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(shí)間的同時(shí)提高了生產(chǎn)率。

　　遠(yuǎn)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(diǎn)焊的一種手段。根據(jù)行業(yè)調(diào)查，已安裝的設(shè)備超過(guò)60套，主要集中在歐洲和北美地區(qū)。遠(yuǎn)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(lái)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，并將其與高速掃描鏡片帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，大大縮短了焊接時(shí)間，在整個(gè)焊接流程中增加了總生產(chǎn)效率。

　　遠(yuǎn)程激光焊接的優(yōu)勢(shì)是最為顯著的，如果和傳統(tǒng)激光/機(jī)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(shí)間最大3秒，而對(duì)于遠(yuǎn)程焊接來(lái)說(shuō)焊接時(shí)間相同，重復(fù)定位時(shí)間僅為0.2秒。遠(yuǎn)程焊接的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于降低了定位時(shí)間，這是由于裝備了高速的光束掃描裝置（見圖1）。

圖1. 遠(yuǎn)程焊接的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是通過(guò)高速光束
掃描降低了定位時(shí)間

　　Comau Pico公司很早就曾為推動(dòng)遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)的發(fā)展作出努力，他們?cè)ㄟ^(guò)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(dāng)中有一項(xiàng)是同Rofin Sinar公司合作，采用一臺(tái)基于 CO2 激光的遠(yuǎn)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(gè)焊接位置。

　　在Fiat Marea車的一個(gè)典型部件上，遠(yuǎn)程CO2 激光焊接被用來(lái)替代電阻點(diǎn)焊，它主要用來(lái)消除在車后部尾門上采用膠粘劑帶來(lái)的成本。在這一應(yīng)用中，總的激光縫焊時(shí)間是5秒。在對(duì)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(diǎn)焊。在這兩種應(yīng)用中，重復(fù)定位時(shí)間的降低高達(dá)94％。

　　Comau公司在同Rofin合作獲得以上這些應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)之后，開始認(rèn)識(shí)到該系統(tǒng)能提供以下的優(yōu)勢(shì)：高生產(chǎn)率（高達(dá)120個(gè)焊點(diǎn)/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(yuǎn)程焊接系統(tǒng)，從零件來(lái)看，它們必須被緊緊裝夾在每個(gè)焊接工位。這使得設(shè)計(jì)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(diǎn)在于，更經(jīng)濟(jì)，占用更少空間，相比要使用6到8個(gè)夾具的點(diǎn)焊來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)程焊接的夾具僅需一個(gè)。

　　Comau 也認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)上的掃描盒存在一些限制，因?yàn)樗豢赡芤苿?dòng)遠(yuǎn)程焊接頭。因此Comau開發(fā)并申請(qǐng)了一項(xiàng)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(yùn)動(dòng)（見圖2）。采用該方式的新單元可帶來(lái)更高產(chǎn)量，高速在零件上移動(dòng)光束的能力替代了移動(dòng)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(diǎn)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(guò)12臺(tái)甚至更多的遠(yuǎn)程激光焊接設(shè)備現(xiàn)在正在Fiat位于意大利各個(gè)工廠運(yùn)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(guó)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(jī)器人電阻點(diǎn)焊線，它采用雙夾具遠(yuǎn)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(shí)降低了占地面積——和傳統(tǒng)的四機(jī)器人焊接系統(tǒng)相比減少了50％。結(jié)果是采用激光遠(yuǎn)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(tái)機(jī)器人電阻焊的系統(tǒng)，原系統(tǒng)需要占地1050m2 ，而采用5機(jī)器人加工站的 Agilaser僅占地808 m2 。兩臺(tái) 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(diǎn)焊130個(gè)右側(cè)和左側(cè)焊點(diǎn)。在 Renault公司，一臺(tái)Agilaser在C65型號(hào)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(tái) 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(shí)間來(lái)看，穩(wěn)定性超過(guò)98％，但它們?nèi)匀粵](méi)有被認(rèn)為是主流的加工手段，這是由于它們先天在CNC機(jī)床結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題導(dǎo)致。因?yàn)閹缀跛械钠嚥考蛙嚿砗附邮峭ㄟ^(guò)關(guān)節(jié)型的機(jī)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(guò)光纖。

　　作為將遠(yuǎn)程焊接帶入下一個(gè)階段所作的努力和歐洲“遠(yuǎn)程焊接”項(xiàng)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(guò)一根捆綁在傳統(tǒng)機(jī)器手上的400微米直徑的光纖。Comau Pico 很快認(rèn)識(shí)到這種模式帶來(lái)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(shí)。

　　在大部分遠(yuǎn)程激光掃描頭上，F(xiàn)-theta 鏡用來(lái)將光束的焦點(diǎn)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(duì)鏡片保持垂直，其代價(jià)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(dòng)態(tài)的六軸標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)式機(jī)器人系統(tǒng)。 Comau Pico的SmartLaser（見圖4）實(shí)質(zhì)上把鏡片集成進(jìn)空心的機(jī)械手中。這一光學(xué)準(zhǔn)直/放大模塊 （類似望遠(yuǎn)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(xué)準(zhǔn)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(jī)器人要高60到70倍，在焊接區(qū)域內(nèi)擁有8g的動(dòng)態(tài)加速度。該系統(tǒng)擁有的可編程焦距大于750mm，實(shí)際上在750mm到1200mm之間，能極大擴(kuò)展系統(tǒng)的工作距離。這還意味著所有的光學(xué)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(jī)器手前臂的端部，包括兩塊鏡片，第一塊在30度角范圍運(yùn)動(dòng)，另一塊在240度角范圍運(yùn)動(dòng)。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(jì)。

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(yùn)動(dòng)，
另一塊在240度角范圍運(yùn)動(dòng)

　　不像其他掃描頭遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)所有的軸，運(yùn)動(dòng)部件和鏡片，均由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軸控器通過(guò)視校面板操縱。這使得編程非常簡(jiǎn)單便能控制所有的焊接參數(shù)，光束方向以及重新定位時(shí)的激光變化。

　　機(jī)器人擁有最大化的工具中心點(diǎn)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(shí)間僅為70 ms ，而采用二維掃描頭的傳統(tǒng)機(jī)器人需要 580 ms。這意味著我們能在一個(gè)焊接周期內(nèi)完成高達(dá)200到300條焊縫的焊接。

　　光纖和光耦連接在機(jī)械手上而不是掃描頭上，從而降低了機(jī)械應(yīng)力和疲勞強(qiáng)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(hù)的要求。

　　Comau目前正在歐洲測(cè)試第一臺(tái)SmartLaser 系統(tǒng)，并且將有一臺(tái)在美國(guó)進(jìn)行用戶測(cè)試。公司希望看到在下一年初獲得來(lái)自汽車行業(yè)的第一筆訂單?？梢韵氲降氖欠謺r(shí)多工位/機(jī)器人安裝能被用于依次加工多個(gè)部件，因而激光器一直都在焊接狀態(tài)，一個(gè)工位焊接的同時(shí)新的部件也在其他工位完成上料。

　　結(jié)論

　　遠(yuǎn)程激光焊接的概念仍然在發(fā)展當(dāng)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(lái)的影響。激光技術(shù)的發(fā)展，比如更短波長(zhǎng)和光纖及鏡片導(dǎo)光方式正在研究當(dāng)中，此外還有不使用保護(hù)氣體的手段。

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