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汽車制造

光纖激光焊接在白車身生產(chǎn)中的應(yīng)用 激光線焊 VS 遠(yuǎn)程激光焊接

來源:IPG光子有限公司Berthold Kessler2015-03-04 我要評(píng)論(0 )   

具有優(yōu)異光速質(zhì)量的高功率光纖激光器經(jīng)常被用于汽車白車身的遠(yuǎn)程焊接。其焊接速度和生產(chǎn)效率是電阻點(diǎn)焊或傳統(tǒng)激光焊接等任何其它

       具有優(yōu)異光速質(zhì)量的高功率光纖激光器經(jīng)常被用于汽車白車身的遠(yuǎn)程焊接。其焊接速度和生產(chǎn)效率是電阻點(diǎn)焊或傳統(tǒng)激光焊接等任何其它焊接技術(shù)無法比擬的。但是,過高夾具加工成本、龐大的激光安全房 ,都限制著遠(yuǎn)程激光焊接的應(yīng)用。 新開發(fā)的激光線焊槍,帶有自夾緊系統(tǒng),安全的激光封閉系統(tǒng),無需額外的激光安全房。激光線焊槍的使用及操作方式與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊槍一樣,但焊接速度是電阻點(diǎn)焊的2倍。 激光線焊的焊接速度比點(diǎn)焊的高,但比遠(yuǎn)程焊接低。激光線焊幾乎具有所有激光焊接的優(yōu)點(diǎn),完成窄邊焊接,高強(qiáng)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。
 

隨著汽車工業(yè)規(guī)模日益增大,電阻點(diǎn)焊和激光遠(yuǎn)程焊接的應(yīng)用已頗具規(guī)模。有人贊成,也有人反對(duì)這種應(yīng)用。激光遠(yuǎn)程焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是高效的焊接效率,及具有激光焊縫的各種優(yōu)點(diǎn),使焊接周期顯著縮短。電阻點(diǎn)焊的優(yōu)點(diǎn)是自身帶有低沉本的夾緊技術(shù),IPG光子有限公司已經(jīng)在新型激光線焊槍LSS中結(jié)合了這些優(yōu)點(diǎn)。

激光線焊機(jī)能夠在焊接前像電阻點(diǎn)焊一樣夾緊焊接件,然后以振蕩模式,開始數(shù)個(gè)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(jié)構(gòu)內(nèi),因此無需外部安全房屏蔽激光焊接。該焊接機(jī)集成有排氣系統(tǒng),用于排放焊接煙霧和煙塵。

激光線焊機(jī)采用一個(gè)縫焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)電阻點(diǎn)焊的兩個(gè)焊點(diǎn),扭轉(zhuǎn)鋼度明顯增加。以同樣的節(jié)拍工作時(shí),激光線焊的效率是電阻點(diǎn)焊的兩倍。

激光遠(yuǎn)程焊接的速度比電阻點(diǎn)焊高5-8倍,在焊接小型零件時(shí)具有無與倫比的經(jīng)濟(jì)效益,可在車身焊接中多處應(yīng)用。激光線焊機(jī)能夠替代車身焊接中使用的電阻點(diǎn)焊槍,可以集成于車身生產(chǎn)線中與點(diǎn)焊混線生產(chǎn)。

 

激光遠(yuǎn)程焊接

激光遠(yuǎn)程焊接是指焦距大并通過傾斜光束(而不是以焊接速度移動(dòng)激光光纖或零件)來實(shí)現(xiàn)激光光束和工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的焊接。

遠(yuǎn)程焊接時(shí)需要高光束質(zhì)量。用于白車身焊接的首臺(tái)激光器為設(shè)有固定式掃描儀的CO2激光器。隨著光纖激光器等固態(tài)激光器光束質(zhì)量的提高,還可以與更小的掃描儀一起使用,掃描儀安裝在標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人上。

在實(shí)際的生產(chǎn)中使用兩套系統(tǒng),均具有非常高的生產(chǎn)率。典型激光功率為4-6kW,焊接速度為4-10m/分鐘。固定式掃描儀能夠掃描最大尺寸為1.4m x 3m的工作區(qū)域,掃描儀的焦距為1.6m(圖1)。

圖1.: 寬幅掃描儀(線性電機(jī)側(cè)安裝一臺(tái)反射鏡掃描儀)

         固定式大型掃描儀[1]的工作區(qū)域(3m x 1.4m x 0.4m /x、y、z)

 

采用寬幅掃描儀掃描到的CO2-激光器和光纖激光器的典型焊點(diǎn)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(yùn)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(jī)制不相同。由于波長更長,CO2-激光器具有等離子屏蔽效應(yīng),使得焊縫上部更寬,從而降低了穿透能力。

圖2: 搭接焊的焊點(diǎn)熔核。材料:低碳鋼DC04鋼板厚度:1mm

激光功率: 4.5kW

左:光纖激光器:速度:7m/分鐘 右:CO2-激光器:3.6m/分鐘  

 

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

 

圖3: 用CO2- 和摻鐿光纖激光器焊接的后座椅靠背,兩種情況下的激光功率均為4.5kW

 

圖4:集成有掃描解決方案的機(jī)器人[2]                    機(jī)器人安裝式掃描儀(x、y、z 工作面積: 100、200、+/-100mm)

       

已經(jīng)有人開始通過引進(jìn)光束質(zhì)量等于或高于8mm毫拉德的大功率固態(tài)激光器開發(fā)基于機(jī)器人的激光點(diǎn)焊機(jī)。這些激光器的光束質(zhì)量足夠用于0.5m或更長工作距離,以及通過靈活的光纖光束引導(dǎo)系統(tǒng),標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人能夠用于將掃描儀移動(dòng)到不同位置。

還可以利用機(jī)器人以恒定速度在焊接件上方移動(dòng)掃描儀,當(dāng)掃描儀工作區(qū)域出現(xiàn)焊縫時(shí),可以利用機(jī)器人安裝式掃描儀使焊縫下降。這種焊接被稱為空中焊接,彌補(bǔ)了機(jī)器人安裝式掃描儀工作區(qū)域更小的缺點(diǎn),并在整個(gè)機(jī)器人工作區(qū)域增加了工作空間。軟件包支持對(duì)這些系統(tǒng)的編程,有助于優(yōu)化機(jī)器人軌道以及同步機(jī)器人和掃描儀的運(yùn)動(dòng)。

不過,由于必須處理兩臺(tái)不同的控制器:一臺(tái)機(jī)器人控制器和一臺(tái)掃描儀控制器,只能由熟練的操作員對(duì)新部件編程和操作這些裝置。只有一臺(tái)控制器的工作解決方案如圖4所示。這是設(shè)有集成傾斜反射鏡的機(jī)器人,傾斜反射鏡能夠在機(jī)械臂內(nèi)快速做橫向和Z字形移動(dòng)。該機(jī)器人的控制器用于控制機(jī)器人的機(jī)械軸以及光學(xué)部件的運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)行激光遠(yuǎn)程焊接時(shí),主要焊接搭接接頭。對(duì)于高質(zhì)量的焊接,在夾緊連接件時(shí),夾緊方式應(yīng)確保焊接件之間無空氣間隙或?qū)⒖諝忾g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(yīng)用領(lǐng)域中打開狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)液壓夾具如圖5所示。關(guān)閉蓋子既可夾緊,激光光束通過蓋子上的各孔進(jìn)入。

 

圖5:激光遠(yuǎn)程焊接用夾具,設(shè)有用于同時(shí)無間隙地準(zhǔn)確夾緊所有焊接點(diǎn)的液壓支撐柱。

 

出于安全考慮,激光遠(yuǎn)程焊接需要完全密閉焊接區(qū)域,需要將零件往復(fù)移動(dòng)到外殼內(nèi)。只有當(dāng)完全關(guān)閉激光器外殼以及重新關(guān)閉電氣安全電路時(shí)才能啟動(dòng)焊接循環(huán)。根據(jù)掃描儀技術(shù)和激光功率,必須使用具有雙壁結(jié)構(gòu)和集成光學(xué)傳感器的激光外殼。這造成激光遠(yuǎn)程焊接方案的費(fèi)用增加以及使用的靈活性下降。

 

激光線焊機(jī)LSS

激光線焊機(jī)或激光點(diǎn)焊槍,能夠直接替代電阻點(diǎn)焊技術(shù)。激光線焊機(jī)可用作只能從單側(cè)進(jìn)入的零件的焊槍或C型槍,是翻邊焊接的理想解決方案(圖6)。

 

圖6: 激光線焊機(jī)(左:步進(jìn)焊接機(jī),右:步進(jìn)焊接C-槍)

 

激光線焊機(jī)可替代電阻點(diǎn)焊工藝,具有夾具和生產(chǎn)設(shè)備簡單的特點(diǎn)以及激光焊接的優(yōu)點(diǎn)。

激光焊接應(yīng)用于白車身生產(chǎn),具有下述優(yōu)點(diǎn):

 

• 加工速度更快(循環(huán)時(shí)間更短)

• 焊縫更長,使得部件強(qiáng)度增加,扭轉(zhuǎn)剛度更高

• 翻邊尺寸更短

• 可單側(cè)進(jìn)入

• 成本與電阻點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)相差無幾

• 高質(zhì)量的穩(wěn)定的焊接質(zhì)量

• 在部分焊穿的焊接中,背部無縮溝。

 

光纖激光器與合適的焊接工具結(jié)合將會(huì)實(shí)現(xiàn)以上所有目標(biāo)。

 

如圖7所示。激光線焊機(jī)(LSS)通過疊加振蕩方式使激光光束做線性運(yùn)動(dòng)。為安全起見,通過矩形的空心壓力元件引導(dǎo)激光光束,壓力元件將各零件壓在一起,還用于確保激光安全。利用來自壓力元件底部的傳感器信號(hào)也能夠釋放激光光束。適用的最小曲率取決于壓力元件的長度。40mm焊接的曲率不應(yīng)小于2m。

在通過外殼確定的范圍(標(biāo)準(zhǔn)= 40 mm)內(nèi)能夠進(jìn)行有或無振蕩(+ / - 1 mm)的激光焊接。例如,最容易的應(yīng)用是安裝在工業(yè)機(jī)器人第6軸上的模塊(30 kg輸送能力)。機(jī)器人將模塊移動(dòng)到要求的焊接位置。在這個(gè)位置,只能通過機(jī)器人的力量將它放置在部件上。在焊縫范圍內(nèi),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(jìn)作業(yè)(40 mm焊縫、50 mm自由空間、40 mm焊縫等)時(shí),能夠以大約30 mm / 秒的焊接速度每1.3 –1.5秒進(jìn)行一次激光焊接(見圖7)。在2.5s內(nèi)完成更換兩個(gè)焊接點(diǎn)的焊接循環(huán),包括LSS移動(dòng)。

 

圖7:電阻點(diǎn)焊與應(yīng)用LSS-C-槍的激光焊接(對(duì)于相同連接強(qiáng)度:4個(gè)焊點(diǎn)相當(dāng)于2個(gè)針步。利用 LSS后,只需一半的時(shí)間)

具有C-槍的激光線焊機(jī)(LSS)安裝在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橫移裝置上。這與設(shè)有補(bǔ)償模塊的電阻焊接槍類似(見圖6右)。這種型號(hào)工業(yè)機(jī)器人(80kg輸送能力)將LLS移入焊接位置,并以可編程的力關(guān)閉。

系統(tǒng)的模塊補(bǔ)償各部件位置和幾何結(jié)構(gòu)的誤差。只利用激光焊接工具施加作用在系統(tǒng)上的連接力(0.5–3kN),這些連接力無需機(jī)器人。在典型步進(jìn)作業(yè)時(shí),能夠每1.7–2秒進(jìn)行一次激光焊接。

設(shè)有小型IPG 光纖激光器的激光焊接工具的特點(diǎn):

• 步進(jìn)焊線焊機(jī)只需有效負(fù)荷為30kg的機(jī)器人。

• 基本型號(hào)能夠使系統(tǒng)焊接最大長度為40 mm的線性焊縫。

• 為了展開焊縫(2mm),能夠視需要打開橫擺功能。

• 激光器采用非結(jié)構(gòu)非常緊湊的光纖激光器,功率為1-4kW,總效率超過30%。白色車身應(yīng)用的典型激光功率為2kW。

• 免維護(hù)。

• LSS是節(jié)約成本的激光系統(tǒng),能夠在無復(fù)雜的激光保護(hù)外殼情況下使用。

• LSS能夠以規(guī)定的力在焊縫區(qū)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。

• 利用軟件可以配置且通過現(xiàn)場總線接口能夠控制焊縫長度及所有其它焊接參數(shù)。

該系統(tǒng)的典型應(yīng)用為現(xiàn)在仍配備有許多電阻焊接槍的白色車身組裝線(見圖8)。

 

圖8:4個(gè) LSS1-C-槍和2臺(tái)IPG激光器能夠替代具有相同工作負(fù)荷的8支電阻點(diǎn)焊槍

目的是通過一條大約30-40 mm的激光步進(jìn)焊縫兩個(gè)大約30 mm典型距離的焊接點(diǎn)。例如,如果是30個(gè)電阻焊接點(diǎn),循環(huán)時(shí)間大約為75秒。如果以所述方式用激光焊接代替點(diǎn)焊,只需要15條激光焊縫。循環(huán)時(shí)間能夠減少,總共只需要37秒。意味著生產(chǎn)率和大幅精簡所需生產(chǎn)系統(tǒng)兩個(gè)因素 。即使單臺(tái)LSS的成本比單臺(tái)點(diǎn)焊槍的高,也能夠達(dá)到節(jié)約占地面積和減少投資的目的。

設(shè)有IPG激光器的LSS步進(jìn)線焊機(jī)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)非常緊湊的高集成系統(tǒng),以理想方式擁有IPG 光纖激光器各項(xiàng)特點(diǎn)。它表明,現(xiàn)在車間比以前任何時(shí)候都更容易使用激光器。本激光焊接系統(tǒng)已經(jīng)集成有激光器、安全控制器、運(yùn)動(dòng)控制器以及水冷卻器,只需大約1m2面積,大約2m高的空間。

 

圖9:LSS 系統(tǒng)由焊接工具和集成的激光控制器柜構(gòu)成

(占用面積不到1m2)

 

摘要

白車身激光焊接技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)電阻點(diǎn)焊技術(shù)對(duì)比。

遠(yuǎn)程焊接時(shí)間非常短,節(jié)約5-8倍焊接時(shí)間,可代替點(diǎn)焊。由于非常迅速地從一個(gè)焊接跳到下一個(gè)焊接,線焊機(jī)幾乎無空閑時(shí)間。因此,激光光源和線焊機(jī)的工作周期達(dá)80%。即使單臺(tái)遠(yuǎn)程焊接設(shè)備的投資成本非常高,由于生產(chǎn)率高和經(jīng)營成本少,與點(diǎn)焊相比,成本也大幅下降。

遠(yuǎn)程焊接是以至少20-40個(gè)焊接點(diǎn)焊接小型零件的經(jīng)濟(jì)型工具。

與CO2-激光器遠(yuǎn)程激光線焊機(jī)相比,在引進(jìn)高亮度固態(tài)激光器,如光纖激光器后,能夠?qū)嵤└吆芏嗟暮附铀俣取C(jī)器人安裝式掃描儀系統(tǒng)增加了使用的靈活性。

激光跳焊機(jī)或激光線焊機(jī)比點(diǎn)焊快2倍,如果兩個(gè)能夠用一個(gè)振蕩的線性焊縫代替兩個(gè)靠在一起的焊接點(diǎn),能夠使用此類焊線焊機(jī)。LSS系統(tǒng)

• 采用小型光纖激光器(1-3kW)

• 能夠直接替代電阻點(diǎn)焊

• 無需激光安全罩或特別夾具

• 與受限制的點(diǎn)焊相比,具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

• 中級(jí)技術(shù) (容易操作)

LSS系統(tǒng)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(diǎn)焊應(yīng)用。LSS所需環(huán)境與受限制的點(diǎn)焊相同,因此可以用于各種設(shè)備

 

光纖激光器不僅可以代替現(xiàn)有應(yīng)用中的其它激光器,如遠(yuǎn)程焊接。由于光束質(zhì)量高以及結(jié)構(gòu)緊湊,它還是連接和替代傳統(tǒng)技術(shù)的新型工具。LSS是根據(jù)生產(chǎn)需要使用的新一代激光工具,由于能耗低,總購置成本低,它是現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)解決方案。

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遠(yuǎn)程激光焊接激光技術(shù)
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