激光材料加工技術(shù)已被公認(rèn)為是適用于極為重視生產(chǎn)效率的汽車行業(yè)的現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)方式。就該領(lǐng)域而言，遠(yuǎn)程激光焊接（remote laser welding）技術(shù)尤其能夠滿足這一需求。當(dāng)把激光束設(shè)置為動(dòng)態(tài)飛行焊接（Weldingon-Fly）模式時(shí)，便可以獲得最高的生產(chǎn)率。在這種工藝中，基于掃描振鏡的遠(yuǎn)程激光焊接頭與機(jī)器頭一起連續(xù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行極為快速的三維激光束定位（圖1），從而最大程度縮短了不同焊縫之間的時(shí)間間隔，提高了激光器利用效率，使之遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光焊接。
福特新型野馬車
激光材料加工技術(shù)已被公認(rèn)為是適用于極為重視生產(chǎn)效率的汽車行業(yè)的現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)方式。就該領(lǐng)域而言，遠(yuǎn)程激光焊接（remote laser welding）技術(shù)尤其能夠滿足這一需求。當(dāng)把激光束設(shè)置為動(dòng)態(tài)飛行焊接（Weldingon-Fly）模式時(shí)，便可以獲得最高的生產(chǎn)率。在這種工藝中，基于掃描振鏡的遠(yuǎn)程激光焊接頭與機(jī)器頭一起連續(xù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行極為快速的三維激光束定位（圖1），從而最大程度縮短了不同焊縫之間的時(shí)間間隔，提高了激光器利用效率，使之遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光焊接。
圖1：在動(dòng)態(tài)焊接模式中，焊接頭與機(jī)器人一起持續(xù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行極為快速的三維激光定位。
本文中，我們主要展示遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)在生產(chǎn)福特新型野馬車（Ford Mustang）這類大規(guī)模制造環(huán)境中彰顯的優(yōu)勢(shì)。
工藝目標(biāo)
福特的目標(biāo)是為新野馬車型開(kāi)發(fā)適用于大規(guī)模生產(chǎn)的單面焊接方法。為了不斷提高汽車的防撞性能、改善安全標(biāo)準(zhǔn)，車體結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用不斷增加。許多先進(jìn)的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在包括車頂縱梁和A 柱（左前方和右前方連接車頂和前艙的連接柱 ）等區(qū)域中使用了液壓成形管。這些設(shè)計(jì)的應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)單面焊接技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需求，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)需要在接頭的兩面焊接，但是，如果在液壓成形管上切割進(jìn)入的孔，以便實(shí)施這種焊接手段，容易造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，從而損害了利用液壓成形管的設(shè)計(jì)意圖。相較之下，這種單面焊接技術(shù)則提供了一種最大程度改善和優(yōu)化結(jié)構(gòu)完整性的方法，有利于消費(fèi)者的健康和安全。
圖2 ： I I - V I HIGHYAG 推出的基于振鏡結(jié)構(gòu)的3D 遠(yuǎn)程激光焊接頭RLSK（a），以及其剖面圖和作用原理(b)
因此福特摒棄了傳統(tǒng)的點(diǎn)焊工藝，繼而選擇了遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)。新的單面遠(yuǎn)程激光焊接方法使用了美國(guó)貳陸II-VI全資子公司HIGHYAG 的3D遠(yuǎn)程激光焊接頭RLSK（圖2），作為大功率激光遠(yuǎn)程飛行焊接的完美解決方案，其先進(jìn)的3D振鏡結(jié)構(gòu)，使其在應(yīng)對(duì)凹凸不平的工件表面時(shí)更加得心應(yīng)手，對(duì)于加工焊點(diǎn)較多的零部件，真正體現(xiàn)出激光遠(yuǎn)程飛行焊接的優(yōu)勢(shì)和效率。該焊接頭可以防止結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，并提高生產(chǎn)率。
具體實(shí)施
這個(gè)項(xiàng)目于2012年提出。2015年，福特野馬車型采用的遠(yuǎn)程激光焊接工藝轉(zhuǎn)化成系列化、規(guī)模化生產(chǎn)。在密歇根州底特律市的野馬工廠內(nèi)安裝了四個(gè)遠(yuǎn)程激光焊接單元。在其中的兩個(gè)單元中，有四個(gè)RLSK焊接頭負(fù)責(zé)對(duì)車側(cè)內(nèi)部組件進(jìn)行預(yù)加工。在目標(biāo)位置有小凹穴，方便焊接定位。在另外兩個(gè)激光單元中，有八個(gè)焊接頭用于焊接車體側(cè)身內(nèi)部和外部組件。
圖3：福特野馬車體側(cè)身內(nèi)部組件(a) 和車體側(cè)身外部組件(b) 的結(jié)構(gòu)焊接
RLSK焊接頭連接起車體側(cè)身內(nèi)組件上34處遠(yuǎn)程激光結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)，其中包括層疊厚度達(dá)2 毫米（圖3a）的結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)。它們采用縫焊及擺動(dòng)C焊從而在厚層疊焊點(diǎn)上達(dá)到出色的熔深值。此外，車體側(cè)身外組件也采用遠(yuǎn)程激光焊接：Coupe車型有79個(gè)焊點(diǎn)，Convertible車型則有61個(gè)焊點(diǎn)（圖3b）。0.7毫米厚低碳熱鍍鋅鋼（HDGI）車體側(cè)身外組件與各種不同厚度、材質(zhì)的車體側(cè)身內(nèi)組件相焊接，并采用G 型焊接設(shè)計(jì)以提高其質(zhì)量的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。
當(dāng)激光焊接涂層材料時(shí)，壓窩預(yù)處理工藝是另一個(gè)成功確保焊接質(zhì)量和強(qiáng)度的關(guān)鍵要點(diǎn)。使用鍍鋅鋼時(shí)，在焊接過(guò)程中會(huì)因材料涂層燃燒而排放出鋅氣體。焊接板材之間如果沒(méi)有間隔，就會(huì)在焊接點(diǎn)形成微氣孔，因?yàn)闅怏w唯一的逃逸通道是通過(guò)焊接熔池。這種失效模式要求把兩塊焊接板材之間的間歇控制得非常小，以便為兩塊金屬板材之間排出的鋅氣體制造一個(gè)逃逸通道。壓窩處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)為福特提供了保持控制板材間隔穩(wěn)定的能力。通過(guò)激光的快速脈沖作用，使金屬表層提升約0.1-0.15mm，從而在車體側(cè)身內(nèi)部組件上形成壓窩。壓窩和焊點(diǎn)之間的位置對(duì)準(zhǔn)，對(duì)于成功排出氣體和防止微孔形成至關(guān)重要。
抑制羽流是另一個(gè)質(zhì)量控制至關(guān)重要的因素。羽流是從穿透孔上方的熔池中釋放出來(lái)的等離子體云。這種等離子體云吸收焊接過(guò)程中大量的激光能量，使作用在工件上的功率和焊透度降低。每次焊接過(guò)程中的等離子體云都會(huì)發(fā)生變化，從而造成能量吸收不均，增加了質(zhì)量的波動(dòng)性，降低了加工的可靠性。這些結(jié)果促使福特開(kāi)發(fā)出可以控制等離子云的解決方案，使激光束充分而穩(wěn)定地發(fā)揮功率。這一解決方案旨在通過(guò)調(diào)節(jié)等離子云，讓氣流使等離子偏離激光束通道，從而達(dá)到抑制羽流的目的。通過(guò)在夾具中內(nèi)置復(fù)雜的管道系統(tǒng)，為每個(gè)焊點(diǎn)上方輸送25mm 的氣流即可成功抑制羽流，最終達(dá)到高品質(zhì)、深度焊接的目的。
與傳統(tǒng)點(diǎn)焊工藝相比，福特野馬生產(chǎn)過(guò)程中采用的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)極大提高了時(shí)間、空間、生產(chǎn)效率等方面的制造效能，從而進(jìn)一步促進(jìn)了精益生產(chǎn)。這些優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在：
● 車側(cè)身外部組件的焊接實(shí)際所耗時(shí)間縮短了5倍，79個(gè)焊點(diǎn)從原來(lái)耗時(shí)111秒下降至22秒；
● 單面進(jìn)入方式，只需一個(gè)工位循環(huán)而非三個(gè)工位循環(huán)即可完成；
● 只需4款焊接機(jī)器人，而不是原來(lái)的12款；
● 材料處理機(jī)器人從原來(lái)的4個(gè)降至2個(gè)；
●工廠占地面積下降。
為了方便遠(yuǎn)程激光焊接工藝的控制，福特充分發(fā)揮了專為RLSK遠(yuǎn)程激光焊接頭配置的 Studio軟件的功能，以幫助RLSK焊接頭的對(duì)焦運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)順序保持同步。在該軟件的圖形用戶界面，可以視覺(jué)觀察到激光對(duì)焦定位和加工特征。此外，也可以下載和上載工件數(shù)據(jù)，編輯加工參數(shù)，如焊接速度、激光功率等。整個(gè)工藝設(shè)置簡(jiǎn)單、用戶友好（圖4）。
圖4：使用RLSK Studio 軟件可以按照時(shí)間表(b)，視覺(jué)觀察對(duì)焦定位(a) 和焊接加工，實(shí)現(xiàn)用戶友好的工藝控制。該時(shí)間表顯示，各次施焊之間只存在最低程度的時(shí)間間隔損失( 藍(lán)色部分) 從而最大程度提高了生產(chǎn)效率。
結(jié)論
由此可見(jiàn)，焊接頭是激光和工件之間的重要界面，必須滿足大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境的關(guān)鍵要求，即生產(chǎn)率要求。通過(guò)采用帶RLSK焊接頭的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)，新福特野馬的生產(chǎn)率得到了顯著提升。同時(shí)，其它優(yōu)勢(shì)還包括生產(chǎn)周期更短、消除了結(jié)構(gòu)薄弱的弊端、節(jié)約了占地空間、可以控制激光焊縫的形狀、并且通過(guò)RLSK Studio軟件實(shí)現(xiàn)用戶友好的工藝控制等。
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