單側，非接觸式的激光焊接同高速掃描鏡片結合，減少了焊接時間的同時提高了生產率。 遠程激光焊接已經正在成為一種替代傳統汽車白車身應用中電阻點焊的一種手段。根據行業調查，已安裝的設備超過60套，主要集中在歐洲和北美地區。遠程激光焊接技術發揮了單側，非接觸式激光焊接帶來的技術和經濟優勢，并將其與高速掃描鏡片帶來的優勢相結合，大大縮短了焊接時間，在整個焊接流程中增加了總生產效率。 遠程激光焊接的優勢是最為顯著的，如果和傳統激光/機器人焊接的一些工作周期相比：20mm的縫焊能在0.2-0.4秒內完成，重復定位時間最大3秒，而對于遠程焊接來說焊接時間相同，重復定位時間僅為0.2秒。遠程焊接的關鍵優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. 遠程焊接的關鍵優勢是通過高速光束 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的發展作出努力，他們曾通過和一些具有前瞻想法的汽車制造商合作，在白車身生產上開辟了新領域。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，替代了傳統的電阻點焊。在這兩種應用中，重復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用的經驗之后，開始認識到該系統能提供以下的優勢：高生產率（高達120個焊點/分），高柔性，減少的占地面積（大多數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，從零件來看，它們必須被緊緊裝夾在每個焊接工位。這使得設計和制作夾具成為必需，在一些應用中甚至非常復雜。另一方面，其優點在于，更經濟，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 也認識到傳統的遠程焊接系統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開發并申請了一項專利，這是一種快速光束傳遞系統，在安裝到傳統的龍門型系統上后，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，并且降低了相關工具的復雜性和成本。這一概念允許用戶在龍門框架范圍內的任何地點完成焊接。 圖2.傳統的掃描盒被專利的快速光束傳遞系統替代和Agilaser公司配合，超過12臺甚至更多的遠程激光焊接設備現在正在Fiat位于意大利各個工廠運轉， 在Mirafiori它們為Idea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用于車門裝配線，生產投資降低了15％，而生產率提升了20％，同時降低了占地面積——和傳統的四機器人焊接系統相比減少了50％。結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，原系統需要占地1050m2 ，而采用5機器人加工站的 Agilaser僅占地808 m2 。兩臺 Agilasers以66秒的周期生產部件，焊接93條右側及左側激光焊縫，而以前需要電阻點焊130個右側和左側焊點。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 激光系統從所記錄的正常工作時間來看，穩定性超過98％，但它們仍然沒有被認為是主流的加工手段，這是由于它們先天在CNC機床結構上的問題導致。因為幾乎所有的汽車部件和車身焊接是通過關節型的機器手完成的，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。這一系統配備了Rofin Sinar 4.0千瓦半導體二極管泵浦Nd:YAG激光器，光束傳遞通過一根捆綁在傳統機器手上的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-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量和光斑大小的變化。而這同樣意味著掃描頭必須持續重定位并/或放置，采用動態的六軸標準關節式機器人系統。 Comau Pico的SmartLaser（見圖4）實質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）取代了用于傳統激光掃描設備上的F-theta 模塊（見圖5）。 圖4. SmartLaser是高速3D系統 圖5.該光學準直/放大模塊取代了 F-theta 模塊在傳統激光掃描設備上的位置在SmartLaser背后的想法是創造一種高速3D系統，其加速度比機器人要高60到70倍，在焊接區域內擁有8g的動態加速度。該系統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中，擁有全面的離線編程能力。該創新的掃描頭（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，該系統所有的軸，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，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 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機器人需要 580 ms。這意味著我們能在一個焊接周期內完成高達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，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的第一筆訂單，并在2007年底安裝完畢投入生產。可以想到的是分時多工位/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，一個工位焊接的同時新的部件也在其他工位完成上料。 結論 遠程激光焊接的概念仍然在發展當中，系統不斷被改良以滿足用戶生產中的需求。 供應商正努力降低高昂的初始設備投資和夾具復雜性所帶來的影響。激光技術的發展，比如更短波長和光纖及鏡片導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，用于更高產量的生產已經成為了現實。