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由IPG研發(fā)的激光步進(jìn)線焊機(jī)（LSS）是可媲美標(biāo)準(zhǔn)電阻點(diǎn)焊槍的創(chuàng)新型激光焊接工具，其主要原理是先將待焊工件壓合在一起，然后再利用激光輻射進(jìn)行焊接。LSS具有一體化的激光安全設(shè)計(jì)，能極大地簡(jiǎn)化加工應(yīng)用條件，降低投資成本，手持式配置及單面設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步拓展加工范圍及應(yīng)用范圍。汽車(chē)制造過(guò)程中的搭接接頭（白車(chē)身）及立體框架結(jié)構(gòu)都可以在一般生產(chǎn)環(huán)境下完成，從而大幅降低成本。通過(guò)與不同汽車(chē)制造商在車(chē)型設(shè)計(jì)初期就開(kāi)始的密切合作，LSS在系列車(chē)型的試制過(guò)程中不斷完善工藝，最終達(dá)到批量生產(chǎn)中高達(dá)99.9%的可靠性。激光系統(tǒng)的高度可重復(fù)性（光纖激光器及焊槍?zhuān)�，能夠在�?guī)模生產(chǎn)中確保產(chǎn)品質(zhì)量始終如一，降低由于自身生產(chǎn)原因造成的返修。

介紹

近幾十年來(lái)， 激光焊接技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為汽車(chē)制造及精密加工行業(yè)焊接技術(shù)中不可分割的一部分。無(wú)論是動(dòng)力系統(tǒng)中的精密預(yù)制部件焊接，還是客戶(hù)定制板材的生產(chǎn)，都能夠通過(guò)激光實(shí)現(xiàn)。然而，要想在普通的車(chē)身生產(chǎn)車(chē)間使用激光器，可能會(huì)有點(diǎn)困難，這主要是由于激光工藝對(duì)夾具的精確度及焊縫追蹤的靈活性有很高的要求，此外還需要配備激光安全房，在現(xiàn)有條件下，這些無(wú)疑都成為應(yīng)用激光焊接工藝的障礙。

更高的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)意味著生產(chǎn)商必須進(jìn)一步降低車(chē)體重量。為了達(dá)到減重目的，在降低法蘭寬度的同時(shí)，人們開(kāi)始使用高強(qiáng)鋼和鋁合金材料。

在該應(yīng)用領(lǐng)域中，激光步進(jìn)線焊機(jī)（LSS）為用戶(hù)提供了除標(biāo)準(zhǔn)激光焊接（如遠(yuǎn)程激光焊接）及標(biāo)準(zhǔn)電阻點(diǎn)焊之外的新選擇。LSS與IPG高效光纖激光器相結(jié)合，使用戶(hù)在朝著“節(jié)能省錢(qián)”的目標(biāo)前進(jìn)一大步。

關(guān)于激光步進(jìn)線焊機(jī)（LSS）

LSS，也就是我們所說(shuō)的“IPG激光步進(jìn)線焊機(jī)”，兼具多重優(yōu)勢(shì)，能夠極大地簡(jiǎn)化激光技術(shù)在車(chē)身生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)的應(yīng)用。

使用LSS時(shí)，將需要接合的板材置于兩個(gè)夾片之間，先用可控制的力（≤3kN）壓合，然后在一個(gè)集成的激光屏蔽外殼內(nèi)將工件焊接在一起。擺動(dòng)焊縫最長(zhǎng)可達(dá)40mm。擺動(dòng)頻率、焊接速度及焊接長(zhǎng)度均可通過(guò)編程控制及調(diào)整。通常情況下，產(chǎn)生的焊接煙塵都會(huì)處于上方壓力元件的屏蔽之內(nèi)，受到壓縮空氣的抑制，并被抽離到旁邊的專(zhuān)用儀器內(nèi)。在焊接不銹鋼、鋁或是鈦時(shí)（如圖1所示），可以使用保護(hù)氣體，確保表面清潔，防止氧化。

圖1：40mm擺動(dòng)焊縫形態(tài)（從上到下依次為：MnB合金鋼、鋁、不銹鋼）

LSS用于白車(chē)身鈑金件的焊接

如今，高強(qiáng)鋼在車(chē)身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與此同時(shí)，生產(chǎn)商對(duì)于接合區(qū)域焊點(diǎn)剛度的要求也越來(lái)越高，在很多情況下，傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝已經(jīng)很難滿(mǎn)足要求，其中一個(gè)原因是電阻點(diǎn)焊對(duì)焊點(diǎn)間距有一定的限制，另一個(gè)原因是較高的熱輸入會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生不良影響。

圖2：Volkswagen Golf VII車(chē)身制造（用激光步進(jìn)線焊機(jī)焊接三角窗）

我們來(lái)看一個(gè)例子。Volkswagen Golf VII車(chē)身所采用的接合工藝使接口具有很高的強(qiáng)度，這樣能提供很多優(yōu)勢(shì)，如圖2所示的A柱三角窗，以及B柱與門(mén)檻的交叉連接。

在焊接三角窗時(shí)，增加連接處的強(qiáng)度是很重要的。此外，在焊接B柱與門(mén)檻的交叉連接時(shí)，LSS還能夠縮短加工時(shí)間，用9條激光焊縫代替26個(gè)電阻點(diǎn)焊形成的焊點(diǎn)。在車(chē)頂焊接中，4條擺動(dòng)激光焊縫可以代替10個(gè)電阻點(diǎn)焊形成的焊點(diǎn)（如圖3所示）。

圖3：左側(cè)：B柱與門(mén)檻的交叉連接；右側(cè)：車(chē)頂梁

激光點(diǎn)焊在焊接外面板及懸掛零件時(shí)還有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些應(yīng)用的特點(diǎn)是焊縫長(zhǎng)度較小，所使用的光纖激光器具有更好的光束質(zhì)量，通常激光器功率小于1kW。在該應(yīng)用中，可以使用所謂的“微步焊接”，長(zhǎng)度不超過(guò)12mm，而且焊縫位置可以非�？拷�切割邊緣。

圖4：用LSS在靠近切割邊緣位置進(jìn)行的外面板“微步焊接”

使用“微步焊接”時(shí)，法蘭寬度只要6mm，這一點(diǎn)對(duì)于敏感構(gòu)件特別重要，例如圖5所示的車(chē)窗上邊框。與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝不同的是，在使用激光焊接工藝時(shí)，板材只需要在焊接之前固定，而且在加工之前或之后不會(huì)變形。另外，在使用電阻點(diǎn)焊工藝時(shí)，電極頭對(duì)材料形成的壓力會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域的材料產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而造成整個(gè)部件變形。在這一點(diǎn)上，無(wú)作用力的激光焊接工藝具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖5：位于車(chē)門(mén)框架的6mm法蘭焊接

對(duì)于那些焊縫數(shù)量較少，或是可變性較高的部件而言，手持式LS S 3 系統(tǒng)是最佳選擇。在這類(lèi)應(yīng)用中，借助關(guān)節(jié)臂和平衡器，一名操作員就可以輕而易舉地將激光焊槍?zhuān)ㄖ亓浚?8kg）移動(dòng)至所需的焊接位置（ 如圖6所示），然后進(jìn)行手動(dòng)焊接。伺服器驅(qū)動(dòng)焊槍閉合，將兩個(gè)部件通過(guò)夾緊力壓合在一起，隨后觸發(fā)激光器，根據(jù)設(shè)定完全熔透所需的激光功率進(jìn)行自動(dòng)焊接。

圖6：安裝在關(guān)節(jié)臂和平衡器上的手持式LSS3，連接4kW激光器及一體化控制器

LSS單面槍的應(yīng)用

LSS單面槍在船舶制造業(yè)中的應(yīng)用在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中，框架結(jié)構(gòu)常常使用金屬板進(jìn)行覆蓋，或者金屬板材應(yīng)用中往往使用鋼架進(jìn)行強(qiáng)化。所以，采取適合的技術(shù)方案，確保板材與框架之間的接合具有高度重復(fù)性，無(wú)變形，無(wú)扭曲，對(duì)于生產(chǎn)而言至關(guān)重要。在這一點(diǎn)上，激光焊接工藝的單面可達(dá)性具有巨大的優(yōu)勢(shì)。圖7為使用機(jī)器人引導(dǎo)的LSS（單面槍?zhuān)�將方形加�?qiáng)筋焊接到鋁板上，以達(dá)到提高材料整體強(qiáng)度的目的。

圖7：LSS（單面槍?zhuān)┻M(jìn)行單側(cè)應(yīng)用

借助激光步進(jìn)線焊機(jī)（單面槍?zhuān)�，可以制造鋁制船體。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)從內(nèi)側(cè)向外面板焊接，如圖8所示，外面板上未顯示出任何由于熱影響區(qū)造成的變形或是瑕疵。無(wú)變形、無(wú)瑕疵能有效減少返修，提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)調(diào)整激光步進(jìn)線焊機(jī)的擺動(dòng)函數(shù)，還可以提高焊縫寬度（如圖9所示）。強(qiáng)化梁的厚度為3mm，外面板為8mm。我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)接口處焊縫寬度最大化，同時(shí)對(duì)外面板表面的影響最小化。為了使焊接速度達(dá)到6mm/min，選擇3.5kW激光器。焊縫長(zhǎng)度約為30mm，寬度4mm，焊接深度5mm。

圖8：由激光步進(jìn)線焊機(jī)（單面槍?zhuān)┖附拥匿X制船體

激光點(diǎn)焊槍的應(yīng)用，極大地改善了焊接質(zhì)量，不僅能有效減少準(zhǔn)備工作，降低返修率，甚至還幾乎淘汰了昂貴的焊接夾具，相較于傳統(tǒng)的氣體保護(hù)焊，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。

LSS在鐵路運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)中的應(yīng)用鐵路運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)中，車(chē)廂的設(shè)計(jì)通常為板材加強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，材料多為碳鋼、不銹鋼或鋁。目前，人們主要是通過(guò)熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）將強(qiáng)化材料與基材接合起來(lái)，但是這樣會(huì)導(dǎo)致外面板上出現(xiàn)明顯的變形。因此必須再進(jìn)經(jīng)過(guò)一道復(fù)雜的矯正工藝。圖10所示為利用激光步進(jìn)線焊機(jī)（單面槍?zhuān)┻M(jìn)行的側(cè)面板焊接。

圖9：在焊接鋁板時(shí)調(diào)整激光步進(jìn)線焊機(jī)（單面槍?zhuān)┑臄[動(dòng)幅度，提高焊縫寬度

（左側(cè)：上方俯視圖；右側(cè)：橫截面圖）

在加工過(guò)程中，將側(cè)板放置在相應(yīng)位置上，利用一套簡(jiǎn)單夾具將強(qiáng)化部件對(duì)齊并固定。然后將單面槍固定在一個(gè)龍門(mén)系統(tǒng)上，并將焊接設(shè)備移動(dòng)至焊接位置。單面槍將強(qiáng)化部件與基材壓在一起，然后在一個(gè)具有遮光性的壓力構(gòu)件內(nèi)進(jìn)行焊接。

壓力構(gòu)件的主要作用是下壓，盡可能減少兩個(gè)部件之間的焊接縫隙，同時(shí)又可以作為屏蔽激光輻射的安全遮罩。

圖10：激光步進(jìn)線焊機(jī)（單面槍?zhuān)┖附涌瓦\(yùn)列車(chē)側(cè)板

激光焊接工位上引入壓力構(gòu)件，使人們?cè)诩庸ご笮筒考�時(shí)也不需要配備完全密閉的安全房，只要借助一臺(tái)起重設(shè)備就可以了，因而能夠極大地降低投資成本。

使用LSS的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估在與INPRO（INPRO是一家位于柏林的致力于提供汽車(chē)行業(yè)頂級(jí)生產(chǎn)系統(tǒng)的創(chuàng)新公司，合作伙伴包括戴姆勒、大眾、西門(mén)子、蒂森克虜伯及SABIC）的合作中，技術(shù)人員對(duì)電阻點(diǎn)焊工藝與激光步進(jìn)線焊工藝進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比指標(biāo)包括基本的物理技術(shù)性能，零部件使用性能，碰撞性能和經(jīng)濟(jì)性等方面的指標(biāo)。

圖11顯示了LSS和電阻點(diǎn)焊的綜合對(duì)比結(jié)果，紅線為電阻點(diǎn)焊，藍(lán)線為L(zhǎng)SS。越靠近中心點(diǎn)，表示數(shù)據(jù)越好。

圖11：電阻點(diǎn)焊 V.S. LSS的綜合評(píng)估

評(píng)估數(shù)據(jù)顯示，LSS在焊接質(zhì)量上相當(dāng)于，甚至是優(yōu)于電阻點(diǎn)焊，在完成相同焊接任務(wù)時(shí)，前者所需時(shí)間僅為后者的一半。經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估結(jié)果表明，如果是800單元全自動(dòng)生產(chǎn)線，三班運(yùn)轉(zhuǎn)，成本可降低6% -10%。

總結(jié)

如今，激光加工工藝已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，激光工藝具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)及靈活性，獲得了研發(fā)工程師及工藝設(shè)計(jì)師的認(rèn)可。

隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，電阻點(diǎn)焊和激光遠(yuǎn)程焊接的應(yīng)用已頗具規(guī)模。這兩種工藝各有優(yōu)劣。對(duì)于激光遠(yuǎn)程焊接而言，其優(yōu)點(diǎn)是加工周期短，而這主要得益于遠(yuǎn)程焊幾乎沒(méi)有待機(jī)時(shí)間而且焊縫質(zhì)量高；相較于激光焊接而言，電阻點(diǎn)焊的主要特點(diǎn)在于自帶夾具，無(wú)需額外成本。

如今，我們有了一種新型激光焊接機(jī)，這種高效快速的焊接機(jī)集兩者的優(yōu)點(diǎn)于一身，可靠、安全、且自帶夾持組件，這就是來(lái)自IPG的激光步進(jìn)線焊機(jī)（LSS1、LSS2、LSS3及LSS5）。

LSS系列激光步進(jìn)線焊機(jī)為一類(lèi)激光設(shè)備，可在無(wú)專(zhuān)用激光安全防護(hù)的生產(chǎn)線上直接應(yīng)用。這與傳統(tǒng)的激光焊接技術(shù)相比是一個(gè)巨大的進(jìn)步，因?yàn)楹笳咄�往需要在�?zhuān)門(mén)的激光安全防護(hù)裝置內(nèi)進(jìn)行焊接，所需經(jīng)濟(jì)投入和占地面積都非常大。目前，這種新型焊接系統(tǒng)已應(yīng)用于白車(chē)身及鈑金件的生產(chǎn)，并顯示出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：

— 加工速度更快（循環(huán)時(shí)間更短）；

— 長(zhǎng)縫焊，因此部件強(qiáng)度更大、扭轉(zhuǎn)剛度更高；

— 投入與電阻焊接系統(tǒng)相當(dāng)；

— 能夠以較低的成本滿(mǎn)足更高的操作安全需求。

LSS模塊可將光纖生成的激光光束引導(dǎo)至指定位置。出于安全考慮，激光束將由一個(gè)小角度漏斗形外殼進(jìn)行引導(dǎo)。只有當(dāng)外殼接觸到所需焊接的零部件時(shí)，激光束才能發(fā)射出來(lái)進(jìn)行焊接。

該模塊可在外殼確定的范圍（標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度=40mm）內(nèi)進(jìn)行有或無(wú)擺動(dòng)（+/-1mm擺動(dòng)范圍）功能的激光焊接，擺動(dòng)功能可增加實(shí)際的焊縫長(zhǎng)度。在與創(chuàng)新型汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的合作中，技術(shù)人員對(duì)激光點(diǎn)焊焊工藝與電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比指標(biāo)包括基本的物理技術(shù)性能，零部件使用性能，碰撞性能和經(jīng)濟(jì)性等方面的指標(biāo)。

鑒于激光步進(jìn)線焊機(jī)所具有的種種優(yōu)勢(shì)，這一新型激光工具已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛用于汽車(chē)制造、船舶制造、鐵路運(yùn)輸以及家用電器等多種行業(yè)。