一項是同Rofin Sinar公司合作，采用一臺基于 CO2 激光的遠程焊接設(shè)備，利用掃描鏡片以高速反射光束，焊接車身件的多個焊接位置。

在Fiat Marea車的一個典型部件上，遠程CO2 激光焊接被用來替代電阻點焊，它主要用來消除在車后部尾門上采用膠粘劑帶來的成本。在這一應(yīng)用中，總的激光縫焊時間是5秒。在對該車型門框的焊接上，43條激光焊縫僅需30秒就能完成，替代了傳統(tǒng)的電阻點焊。在這兩種應(yīng)用中，重復(fù)定位時間的降低高達94％。

Comau公司在同Rofin合作獲得以上這些應(yīng)用的經(jīng)驗之后，開始認識到該系統(tǒng)能提供以下的優(yōu)勢：高生產(chǎn)率（高達120個焊點/分），高柔性，減少的占地面積（大多數(shù)汽車廠的主要成本因素之一），以及焊接各種不同外形零件的能力。

但是，如果不考慮使用的遠程焊接系統(tǒng)，從零件來看，它們必須被緊緊裝夾在每個焊接工位。這使得設(shè)計和制作夾具成為必需，在一些應(yīng)用中甚至非常復(fù)雜。另一方面，其優(yōu)點在于，更經(jīng)濟，占用更少空間，相比要使用6到8個夾具的點焊來說，遠程焊接的夾具僅需一個。

Comau 也認識到傳統(tǒng)的遠程焊接系統(tǒng)上的掃描盒存在一些限制，因為它不可能移動遠程焊接頭。因此Comau開發(fā)并申請了一項專利，這是一種快速光束傳遞系統(tǒng)，在安裝到傳統(tǒng)的龍門型系統(tǒng)上后，能提供四軸的運動（見圖2）。采用該方式的新單元可帶來更高產(chǎn)量，高速在零件上移動光束的能力替代了移動部件，并且降低了相關(guān)工具的復(fù)雜性和成本。這一概念允許用戶在龍門框架范圍內(nèi)的任何地點完成焊接。

圖2.傳統(tǒng)的掃描盒被專利的快速光束傳遞系統(tǒng)替代

和Agilaser公司配合，超過12臺甚至更多的遠程激光焊接設(shè)備現(xiàn)在正在Fiat位于意大利各個工廠運轉(zhuǎn)， 在Mirafiori它們?yōu)镮dea和Musa兩款車型焊接部件；在Melfi它們一直焊接Punto的部件，在Cassino它們焊接新Stilo的部件。系統(tǒng)同樣被安裝在Renault公司位于斯洛文尼亞Novo Mesto的工廠，用于焊接Clio和Twingo的部件，以及法國Saundoville工廠，焊接Megane的部件；在意大利Pomigilano焊接Stola、Ducato和Alfa159的部件。

在Mirafiori 工廠，一套Agilaser激光設(shè)備替代了一條機器人電阻點焊線，它采用雙夾具遠程焊接系統(tǒng)用于車門裝配線，生產(chǎn)投資降低了15％，而生產(chǎn)率提升了20％，同時降低了占地面積——和傳統(tǒng)的四機器人焊接系統(tǒng)相比減少了50％。結(jié)果是采用激光遠程焊接后單件成本降低了30％。

Renault 采用一套Agilaser焊接C85的前門部件（見圖3），替代了原先使用的需要12臺機器人電阻焊的系統(tǒng)，原系統(tǒng)需要占地1050m2 ，而采用5機器人加工站的 Agilaser僅占地808 m2 。兩臺 Agilasers以66秒的周期生產(chǎn)部件，焊接93條右側(cè)及左側(cè)激光焊縫，而以前需要電阻點焊130個右側(cè)和左側(cè)焊點。在 Renault公司，一臺Agilaser在C65型號的前門焊接38條激光焊縫，僅使用兩套相同的夾具。

圖3. Renault使用一臺 Agilaser焊接C85的前門部件

盡管這些CO2 激光系統(tǒng)從所記錄的正常工作時間來看，穩(wěn)定性超過98％，但它們?nèi)匀粵]有被認為是主流的加工手段，這是由于它們先天在CNC機床結(jié)構(gòu)上的問題導(dǎo)致。因為幾乎所有的汽車部件和車身焊接是通過關(guān)節(jié)型的機器手完成的，而如果使用激光，可選的光束傳遞方式就是通過光纖。

作為將遠程焊接帶入下一個階段所作的努力和歐洲“遠程焊接”項目的一部分，Comau公司開發(fā)了3D掃描頭，并在兩年前第一次在慕尼黑激光展上亮相。這一系統(tǒng)配備了Rofin Sinar 4.0千瓦半導(dǎo)體二極管泵浦Nd:YAG激光器，光束傳遞通過一根捆綁在傳統(tǒng)機器手上的400微米直徑的光纖。Comau Pico 很快認識到這種模式帶來的限制，特別是在使用更高光束質(zhì)量（更高亮度）激光器如圓盤激光器和光纖激光器時。

在大部分遠程激光掃描頭上，F(xiàn)-theta 鏡用來將光束的焦點保持在和鏡片固定距離的位置上，而不論光束的方向性。這一昂貴的設(shè)施有很大的直徑，其工作范圍稍大于其直徑，由于F-theta 使得光束相對鏡片保持垂直，其代價是犧牲光束質(zhì)量和光斑大小的變化。而這同樣意味著掃描頭必須持續(xù)重定位并/或放置，采用動態(tài)的六軸標準關(guān)節(jié)式機器人系統(tǒng)。 Comau Pico的SmartLaser（見圖4）實質(zhì)上把鏡片集成進空心的機械手中。這一光學準直/放大模塊 （類似望遠鏡）取代了用于傳統(tǒng)激光掃描設(shè)備上的F-theta 模塊（見圖5）。

圖4. SmartLaser是高速3D系統(tǒng)

圖5.該光學準直/放大模塊取代了 F-theta
模塊在傳統(tǒng)激光掃描設(shè)備上的位置

在SmartLaser背后的想法是創(chuàng)造一種高速3D系統(tǒng)，其加速度比機器人要高60到70倍，在焊接區(qū)域內(nèi)擁有8g的動態(tài)加速度。該系統(tǒng)擁有的可編程焦距大于750mm，實際上在750mm到1200mm之間，能極大擴展系統(tǒng)的工作距離。這還意味著所有的光學軸，鏡筒的X,Y和Z軸和掃描頭都能完全集成在焊接系統(tǒng)中，擁有全面的離線編程能力。該創(chuàng)新的掃描頭（見圖6）裝配在機器手前臂的端部，包括兩塊鏡片，第一塊在30度角范圍運動，另一塊在240度角范圍運動。該集成允許快速的重復(fù)定位，在景深上能得到2到3倍的增加而光斑的大小變形幾乎可忽略不計。

圖6. 前臂端部的掃描頭包括兩塊鏡片，第一塊在30度角范圍運動，
另一塊在240度角范圍運動

不像其他掃描頭遠程焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)所有的軸，運動部件和鏡片，均由一個標準的軸控器通過視校面板操縱。這使得編程非常簡單便能控制所有的焊接參數(shù)，光束方向以及重新定位時的激光變化。

機器人擁有最大化的工具中心點速度 1.5 m/s ，加速度1.2 m/s2 。鏡片軸有最大速度4 m/s ，加速度80 m/s2。SmartLaser系統(tǒng) 100mm距離的Z向定位時間僅為70 ms ，而采用二維掃描頭的傳統(tǒng)機器人需要 580 ms。這意味著我們能在一個焊接周期內(nèi)完成高達200到300條焊縫的焊接。

光纖和光耦連接在機械手上而不是掃描頭上，從而降低了機械應(yīng)力和疲勞強度，減少了光纖損壞的可能。這和其他的特征一起降低了維護的要求。

Comau目前正在歐洲測試第一臺SmartLaser 系統(tǒng)，并且將有一臺在美國進行用戶測試。公司希望看到在下一年初獲得來自汽車行業(yè)的第一筆訂單，并在2007年底安裝完畢投入生產(chǎn)�？梢韵氲降氖欠謺r多工位/機器人安裝能被用于依次加工多個部件，因而激光器一直都在焊接狀態(tài)，一個工位焊接的同時新的部件也在其他工位完成上料。

結(jié)論

遠程激光焊接的概念仍然在發(fā)展當中，系統(tǒng)不斷被改良以滿足用戶生產(chǎn)中的需求。

供應(yīng)商正努力降低高昂的初始設(shè)備投資和夾具復(fù)雜性所帶來的影響。激光技術(shù)的發(fā)展，比如更短波長和光纖及鏡片導(dǎo)光方式正在研究當中，此外還有不使用保護氣體的手段。

使用傳統(tǒng)激光器進行多工位加工以最大化激光使用時間，用于更高產(chǎn)量的生產(chǎn)已經(jīng)成為了現(xiàn)實。